Termodynamika je obor fyziky, který se zabývá vztahy mezi teplem a jinými formami energie. Zejména popisuje, jak se tepelná energie přeměňuje na a z jiných forem energie a jak ovlivňuje hmotu.
Tepelné energie je energie látky nebo systém má vzhledem k jeho teplotě, tj., energie pohybujících se molekul podle Energie, Vzdělávání stránkách Texas Vzdělávací Agentury. Termodynamiky zahrnuje měření této energie, což může být „nesmírně složité,“ podle Davida McKee, profesor fyziky na Missouri Southern State University. „Systémy, které studujeme v termodynamice … se skládají z velmi velkého počtu atomů nebo molekul, které interagují komplikovaně. Pokud však tyto systémy splňují správná kritéria, která nazýváme rovnováha, lze je popsat s velmi malým počtem měření nebo čísel. Často je to idealizováno jako hmotnost systému, tlak systému a objem systému nebo nějaká jiná ekvivalentní sada čísel. Tři čísla popisují 1026 nebo 1030 nominálních nezávislých proměnných.“
teplo
Termodynamika se tedy zabývá několika vlastnostmi hmoty; mezi nimi je především teplo. Teplo je energie přenášená mezi látkami nebo systémy v důsledku teplotního rozdílu mezi nimi, podle Energy Education. Jako forma energie je teplo konzervováno, to znamená, že nemůže být vytvořeno nebo zničeno. Může se však přenést z jednoho místa na druhé. Teplo může být také přeměněno na a z jiných forem energie. Například parní turbína může přeměnit teplo na kinetickou energii a spustit generátor, který přeměňuje kinetickou energii na elektrickou energii. Žárovka může přeměnit tuto elektrickou energii na elektromagnetické záření (světlo), které se po absorpci povrchem přemění zpět na teplo.
Teplota
množství tepla převedeno látky závisí na rychlosti a počtu atomů nebo molekul v pohybu, v závislosti na Energetické Vzdělávání. Čím rychleji se atomy nebo molekuly pohybují, tím vyšší je teplota a čím více atomů nebo molekul je v pohybu, tím větší je množství tepla, které přenášejí.
Teplota je „měřítkem průměrná kinetická energie částic ve vzorku hmoty, vyjádřené v jednotkách nebo stupňů určený na standardní stupnici,“ podle American Heritage Dictionary. Nejčastěji používanou teplotní stupnicí je Celsia, která je založena na bodech mrazu a varu vody a přiřazuje příslušné hodnoty 0 stupňů C a 100 stupňů C. Stupnice Fahrenheita je také založena na bodech tuhnutí a varu vody, které mají přiřazené hodnoty 32 F a 212 F, resp.
vědci po celém světě však používají stupnici Kelvin (K bez znaménka stupně), pojmenovanou po Williamovi Thomsonovi, 1. Baron Kelvin, protože pracuje ve výpočtech. Změna teploty 1 C se rovná 1 K. Kelvinova stupnice však začíná na absolutní nule, teplota, při které dochází k úplné absenci tepelné energie a veškerý molekulární pohyb se zastaví. Teplotě 0 k je rovno mínus 459.67 F nebo minus 273.15 C.
Specifické teplo
množství tepla, potřebné ke zvýšení teploty určité množství látky o určitou částku, se nazývá měrné teplo nebo specifické tepelné kapacity, podle Wolfram Research. Konvenční jednotkou je kalorie na gram na kelvin. Kalorie je definována jako množství tepelné energie potřebné ke zvýšení teploty 1 gramu vody při 4 C o 1 stupeň.
specifické teplo kovu závisí téměř výhradně na počtu atomů ve vzorku, nikoli na jeho hmotnosti. Například kilogram hliníku může absorbovat asi sedmkrát více tepla než kilogram olova. Atomy olova však mohou absorbovat pouze asi o 8 procent více tepla než stejný počet atomů hliníku. Daná hmotnost vody však může absorbovat téměř pětkrát více tepla než stejná hmotnost hliníku. Specifické teplo plynu je složitější a závisí na tom, zda se měří při konstantním tlaku nebo konstantním objemu.
