Termodynamiikka on fysiikan haara, joka käsittelee lämmön ja muiden energiamuotojen välisiä suhteita. Se kuvaa erityisesti sitä, miten lämpöenergia muuntuu toisiksi energiamuodoiksi ja niistä pois ja miten se vaikuttaa aineeseen.
lämpöenergia on energia, joka aineella tai systeemillä on lämpötilansa vuoksi eli liikkuvien tai värähtelevien molekyylien energia, kerrotaan Texasin Koulutusviraston Energiakasvatussivuilla. Termodynamiikkaan kuuluu tämän energian mittaaminen, mikä voi olla” tavattoman monimutkaista”, sanoo Missouri Southern State Universityn fysiikan professori David McKee. ”Termodynamiikassa tutkimamme systeemit – – koostuvat hyvin suurista määristä atomeja tai molekyylejä, jotka vaikuttavat toisiinsa monimutkaisilla tavoilla. Mutta jos nämä järjestelmät täyttävät oikeat kriteerit, joita kutsumme tasapainoksi, niitä voidaan kuvata hyvin pienellä määrällä mittauksia tai numeroita. Usein tämä idealisoidaan systeemin massaksi, systeemin paineeksi ja systeemin tilavuudeksi tai joksikin muuksi vastaavaksi lukujoukoksi. Kolme lukua kuvaa 1026 tai 1030 nimellistä riippumatonta muuttujaa.”
lämpö
Termodynamiikka koskee siis useita aineen ominaisuuksia; näistä huomattavin on lämpö. Lämpö on energy Educationin mukaan aineiden tai järjestelmien välillä niiden lämpötilaeron vuoksi siirtyvää energiaa. Energiamuotona lämpö säilyy eli sitä ei voi luoda eikä tuhota. Sitä voidaan kuitenkin siirtää paikasta toiseen. Lämpöä voidaan muuntaa myös muihin energiamuotoihin ja niistä pois. Esimerkiksi höyryturbiini voi muuntaa lämmön liike-energiaksi pyörittämään generaattoria, joka muuntaa liike-energian sähköenergiaksi. Lamppu voi muuntaa tämän sähköenergian sähkömagneettiseksi säteilyksi (valoksi), joka pinnan absorboituessa muuttuu takaisin lämmöksi.
lämpötila
aineen siirtämän lämmön määrä riippuu Energy Educationin mukaan liikkeessä olevien atomien tai molekyylien nopeudesta ja lukumäärästä. Mitä nopeammin atomit tai molekyylit liikkuvat, sitä korkeampi lämpötila ja mitä enemmän atomeja tai molekyylejä on liikkeessä, sitä suuremman määrän lämpöä ne siirtävät.
lämpötila on American Heritage Dictionaryn mukaan” mitta, jolla mitataan ainenäytteessä olevien hiukkasten keskimääräinen liike-energia, ilmaistuna standardiasteikolla määriteltyinä yksikköinä tai asteina”. Yleisimmin käytetty lämpötila-asteikko on Celsius, joka perustuu veden jäätymis-ja kiehumispisteisiin, jolloin vastaavat arvot ovat 0 astetta C ja 100 astetta C. Fahrenheit-asteikko perustuu myös veden jäätymis-ja kiehumispisteisiin, joiden arvot ovat vastaavasti 32 F ja 212 F.
tutkijat ympäri maailmaa käyttävät kuitenkin Kelvin-asteikkoa (k ilman astemerkkiä), joka on nimetty William Thomsonin, Kelvinin 1.paronin, mukaan, koska se toimii laskelmissa. Tämä asteikko käyttää samaa lisäystä kuin Celsius-asteikko, eli 1 C: n lämpötilamuutos on yhtä suuri kuin 1 K. Kelvin-asteikko alkaa kuitenkin absoluuttisesta nollasta, lämpötilasta, jossa on lämpöenergian täydellinen puuttuminen ja kaikki molekyylien liike pysähtyy. Lämpötila 0 K on yhtä kuin miinus 459,67 F tai miinus 273,15 C.
