a termodinamika a fizika azon ága, amely a hő és az energia egyéb formái közötti kapcsolatokkal foglalkozik. Különösen azt írja le, hogy a hőenergia hogyan alakul át más energiaformákká és azokból, és hogyan befolyásolja az anyagot.
a hőenergia az az energia, amelyet egy anyag vagy rendszer hőmérséklete, azaz a mozgó vagy rezgő molekulák energiája okoz, a Texas oktatási ügynökség Energy Education honlapja szerint. A termodinamika magában foglalja ennek az energiának a mérését, ami “rendkívül bonyolult” lehet David McKee, a Missouri Southern State University fizika professzora szerint. “A termodinamikában vizsgált rendszerek … nagyon nagy számú atomból vagy molekulából állnak, amelyek bonyolult módon kölcsönhatásba lépnek. De ha ezek a rendszerek megfelelnek a megfelelő kritériumoknak, amelyeket egyensúlynak nevezünk, akkor nagyon kis számú méréssel vagy számmal írhatók le. Ezt gyakran úgy idealizálják, mint a rendszer tömegét, a rendszer nyomását, a rendszer térfogatát vagy más egyenértékű számkészletet. Három szám 1026 vagy 1030 névleges független változót ír le.”
hő
a termodinamika tehát az anyag számos tulajdonságával foglalkozik; ezek közül a legfontosabb a hő. A hő az energiaoktatás szerint az anyagok vagy rendszerek közötti hőmérséklet-különbség miatt átadott energia. Az energia egyik formájaként a hő konzerválódik, azaz nem hozható létre vagy semmisíthető meg. Ez azonban átvihető egyik helyről a másikra. A hő átalakítható más energiaformákká is. Például egy gőzturbina átalakíthatja a hőt kinetikus energiává, hogy olyan generátort működtessen, amely a kinetikus energiát elektromos energiává alakítja. A villanykörte ezt az elektromos energiát elektromágneses sugárzássá (fény) alakíthatja át, amelyet egy felület elnyelve hővé alakít vissza.
hőmérséklet
az anyag által átvitt hő mennyisége az Energiaoktatás szerint a mozgásban lévő atomok vagy molekulák sebességétől és számától függ. Minél gyorsabban mozognak az atomok vagy molekulák, annál magasabb a hőmérséklet, és minél több atom vagy molekula mozog, annál nagyobb hőmennyiséget szállítanak.
a hőmérséklet “az anyagmintában lévő részecskék átlagos kinetikus energiájának mértéke, standard skálán kijelölt egységekben vagy fokokban kifejezve”, az American Heritage Dictionary szerint. A leggyakrabban használt hőmérsékleti skála a Celsius, amely a víz fagyáspontján és forráspontján alapul, 0 C és 100 C fokos értékeket rendelve hozzá. A Fahrenheit-skála a víz fagyáspontján és forráspontján is alapul, amelyek 32 F, illetve 212 F értéket kaptak.
a tudósok világszerte azonban a Kelvin (k fokjel nélkül) skálát használják, amelyet William Thomson, Kelvin 1.báró után neveztek el, mert számításokban működik. Ez a skála ugyanazt a növekményt használja, mint a Celsius-skála, azaz 1 C hőmérsékletváltozás egyenlő 1 K. a Kelvin-skála azonban abszolút nullánál kezdődik, az a hőmérséklet, amelyen a hőenergia teljes hiánya van, és minden molekuláris mozgás leáll. A 0 K hőmérséklet egyenlő mínusz 459,67 F vagy mínusz 273,15 C.
fajlagos hő
a Wolfram kutatása szerint az anyag bizonyos tömegének hőmérsékletének bizonyos mennyiséggel történő növeléséhez szükséges hőmennyiséget fajlagos hőnek vagy fajlagos hőkapacitásnak nevezzük. Ennek hagyományos egysége a kalória / gramm / kelvin. A kalóriát úgy definiáljuk, mint az 1 gramm víz 4 C-os hőmérsékletének 1 fokos emeléséhez szükséges hőenergia mennyiségét.
a fém fajlagos hője szinte teljes egészében a mintában lévő atomok számától függ, nem pedig a tömegétől. Például egy kilogramm alumínium körülbelül hétszer több hőt képes elnyelni, mint egy kilogramm ólom. Az ólomatomok azonban csak körülbelül 8 százalékkal több hőt képesek elnyelni, mint azonos számú alumíniumatom. Egy adott víztömeg azonban közel ötször annyi hőt képes elnyelni, mint egy azonos tömegű alumínium. A gáz fajlagos hője összetettebb, attól függ, hogy állandó nyomáson vagy állandó térfogaton mérik-e.