Tepelná vodivost
Tepelné vodivosti (k) je „rychlost, při které se teplo předává prostřednictvím určitého konkrétního materiálu, vyjádřená jako množství tepla, které proudí za jednotku času přes jednotku plochy s teplotou přechodu z jednoho stupně na jednotku vzdálenosti,“ podle Oxford Dictionary. Jednotka pro K je wattů (W) na metr (m) na kelvin (K). Hodnoty K pro kovy, jako je měď a stříbro, jsou relativně vysoké při 401 a 428 W·m * K. Tato vlastnost dělá tyto materiály užitečné pro automobilový radiátory a chladicí žebra pro počítačové čipy, protože oni mohou odnést teplo rychle a výměnu s prostředím. Nejvyšší hodnotu k pro nějaké přirozené látky je diamant ve 2200 W/m·K.
Další materiály jsou užitečné, protože jsou velmi špatnými vodiči tepla, tato vlastnost je označována jako tepelný odpor nebo R-hodnota, který popisuje rychlost, při kterém je teplo přenášeno přes materiál. Tyto materiály, jako je minerální vlna, husí peří a polystyren, se používají k izolaci vnějších stěn budov, zimních plášťů a tepelných hrnků na kávu. R-hodnota je uvedena v jednotkách čtverečních stop krát stupňů Fahrenheita krát hodin na britskou tepelnou jednotku (ft2 * °F * h/Btu) pro desku o tloušťce 1 palce.
Newtonův Zákon Ochlazování
V roce 1701 Sir Isaac Newton uvedl, že jeho Práva Chlazení v krátkém článku s názvem „Scala graduum Caloris“ („Rozsah Stupňů Tepla“) na Filozofické toky z Královské Společnosti. Newtonovo prohlášení o zákoně se překládá z původní latiny jako, “ přebytek stupňů tepla .“… byly v geometrickém postupu, když jsou časy v aritmetické progresi.“Worcester Polytechnic Institute dává více moderní verze zákona jako „rychlost změny teploty je úměrná rozdílu mezi teplotou objektu a okolního prostředí.“
to má za následek exponenciální rozpad teplotního rozdílu. Například pokud je teplý předmět umístěn ve studené lázni, v určité době se rozdíl v jejich teplotách sníží o polovinu. Pak ve stejné době se zbývající rozdíl opět sníží o polovinu. Toto opakované snížení teplotního rozdílu na polovinu bude pokračovat ve stejných časových intervalech, dokud nebude příliš malé na měření.
přenos tepla
teplo lze přenášet z jednoho těla do druhého nebo mezi tělem a prostředím třemi různými způsoby: vedením, konvekcí a zářením. Vedení je přenos energie přes pevný materiál. Vedení mezi těly nastává, když jsou v přímém kontaktu, a molekuly přenášejí svou energii přes rozhraní.
konvekce je přenos tepla do nebo z tekutého média. Molekuly v plynu nebo kapalině v kontaktu s pevným tělem přenášejí nebo absorbují teplo do nebo z tohoto těla a poté se vzdalují, což umožňuje dalším molekulám pohybovat se na místo a opakovat proces. Účinnost může být zlepšena zvětšením plochy, která má být ohřívána nebo chlazena, jako u radiátoru, a nucením tekutiny k pohybu po povrchu, jako u ventilátoru.
záření je emise elektromagnetické (EM) energie, zejména infračervených fotonů, které nesou tepelnou energii. Veškerá hmota vyzařuje a absorbuje určité em záření, jehož čisté množství určuje, zda to způsobuje ztrátu nebo zisk tepla.
Carnotův cyklus
v roce 1824 navrhl Nicolas Léonard Sadi Carnot model tepelného motoru na základě toho, co se stalo známým jako Carnotův cyklus. Cyklus využívá vztahy mezi tlakem, objemem a teplotou plynů a tím, jak může vstup energie změnit formu a pracovat mimo systém.
stlačením plynu se zvyšuje jeho teplota, takže se stává teplejším než jeho prostředí. Teplo pak může být odebráno z horkého plynu pomocí výměníku tepla. Poté, když se nechá expandovat, způsobí, že se ochladí. To je základní princip tepelných čerpadel používaných pro vytápění, klimatizaci a chlazení.
naopak zahřívání plynu zvyšuje jeho tlak, což způsobuje jeho expanzi. Expanzivní tlak pak může být použit k pohonu pístu, čímž se přeměňuje tepelná energie na kinetickou energii. To je základní princip tepelných motorů.