ominaislämpö
sitä lämpömäärää, joka tarvitaan tietyn aineen massan lämpötilan nostamiseen tietyllä määrällä, kutsutaan Wolframitutkimuksen mukaan ominaislämmöksi eli ominaislämpökapasiteetiksi. Tavanomainen yksikkö tälle on kalorit grammassa kelviniä kohti. Kaloriksi määritellään se lämpöenergian määrä, joka tarvitaan nostamaan 1 gramman veden lämpötilaa 4 C: ssä 1 asteella.
metallin ominaislämpö riippuu lähes kokonaan näytteen atomimäärästä, ei sen massasta. Esimerkiksi alumiinikilo voi imeä itseensä noin seitsemän kertaa enemmän lämpöä kuin lyijykilo. Lyijyatomit voivat kuitenkin imeä itseensä vain noin 8 prosenttia enemmän lämpöä kuin yhtä monta alumiiniatomia. Tietty vesimassa voi kuitenkin imeä itseensä lähes viisi kertaa niin paljon lämpöä kuin yhtä suuri määrä alumiinia. Kaasun ominaislämpö on monimutkaisempi ja riippuu siitä, mitataanko se vakiopaineessa vai vakiotilavuudessa.
lämmönjohtavuus
lämmönjohtavuus (k) on ”nopeus, jolla lämpö kulkee määrätyn materiaalin läpi, ilmaistuna lämpöarvona, joka virtaa aikayksikköä kohti yksikköalueen läpi, jonka lämpötilagradientti on yksi aste etäisyyden yksikköyksikköä kohti”, Oxfordin sanakirjan mukaan. K: n yksikkö on wattia (W) per metri (m) per kelvin (K). K: n arvot metalleille, kuten kuparille ja hopealle, ovat suhteellisen korkeat 401 ja 428 W/m·K, vastaavasti. Tämä ominaisuus tekee näistä materiaaleista hyödyllisiä autojen patterit ja jäähdytys evät tietokonesiruille, koska ne voivat kuljettaa pois lämpöä nopeasti ja vaihtaa sen ympäristön kanssa. K: n korkein arvo millekään luonnolliselle aineelle on timantti 2 200 W/m·K.
muut materiaalit ovat käyttökelpoisia, koska ne ovat erittäin huonoja lämmönjohtimia; tätä ominaisuutta kutsutaan lämmönkestävyydeksi eli R-arvoksi, joka kuvaa nopeutta, jolla lämpö siirtyy materiaalin läpi. Näitä materiaaleja, kuten kivivillaa, hanhenvillaa ja styroksia, käytetään eristeenä ulkorakennusten seinissä, talvitakeissa ja lämpökahvimukeissa. R-arvo annetaan yksikköinä neliöjalka kertaa astetta Fahrenheit kertaa tuntia brittiläistä lämpöyksikköä (ft2·°F·h/Btu) kohti 1 tuuman paksuiselle laatalle.
Newtonin viilenemisen laki
vuonna 1701 Sir Isaac Newton esitti viilenemisen lakinsa ensimmäisen kerran lyhyessä artikkelissa ”Scala graduum Caloris” (”a Scale of the Degrees of Heat”) teoksessa The Philosophical Transactions of the Royal Society. Newtonin lausunto laista on käännetty alkuperäisestä latinasta seuraavasti: ”lämpöasteiden ylitys … olivat geometriset etenemistä, kun ajat ovat aritmeettista etenemistä.”Worcester Polytechnic Institute antaa nykyaikaisemman version laista, koska” lämpötilan muutosnopeus on verrannollinen kohteen ja ympäröivän ympäristön lämpötilan väliseen eroon.”
tämä johtaa lämpötilaeron eksponentiaaliseen hajoamiseen. Jos esimerkiksi lämmin esine laitetaan kylmään kylpyyn, tietyn ajan kuluessa niiden lämpötilaero pienenee puoleen. Sitten siinä samassa ajassa jäljellä oleva ero pienenee jälleen puoleen. Tätä lämpötilaeron toistuvaa puolittamista jatketaan tasaisin väliajoin, kunnes se käy liian pieneksi mitattavaksi.
