Termodinamica este ramura fizicii care se ocupă de relațiile dintre căldură și alte forme de energie. În special, descrie modul în care energia termică este transformată în și din alte forme de energie și modul în care afectează materia.
energia termică este energia pe care o substanță sau un sistem o are datorită temperaturii sale, adică energia moleculelor în mișcare sau vibratoare, potrivit site-ului de educație Energetică al Agenției pentru Educație din Texas. Termodinamica implică măsurarea acestei energii, care poate fi „extrem de complicată”, potrivit lui David McKee, profesor de fizică la Missouri Southern State University. „Sistemele pe care le studiem în termodinamică … constau dintr-un număr foarte mare de atomi sau molecule care interacționează în moduri complicate. Dar, dacă aceste sisteme îndeplinesc criteriile potrivite, pe care le numim echilibru, ele pot fi descrise cu un număr foarte mic de măsurători sau numere. Adesea, acest lucru este idealizat ca masa sistemului, presiunea sistemului și volumul sistemului sau un alt set echivalent de numere. Trei numere descriu 1026 sau 1030 variabile nominale independente.”
căldura
Termodinamica, atunci, este preocupată de mai multe proprietăți ale materiei; cel mai important dintre acestea este căldura. Căldura este energia transferată între substanțe sau sisteme datorită unei diferențe de temperatură între ele, conform Energy Education. Ca formă de energie, căldura este conservată, adică nu poate fi creată sau distrusă. Cu toate acestea, poate fi transferat dintr-un loc în altul. Căldura poate fi, de asemenea, convertită în și din alte forme de energie. De exemplu, o turbină cu abur poate converti căldura în energie cinetică pentru a rula un generator care transformă energia cinetică în energie electrică. Un bec poate converti această energie electrică în radiație electromagnetică (lumină), care, atunci când este absorbită de o suprafață, este transformată înapoi în căldură.
temperatura
cantitatea de căldură transferată de o substanță depinde de viteza și numărul de atomi sau molecule în mișcare, conform Educației energetice. Cu cât atomii sau moleculele se mișcă mai repede, cu atât temperatura este mai mare și cu cât sunt mai mulți atomi sau molecule în mișcare, cu atât este mai mare cantitatea de căldură pe care o transferă.
temperatura este „o măsură a energiei cinetice medii a particulelor dintr-un eșantion de materie, exprimată în unități sau grade desemnate pe o scară standard”, potrivit American Heritage Dictionary. Scara de temperatură cea mai frecvent utilizată este Celsius, care se bazează pe punctele de îngheț și fierbere ale apei, atribuind valorile respective de 0 grade C și 100 grade C. Scara Fahrenheit se bazează, de asemenea, pe punctele de îngheț și fierbere ale apei care au atribuit valori de 32 F și, respectiv, 212 F.
cu toate acestea, oamenii de știință din întreaga lume folosesc scara Kelvin (K fără semn de grad), numită după William Thomson, Baronul 1 Kelvin, deoarece funcționează în calcule. Această scală folosește aceeași creștere ca scara Celsius, adică o schimbare de temperatură de 1 C este egală cu 1 K. Cu toate acestea, scara Kelvin începe de la zero absolut, temperatura la care există o absență totală a energiei termice și toată mișcarea moleculară se oprește. O temperatură de 0 K este egală cu minus 459,67 F sau minus 273,15 C.
căldură specifică
cantitatea de căldură necesară pentru a crește temperatura unei anumite mase a unei substanțe cu o anumită cantitate se numește căldură specifică sau capacitate specifică de căldură, conform Wolfram Research. Unitatea convențională pentru aceasta este calorii pe gram pe kelvin. CALORIA este definită ca cantitatea de energie termică necesară pentru a ridica temperatura de 1 gram de apă la 4 C cu 1 grad.
căldura specifică a unui metal depinde aproape în întregime de numărul de atomi din eșantion, nu de masa acestuia. De exemplu, un kilogram de aluminiu poate absorbi de aproximativ șapte ori mai multă căldură decât un kilogram de plumb. Cu toate acestea, atomii de plumb pot absorbi doar aproximativ 8% mai multă căldură decât un număr egal de atomi de aluminiu. Cu toate acestea, o anumită masă de apă poate absorbi de aproape cinci ori mai multă căldură decât o masă egală de aluminiu. Căldura specifică a unui gaz este mai complexă și depinde dacă este măsurată la presiune constantă sau volum constant.
