termodynamik er den gren af fysik, der beskæftiger sig med forholdet mellem varme og andre former for energi. Det beskriver især, hvordan termisk energi omdannes til og fra andre former for energi, og hvordan det påvirker stof.
termisk energi er den energi, et stof eller system har på grund af dets temperatur, dvs.energien ved at flytte eller vibrere molekyler, ifølge Energiuddannelsens hjemmeside. Termodynamik involverer måling af denne energi, som kan være “meget kompliceret”, ifølge David McKee, professor i fysik ved Missouri Southern State University. “De systemer, vi studerer i termodynamik … består af et meget stort antal atomer eller molekyler, der interagerer på komplicerede måder. Men hvis disse systemer opfylder de rigtige kriterier, som vi kalder ligevægt, kan de beskrives med et meget lille antal målinger eller tal. Ofte idealiseres dette som systemets masse, systemets tryk og systemets volumen eller et andet tilsvarende sæt tal. Tre tal beskriver 1026 eller 1030 nominelle uafhængige variabler.”
varme
termodynamik beskæftiger sig derfor med flere egenskaber ved stof; først og fremmest blandt disse er varme. Varme er energi overført mellem stoffer eller systemer på grund af en temperaturforskel mellem dem, ifølge energiuddannelse. Som en form for energi bevares varme, dvs.den kan ikke oprettes eller ødelægges. Det kan dog overføres fra et sted til et andet. Varme kan også omdannes til og fra andre former for energi. For eksempel kan en dampturbine konvertere varme til kinetisk energi for at køre en generator, der konverterer kinetisk energi til elektrisk energi. En pære kan konvertere denne elektriske energi til elektromagnetisk stråling (lys), som, når den absorberes af en overflade, omdannes tilbage til varme.
temperatur
mængden af varme, der overføres af et stof, afhænger af hastigheden og antallet af atomer eller molekyler i bevægelse ifølge energiuddannelse. Jo hurtigere atomer eller molekyler bevæger sig, jo højere temperatur, og jo flere atomer eller molekyler der er i bevægelse, jo større er mængden af varme, de overfører.
temperatur er “et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi af partiklerne i en prøve af stof, udtrykt i enheder eller grader udpeget på en standardskala”, ifølge American Heritage Dictionary. Den mest almindeligt anvendte temperaturskala er Celsius, som er baseret på frysepunktet og kogepunkterne for vand og tildeler respektive værdier på 0 grader C og 100 grader C. Fahrenheit-skalaen er også baseret på frysepunktet og kogepunkterne for vand, der har tildelt værdier på henholdsvis 32 F og 212 f.
forskere over hele verden bruger imidlertid Kelvin (K uden gradstegn) skala, opkaldt efter Vilhelm Thomson, 1.Baron Kelvin, fordi det fungerer i beregninger. Denne skala bruger det samme trin som Celsius-skalaen, dvs.en temperaturændring på 1 C er lig med 1 K. Kelvin-skalaen starter imidlertid ved absolut nul, Den temperatur, hvor der er et totalt fravær af varmeenergi, og al molekylær bevægelse stopper. En temperatur på 0 K er lig med minus 459,67 F eller minus 273,15 C.
specifik varme
den mængde varme, der kræves for at øge temperaturen på en bestemt masse af et stof med en vis mængde kaldes specifik varme eller specifik varmekapacitet ifølge Ulvram-Forskning. Den konventionelle enhed til dette er kalorier pr. Kalorieindholdet defineres som den mængde varmeenergi, der kræves for at hæve temperaturen på 1 gram vand ved 4 C med 1 grad.
den specifikke varme af et metal afhænger næsten udelukkende af antallet af atomer i prøven, ikke dens masse. For eksempel kan et kilo aluminium absorbere omkring syv gange mere varme end et kilo bly. 8 procent mere varme end et lige antal aluminiumatomer. En given masse vand kan imidlertid absorbere næsten fem gange så meget varme som en lige stor masse aluminium. Den specifikke varme i en gas er mere kompleks og afhænger af, om den måles ved konstant tryk eller konstant volumen.