lämmönsiirto
lämpöä voidaan siirtää kehosta toiseen tai kappaleen ja ympäristön välillä kolmella eri tavalla: johtuminen, konvektio ja säteily. Johtuminen on energian siirtoa kiinteän aineen läpi. Johtuminen kappaleiden välillä tapahtuu, kun ne ovat suorassa kosketuksessa, ja molekyylit siirtävät energiansa rajapinnan poikki.
konvektio on lämmön siirtymistä nestemäiseen väliaineeseen tai sieltä pois. Kaasussa tai nesteessä olevat molekyylit, jotka ovat kosketuksissa kiinteän kappaleen kanssa, siirtävät tai absorboivat lämpöä kyseiseen kappaleeseen tai siitä pois ja siirtyvät sitten pois, jolloin muut molekyylit voivat siirtyä paikalleen ja toistaa prosessin. Tehokkuutta voidaan parantaa lisäämällä lämmitettävää tai jäähdytettävää pinta-alaa kuten patterilla, ja pakottamalla neste liikkumaan pinnan yli kuten tuulettimella.
säteily on sähkömagneettisen (EM) energian, erityisesti lämpöenergiaa kuljettavien infrapunafotonien emissiota. Kaikki aine säteilee ja absorboi jonkin verran EM-säteilyä, jonka nettomäärä ratkaisee, aiheuttaako se lämpöhäviötä vai-lisäystä.
Carnot ’n sykli
Nicolas Léonard Sadi Carnot ehdotti vuonna 1824 mallia lämpövoimakoneelle, joka perustui niin sanottuun Carnot’ n sykliin. Sykli hyödyntää kaasujen paineen, tilavuuden ja lämpötilan välisiä suhteita ja sitä, miten energia voi muuttaa muotoaan ja toimia järjestelmän ulkopuolella.
kaasun puristaminen nostaa sen lämpötilaa, joten siitä tulee ympäristöään kuumempi. Lämpö voidaan sitten poistaa kuumasta kaasusta lämmönvaihtimen avulla. Kun sen annetaan laajentua, se jäähtyy. Tämä on perusperiaate lämpöpumppujen käytetään lämmitykseen, ilmastointi ja jäähdytys.
vastaavasti kaasun kuumentaminen lisää sen painetta aiheuttaen sen laajenemisen. Ekspansiivisella paineella voidaan sitten ajaa mäntää, jolloin lämpöenergia muuttuu liike-energiaksi. Tämä on lämmitysmoottoreiden perusperiaate.
Entropia
kaikki termodynaamiset systeemit tuottavat hukkalämpöä. Tämä jäte lisää entropiaa, joka on suljetussa järjestelmässä ”sen lämpöenergian määrän kvantitatiivinen mitta, jota ei ole käytettävissä työhön”, sanoo American Heritage Dictionary. Entropia missä tahansa suljetussa järjestelmässä kasvaa aina; se ei koskaan vähene. Lisäksi liikkuvat osat tuottavat kitkasta johtuvaa hukkalämpöä,ja säteilylämpö vuotaa väistämättä järjestelmästä.
tämä tekee niin sanotut ikiliikkujat mahdottomiksi. Missourin osavaltionyliopiston fysiikan professori Siabal Mitra selittää: ”et voi rakentaa moottoria, joka on 100-prosenttisen tehokas, mikä merkitsee sitä, ettet voi rakentaa ikiliikkujaa. On kuitenkin paljon ihmisiä, jotka eivät vieläkään usko siihen, ja on ihmisiä, jotka yrittävät edelleen rakentaa ikiliikkujia.”