conductivitatea termică
conductivitatea termică (k) este „rata la care căldura trece printr-un material specificat, exprimată ca cantitatea de căldură care curge pe unitate de timp printr-o unitate de suprafață cu un gradient de temperatură de un grad pe unitate de distanță”, potrivit Dicționarului Oxford. Unitatea pentru k este wați (W) pe metru (m) pe kelvin (K). Valorile k pentru metale precum cuprul și argintul sunt relativ ridicate la 401 și, respectiv, 428 W/m·K. Această proprietate face ca aceste materiale să fie utile pentru radiatoarele auto și aripioarele de răcire pentru cipurile computerului, deoarece pot transporta rapid căldura și o pot schimba cu mediul. Cea mai mare valoare a lui k pentru orice substanță naturală este diamantul la 2.200 W/m·K.
alte materiale sunt utile deoarece sunt conductori de căldură extrem de slabi; această proprietate este denumită rezistență termică sau valoare R, care descrie rata la care căldura este transmisă prin material. Aceste materiale, cum ar fi vata de rocă, puf de gâscă și Styrofoam, sunt utilizate pentru izolarea pereților exteriori ai clădirilor, a paltoanelor de iarnă și a cănilor termice de cafea. Valoarea R este dată în unități de metri pătrați ori grade Fahrenheit ori ore pe unitate termică britanică (ft2·f·h/BTU) pentru o placă de 1 inch grosime.
Legea lui Newton de răcire
în 1701, Sir Isaac Newton a declarat pentru prima dată legea sa de răcire într-un scurt articol intitulat „Scala graduum Caloris” („o scară a gradelor de căldură”) în tranzacțiile filosofice ale Societății Regale. Declarația legii lui Newton se traduce din latina originală ca” excesul gradelor de căldură … au fost în progresie geometrică atunci când timpurile sunt într-o progresie aritmetică. Institutul Politehnic Worcester oferă o versiune mai modernă a legii ca „rata de schimbare a temperaturii este proporțională cu diferența dintre temperatura obiectului și cea a mediului înconjurător.”
aceasta are ca rezultat o descompunere exponențială a diferenței de temperatură. De exemplu, dacă un obiect cald este plasat într-o baie rece, într-o anumită perioadă de timp, diferența de temperatură va scădea la jumătate. Apoi, în aceeași perioadă de timp, diferența rămasă va scădea din nou la jumătate. Această înjumătățire repetată a diferenței de temperatură va continua la intervale egale de timp până când devine prea mică pentru a fi măsurată.
transfer de căldură
căldura poate fi transferată de la un corp la altul sau între un corp și mediu prin trei mijloace diferite: conducție, convecție și radiații. Conducerea este transferul de energie printr-un material solid. Conducerea între corpuri are loc atunci când acestea sunt în contact direct, iar moleculele își transferă energia prin interfață.
convecția este transferul de căldură către sau dintr-un mediu fluid. Moleculele dintr-un gaz sau lichid în contact cu un corp solid transmit sau absorb căldura către sau din acel corp și apoi se îndepărtează, permițând altor molecule să se miște în loc și să repete procesul. Eficiența poate fi îmbunătățită prin creșterea suprafeței de încălzit sau răcit, ca și în cazul unui radiator și prin forțarea fluidului să se deplaseze pe suprafață, ca și în cazul unui ventilator.
radiația este emisia de energie electromagnetică (EM), în special fotonii infraroșii care transportă energia termică. Toată materia emite și absoarbe unele radiații EM, a căror cantitate netă determină dacă aceasta provoacă o pierdere sau câștig de căldură.
ciclul Carnot
in anul 1824, Nicolas L. Ciclul exploatează relațiile dintre presiunea, volumul și temperatura gazelor și modul în care o intrare de energie poate schimba forma și poate funcționa în afara sistemului.
comprimarea unui gaz crește temperatura acestuia, astfel încât acesta devine mai fierbinte decât mediul său. Căldura poate fi apoi îndepărtată din gazul fierbinte folosind un schimbător de căldură. Apoi, permițându-i să se extindă îl face să se răcească. Acesta este principiul de bază din spatele pompelor de căldură utilizate pentru încălzire, aer condiționat și refrigerare.