varmeledningsevne
varmeledningsevne (k) er “den hastighed, hvormed varme passerer gennem et specificeret materiale, udtrykt som den mængde varme, der strømmer pr. Enheden for k er vand (h) pr.meter (m) pr. kelvin (K). Værdier af k for metaller som kobber og sølv er relativt høje ved henholdsvis 401 og 428 Vægt/m·k. Denne egenskab gør disse materialer nyttige til bilradiatorer og kølefinner til computerchips, fordi de hurtigt kan transportere varmen væk og udveksle den med miljøet. Den højeste værdi af k for ethvert naturligt stof er diamant ved 2.200 Vægt/m·K.
andre materialer er nyttige, fordi de er ekstremt dårlige ledere af varme; denne egenskab kaldes termisk modstand eller R-værdi, der beskriver den hastighed, hvormed varme overføres gennem materialet. Disse materialer, såsom stenuld, gåsedun og Styrofoam, bruges til isolering i udvendige bygningsvægge, vinterfrakker og termiske kaffekrus. R-værdi er angivet i enheder af kvadratfod gange grader Fahrenheit gange timer pr britisk termisk enhed (ft2·liter F * h/Btu) for en 1-tommer tyk plade.
nyheds lov om afkøling
i 1701 erklærede Sir Isaac Nyton først sin lov om afkøling i en kort artikel med titlen “Scala graduum Caloris” (“en skala af Varmegraderne”) i Royal Society ‘ s filosofiske transaktioner. Ifølge den latinske lov er der tale om “overskridelsen af varmegraderne”… var i geometrisk progression, når tiderne er i en aritmetisk progression.”Det polytekniske institut giver en mere moderne version af loven som “temperaturændringshastigheden er proportional med forskellen mellem objektets temperatur og det omgivende miljøs temperatur.”
dette resulterer i et eksponentielt henfald i temperaturforskellen. For eksempel, hvis en varm genstand placeres i et koldt bad inden for en vis tidsperiode, vil forskellen i deres temperaturer falde med halvdelen. Så i samme tid vil den resterende forskel igen falde med halvdelen. Denne gentagne halvering af temperaturforskellen fortsætter med lige tidsintervaller, indtil den bliver for lille til at måle.
varmeoverførsel
varme kan overføres fra et legeme til et andet eller mellem et legeme og miljøet på tre forskellige måder: ledning, konvektion og stråling. Ledning er overførsel af energi gennem et fast materiale. Ledning mellem kroppe opstår, når de er i direkte kontakt, og molekyler overfører deres energi over grænsefladen.
konvektion er overførsel af varme til eller fra et væskemedium. Molekyler i en gas eller væske i kontakt med et fast legeme transmitterer eller absorberer varme til eller fra det legeme og bevæger sig derefter væk, så andre molekyler kan bevæge sig på plads og gentage processen. Effektiviteten kan forbedres ved at øge overfladearealet, der skal opvarmes eller afkøles, som med en radiator, og ved at tvinge væsken til at bevæge sig over overfladen, som med en ventilator.
stråling er emissionen af elektromagnetisk (EM) energi, især infrarøde fotoner, der bærer varmeenergi. Alt stof udsender og absorberer noget EM-stråling, hvis nettobeløb bestemmer, om dette medfører tab eller gevinst i varme.
Carnot-cyklussen
i 1824 foreslog Nicolas L Porronard Sadi Carnot en model til en varmemotor baseret på det, der er blevet kendt som Carnot-cyklussen. Cyklussen udnytter forholdet mellem tryk, volumen og temperatur på gasser, og hvordan et input af energi kan ændre form og arbejde uden for systemet.
komprimering af en gas øger temperaturen, så den bliver varmere end dens miljø. Varme kan derefter fjernes fra den varme gas ved hjælp af en varmeveksler. Derefter tillader det at udvide det at afkøle. Dette er det grundlæggende princip bag varmepumper, der bruges til opvarmning, aircondition og køling.
omvendt øger opvarmning af en gas sit tryk, hvilket får den til at ekspandere. Det ekspansive tryk kan derefter bruges til at drive et stempel og således omdanne varmeenergi til kinetisk energi. Dette er det grundlæggende princip bag varmemotorer.