entropie
všechny termodynamické systémy generují odpadní teplo. Toto plýtvání má za následek zvýšení entropie, což je pro uzavřený systém je „kvantitativní měření množství tepelné energie není k dispozici pro práci,“ podle American Heritage Dictionary. Entropie v každém uzavřeném systému se vždy zvyšuje, nikdy se nesnižuje. Pohyblivé části navíc produkují odpadní teplo v důsledku tření a ze systému nevyhnutelně uniká radiační teplo.
to znemožňuje tzv. Siabal Mitra, profesor fyziky na Missouri State University, vysvětluje, že „nelze postavit stroj, který je 100 procent efektivní, což znamená, že nelze vytvořit perpetuum mobile. Existuje však spousta lidí, kteří tomu stále nevěří,a jsou lidé, kteří se stále snaží stavět stroje s neustálým pohybem.“
entropie je také definována jako „míra poruchy nebo náhodnosti v uzavřeném systému“, která se také neúprosně zvyšuje. Můžete míchat teplou a studenou vodou, ale proto, že velký šálek teplé vody, je více neuspořádané, než dva menší šálky s horkou a studenou vodou, nikdy nemůžete oddělit zpět do teplé a studené bez přidání energie do systému. Jinak řečeno, nemůžete dešifrovat vejce ani odstranit krém z kávy. Zatímco některé procesy se zdají být zcela reverzibilní, v praxi Žádný ve skutečnosti není. Entropie nám proto poskytuje šipku času: vpřed je směr zvyšování entropie.
čtyři zákony termodynamiky
základní principy termodynamiky byly původně vyjádřeny ve třech zákonech. Později bylo zjištěno, že byl opomíjen zásadnější zákon, zřejmě proto, že se zdálo tak zřejmé,že to nemusí být výslovně uvedeno. Aby vědci vytvořili úplný soubor pravidel, rozhodli se, že je třeba zahrnout tento nejzákladnější zákon. Problém však byl v tom, že první tři zákony již byly stanoveny a byly dobře známy podle jejich přidělených čísel. Když tváří v tvář s vyhlídkou na přečíslování stávajících zákonů, která by mohla způsobit značný zmatek, nebo umístění přední zákona na konci seznamu, což by žádný logický smysl, Britský fyzik, Ralph H. Fowler, přišel s alternativou, že vyřešil dilema: on nazývá nový zákon „Nultý Zákon.“Stručně řečeno, tyto zákony jsou:
Nultý Zákon uvádí, že pokud dvě tělesa jsou v tepelné rovnováze s nějakou třetí tělo, pak jsou také v rovnováze s navzájem. Tím se stanoví teplota jako základní a měřitelná vlastnost hmoty.
první zákon stanoví, že celkové zvýšení energie systému se rovná zvýšení tepelné energie plus práce na systému. To uvádí, že teplo je formou energie,a proto podléhá principu ochrany.
Druhý Zákon říká, že teplo, energie nemůže být převedena z těla při nižší teplotě, aby se tělo při vyšší teplotě bez přidání energie. To je důvod, proč stojí peníze na provoz klimatizace.
třetí zákon říká, že entropie čistého krystalu při absolutní nule je nula. Jak je vysvětleno výše, entropie se někdy nazývá „odpadní energie“, tj. energie, která není schopna pracovat, a protože neexistuje žádná tepelná energie vůbec na absolutní nule, nemůže existovat žádná odpadní energie. Entropie je také míra neurčitosti v systému, a zatímco ideální krystal je podle definice dokonale nařídil, žádné pozitivní hodnoty teploty znamená, že je pohyb uvnitř krystalu, což způsobuje poruchy. Z těchto důvodů nemůže existovat žádný fyzický systém s nižší entropií, takže entropie má vždy kladnou hodnotu.
věda o termodynamice byla vyvinuta v průběhu staletí a její principy platí pro téměř každé zařízení, které kdy bylo vynalezeno. Jeho význam v moderních technologiích nelze přeceňovat.
Další zdroje
- Některé z největších myslitelů v dějinách vědy přispěly k rozvoji termodynamiky. Seznam významných průkopníků v oboru najdete na webových stránkách University of Waterloo.
- energetická výchova je interaktivní doplněk učebních osnov pro studenty středních škol.
- svět vědy Erica Weissteina obsahuje encyklopedie astronomie, vědecké biografie, chemie a fyziky.
Poslední zprávy