în schimb, încălzirea unui gaz crește presiunea acestuia, determinând extinderea acestuia. Presiunea expansivă poate fi apoi utilizată pentru a conduce un piston, transformând astfel energia termică în energie cinetică. Acesta este principiul de bază din spatele motoarelor termice.
entropie
toate sistemele termodinamice generează căldură reziduală. Aceste deșeuri au ca rezultat o creștere a entropiei, care pentru un sistem închis este „o măsură cantitativă a cantității de energie termică care nu este disponibilă pentru a lucra”, potrivit Dicționarului American Heritage. Entropia în orice sistem închis crește întotdeauna; nu scade niciodată. În plus, piesele mobile produc căldură reziduală datorită frecării, iar căldura radiativă se scurge inevitabil din sistem.
acest lucru face imposibilă așa-numitele mașini de mișcare perpetuă. Siabal Mitra, profesor de fizică la Universitatea de Stat din Missouri, explică: „nu poți construi un motor care să fie 100% eficient, ceea ce înseamnă că nu poți construi o mașină de mișcare perpetuă. Cu toate acestea, există o mulțime de oameni acolo, care încă nu-l cred, și există oameni care sunt încă încearcă să construiască mașini de mișcare perpetuă.”
entropia este, de asemenea, definită ca” o măsură a tulburării sau aleatorie într-un sistem închis”, care, de asemenea, crește inexorabil. Puteți amesteca apă caldă și rece, dar pentru că o ceașcă mare de apă caldă este mai dezordonată decât două căni mai mici care conțin apă caldă și rece, nu o puteți separa niciodată în cald și rece fără a adăuga energie sistemului. Altfel spus, nu puteți dezlipi un ou sau elimina crema din cafea. În timp ce unele procese par a fi complet reversibile, în practică, niciunul nu este de fapt. Entropia, prin urmare, ne oferă o săgeată a timpului: înainte este direcția creșterii entropiei.
cele patru legi ale termodinamicii
principiile fundamentale ale termodinamicii au fost inițial exprimate în trei legi. Mai târziu, s-a stabilit că o lege mai fundamentală fusese neglijată, aparent pentru că părea atât de evidentă încât nu trebuia să fie enunțată în mod explicit. Pentru a forma un set complet de reguli, oamenii de știință au decis că această lege fundamentală trebuie inclusă. Problema, însă, a fost că primele trei legi fuseseră deja stabilite și erau bine cunoscute prin numerele lor atribuite. Când s-a confruntat cu perspectiva renumerotării legilor existente, care ar provoca o confuzie considerabilă, sau plasarea legii preeminente la sfârșitul listei, ceea ce nu ar avea sens logic, un fizician britanic, Ralph H. Fowler, a venit cu o alternativă care a rezolvat dilema: el a numit noua lege „Legea zero.”Pe scurt, aceste legi sunt:
Legea zero afirmă că dacă două corpuri sunt în echilibru termic cu un al treilea corp, atunci ele sunt, de asemenea, în echilibru unul cu celălalt. Aceasta stabilește temperatura ca o proprietate fundamentală și măsurabilă a materiei.
prima lege prevede că creșterea totală a energiei unui sistem este egală cu creșterea energiei termice plus munca depusă pe sistem. Aceasta afirmă că căldura este o formă de energie și, prin urmare, este supusă principiului conservării.
a doua lege afirmă că energia termică nu poate fi transferată de la un corp la o temperatură mai scăzută la un corp la o temperatură mai ridicată fără adăugarea de energie. Acesta este motivul pentru care costă bani pentru a rula un aparat de aer condiționat.
a treia lege afirmă că entropia unui cristal pur la zero absolut este zero. Așa cum s-a explicat mai sus, entropia este uneori numită „energie reziduală”, adică energie care nu poate funcționa și, din moment ce nu există energie termică la zero absolut, nu poate exista energie reziduală. Entropia este, de asemenea, o măsură a tulburării într-un sistem și, în timp ce un cristal perfect este, prin definiție, perfect ordonat, orice valoare pozitivă a temperaturii înseamnă că există mișcare în interiorul cristalului, ceea ce provoacă tulburare. Din aceste motive, nu poate exista un sistem fizic cu entropie mai mică, deci entropia are întotdeauna o valoare pozitivă.
știința termodinamicii a fost dezvoltată de-a lungul secolelor, iar principiile sale se aplică aproape tuturor dispozitivelor inventate vreodată. Importanța sa în tehnologia modernă nu poate fi supraestimată.
resurse suplimentare
- unele dintre cele mai mari minți din istoria științei au contribuit la dezvoltarea termodinamicii. O listă de pionieri notabili în domeniu poate fi găsită pe site-ul Universității din Waterloo.
- educația energetică este un supliment curriculum interactiv pentru elevii de știință de liceu.
- lumea științei a lui Eric Weisstein conține enciclopedii de astronomie, biografie științifică, chimie și fizică.
știri recente