entropi
alle termodynamiske systemer genererer spildvarme. Dette affald resulterer i en stigning i entropi, som for et lukket system er “et kvantitativt mål for mængden af termisk energi, der ikke er tilgængelig til at udføre arbejde”, ifølge American Heritage Dictionary. Entropi i ethvert lukket system øges altid; det falder aldrig. Derudover producerer bevægelige dele spildvarme på grund af friktion, og strålingsvarme lækker uundgåeligt fra systemet.
dette gør såkaldte evige bevægelsesmaskiner umulige. Siabal mitra, professor i fysik ved Missouri State University, forklarer: “Du kan ikke bygge en motor, der er 100 procent effektiv, hvilket betyder, at du ikke kan bygge en evig bevægelsesmaskine. Der er dog mange mennesker derude, der stadig ikke tror på det, og der er mennesker, der stadig forsøger at bygge evige bevægelsesmaskiner.”
entropi defineres også som” et mål for lidelsen eller tilfældigheden i et lukket system”, som også ubønhørligt øges. Du kan blande varmt og koldt vand, men fordi en stor kop varmt vand er mere uordnet end to mindre kopper, der indeholder varmt og koldt vand, kan du aldrig adskille det tilbage i varmt og koldt uden at tilføje energi til systemet. Sagt på en anden måde, du kan ikke afkode et æg eller fjerne fløde fra din kaffe. Mens nogle processer ser ud til at være fuldstændig reversible, er der i praksis ingen faktisk. Entropi giver os derfor en pil af tid: fremad er retningen for stigende entropi.
de fire love om termodynamik
de grundlæggende principper for termodynamik blev oprindeligt udtrykt i tre love. Senere blev det fastslået, at en mere grundlæggende lov var blevet forsømt, tilsyneladende fordi den havde virket så indlysende, at den ikke behøvede at blive udtrykkeligt angivet. For at danne et komplet sæt regler besluttede forskerne, at denne mest grundlæggende lov skulle medtages. Problemet, selvom, var, at de første tre love allerede var blevet etableret og var velkendte ved deres tildelte numre. Når man står over for udsigten til at omnummerere de eksisterende love, hvilket ville forårsage betydelig forvirring, eller placere den fremtrædende lov i slutningen af listen, hvilket ikke ville give nogen logisk mening, en britisk fysiker, Ralph H. fugl, kom med et alternativ, der løste dilemmaet: han kaldte den nye lov “nul lov.”Kort sagt er disse love:
nul Loven siger, at hvis to kroppe er i termisk ligevægt med noget tredje legeme, så er de også i ligevægt med hinanden. Dette etablerer temperatur som en grundlæggende og målbar egenskab af materie.
den første lov siger, at den samlede stigning i et systems energi er lig med stigningen i termisk energi plus det arbejde, der udføres på systemet. Dette siger, at varme er en form for energi og derfor er underlagt bevaringsprincippet.
den anden lov siger, at varmeenergi ikke kan overføres fra et legeme ved en lavere temperatur til et legeme ved en højere temperatur uden tilsætning af energi. Derfor koster det penge at køre et klimaanlæg.
den tredje lov siger, at entropien af en ren krystal ved absolut nul er nul. Som forklaret ovenfor kaldes entropi undertiden” affaldsenergi”, dvs.energi, der ikke er i stand til at udføre arbejde, og da der overhovedet ikke er nogen varmeenergi ved absolut nul, kan der ikke være spildenergi. Entropi er også et mål for lidelsen i et system, og mens en perfekt krystal per definition er perfekt ordnet, betyder enhver positiv temperaturværdi, at der er bevægelse i krystallen, hvilket forårsager lidelse. Af disse grunde kan der ikke være noget fysisk system med lavere entropi, så entropi har altid en positiv værdi.
videnskaben om termodynamik er blevet udviklet gennem århundreder, og dens principper gælder for næsten alle enheder, der nogensinde er opfundet. Dens betydning i moderne teknologi kan ikke overvurderes.
yderligere ressourcer
- nogle af de største sind i videnskabens historie har bidraget til udviklingen af termodynamik. En liste over bemærkelsesværdige pionerer inden for området kan findes på universitetet.
- energiuddannelse er et interaktivt læseplan supplement til gymnasieelever.
- Eric Veissteins Videnskabsverden indeholder encyklopædier om astronomi, videnskabelig biografi, Kemi og fysik.
seneste nyheder