Entropia määritellään myös ”suljetun järjestelmän häiriön tai satunnaisuuden mittana”, joka myös vääjäämättä lisääntyy. Voit sekoittaa kuumaa ja kylmää vettä, mutta koska suuri kuppi lämmintä vettä on sekavampi kuin kaksi pienempää kuppia, jotka sisältävät kuumaa ja kylmää vettä, et voi koskaan erottaa sitä takaisin kuumaan ja kylmään lisäämättä energiaa järjestelmään. Toisin sanoen kananmunaa ei voi purkaa tai kahvista poistaa kermaa. Vaikka jotkin prosessit näyttävät olevan täysin palautuvia, käytännössä mikään niistä ei todellisuudessa ole. Entropia antaa meille siis ajan nuolen: eteenpäin on entropian lisääntymisen suunta.
termodynamiikan neljä lakia
termodynamiikan perusperiaatteet ilmaistiin alun perin kolmella lailla. Myöhemmin selvisi, että perustavanlaatuisempaa lakia oli laiminlyöty ilmeisesti siksi, että se oli vaikuttanut niin ilmeiseltä, ettei sitä tarvinnut erikseen sanoa. Kokonaisen sääntökokoelman muodostamiseksi tiedemiehet päättivät, että tämä kaikkein perustavanlaatuisin laki oli sisällytettävä siihen. Ongelmana oli kuitenkin se, että kolme ensimmäistä lakia oli jo vahvistettu ja ne tunnettiin hyvin määrätyillä numeroillaan. Kun edessä oli mahdollisuus numeroida olemassa olevat lait uudelleen, mikä aiheuttaisi huomattavaa sekaannusta, tai sijoittaa etevämpi laki luettelon loppuun, mikä ei olisi loogista, brittiläinen fyysikko Ralph H. Fowler keksi vaihtoehdon, joka ratkaisi ongelman: hän kutsui uutta lakia ”Zerothin laiksi”.”Lyhyesti nämä lait ovat:
Zerothin laki sanoo, että jos kaksi kappaletta on termisessä tasapainossa jonkin kolmannen kappaleen kanssa, ovat ne myös tasapainossa keskenään. Tämä määrittää lämpötilan aineen perus-ja mitattavissa olevaksi ominaisuudeksi.
ensimmäisen lain mukaan systeemin energian kokonaiskasvu on yhtä suuri kuin lämpöenergian lisäys lisättynä systeemillä tehdyllä työllä. Sen mukaan lämpö on yksi energiamuoto, ja siksi siihen sovelletaan säästöperiaatetta.
toisen lain mukaan lämpöenergiaa ei voida siirtää alemmassa lämpötilassa olevasta kappaleesta korkeammassa lämpötilassa olevaan kappaleeseen ilman energian lisäämistä. Siksi Ilmastointilaitteen pyörittäminen maksaa.
kolmannen lain mukaan puhtaan Kiteen entropia absoluuttisessa nollapisteessä on nolla. Kuten edellä on selitetty, entropiaa kutsutaan joskus ”hukkaenergiaksi” eli energiaksi, joka ei kykene tekemään työtä, ja koska absoluuttisessa nollapisteessä ei ole lainkaan lämpöenergiaa, ei voi olla hukkaenergiaa. Entropia on myös systeemin epäjärjestyksen mitta, ja vaikka täydellinen kide on määritelmän mukaan täydellisesti järjestynyt, mikä tahansa lämpötilan positiivinen arvo tarkoittaa, että Kiteen sisällä on liikettä, joka aiheuttaa epäjärjestystä. Näistä syistä ei voi olla olemassa fysikaalista systeemiä, jolla olisi alempi entropia, joten entropialla on aina positiivinen arvo.
termodynamiikan tiedettä on kehitetty vuosisatojen ajan, ja sen periaatteet pätevät lähes jokaiseen koskaan keksittyyn laitteeseen. Sen merkitystä nykytekniikassa ei voi liioitella.
lisäresurssit
- eräät tieteen historian suurimmista älymystöistä ovat vaikuttaneet termodynamiikan kehitykseen. Luettelo alan merkittävistä pioneereista löytyy Waterloon yliopiston verkkosivuilta.
- Energiakasvatus on vuorovaikutteinen opetussuunnitelman täydennys toisen asteen luonnontieteen opiskelijoille.
- Eric Weissteinin tiedemaailma sisältää tähtitieteen, tieteellisen elämäkerran, kemian ja fysiikan tietosanakirjoja.
Viimeaikaiset uutiset