hővezető képesség
a hővezető képesség (k) “az a sebesség, amellyel a hő áthalad egy meghatározott anyagon, kifejezve azt a hőmennyiséget, amely egységnyi idő alatt áramlik egy egységnyi területen, amelynek hőmérsékleti gradiense egységnyi távolságonként egy fok”, az Oxford Dictionary szerint. A K mértékegysége watt (W) / méter (m) / kelvin (K). A fémek, például a réz és az ezüst k értéke viszonylag magas, 401, illetve 428 W/m·K. Ez a tulajdonság teszi ezeket az anyagokat hasznos autóradiátorokhoz és hűtőbordákhoz számítógépes chipekhez, mert gyorsan el tudják vinni a hőt és kicserélhetik a környezettel. A legmagasabb K érték bármely természetes anyag esetében a gyémánt 2200 W / m·K.
más anyagok azért hasznosak, mert rendkívül rossz hővezetők; ezt a tulajdonságot hőellenállásnak vagy R-értéknek nevezik, amely leírja a hő továbbításának sebességét az anyagon keresztül. Ezeket az anyagokat, mint például a kőzetgyapot, a libamáj és a hungarocell, külső épületfalak, téli kabátok és termikus kávéscsészék szigetelésére használják. Az R-értéket négyzetláb mértékegységekben adják meg Fahrenheit – fokban óránként Brit hőegységenként (ft2·Ft F·h/Btu) egy 1 hüvelyk vastag födémhez.
Newton hűtési törvénye
1701-ben Sir Isaac Newton először a “Scala graduum Caloris” (“a hőfokok skálája”) című rövid cikkben jelentette ki hűtési törvényét a Királyi Társaság filozófiai tranzakciói. Newton törvénynyilatkozata az eredeti latinból fordítva: “a hőfokok feleslege … geometriai progresszióban voltak, amikor az idők számtani progresszióban vannak.”A Worcester Polytechnic Institute a törvény modernebb változatát adja, mivel” a hőmérséklet változásának mértéke arányos a tárgy és a környező környezet hőmérsékletének különbségével.”
ez exponenciális bomlást eredményez a hőmérsékletkülönbségben. Például, ha egy meleg tárgyat hideg fürdőbe helyeznek, egy bizonyos időn belül a hőmérsékletük különbsége felére csökken. Ezután ugyanabban az időintervallumban a fennmaradó különbség ismét felére csökken. A hőmérsékletkülönbség ismételt felére csökkentése egyenlő időközönként folytatódik, amíg túl kicsi lesz a méréshez.
hőátadás
a hő három különböző módon továbbítható egyik testből a másikba, vagy a test és a környezet között: vezetés, konvekció és sugárzás. A vezetés az energia szilárd anyagon keresztüli átadása. A testek közötti vezetés akkor következik be, amikor közvetlen kapcsolatban vannak, és a molekulák átadják energiájukat az interfészen.
a konvekció a hő átadása folyékony közegbe vagy onnan. A szilárd testtel érintkező gázban vagy folyadékban lévő molekulák továbbítják vagy elnyelik a hőt a testbe vagy onnan, majd elmozdulnak, lehetővé téve más molekulák számára, hogy a helyükre mozogjanak és megismételjék a folyamatot. A hatékonyság javítható a fűteni vagy hűteni kívánt felület növelésével, mint egy radiátornál, valamint a folyadéknak a felületen történő mozgatására kényszerítésével, mint egy ventilátornál.
a sugárzás az elektromágneses (EM) energia, különösen az infravörös fotonok, amelyek hőenergiát hordoznak. Minden anyag em sugárzást bocsát ki és nyel el, amelynek nettó mennyisége határozza meg, hogy ez hőveszteséget vagy hőnövekedést okoz-e.
a Carnot-ciklus
1824-ben Nicolas L. Sadi Carnot javaslatot tett egy hőmotor modelljére, amely a Carnot-ciklus néven vált ismertté. A ciklus kihasználja a gázok nyomása, térfogata és hőmérséklete közötti kapcsolatokat, valamint azt, hogy az energiabevitel hogyan változtathatja meg formáját és hogyan működhet a rendszeren kívül.
a gáz összenyomása növeli annak hőmérsékletét, így melegebbé válik, mint a környezete. A hőt ezután hőcserélő segítségével lehet eltávolítani a forró gázból. Ezután, ha lehetővé teszi, hogy kibővüljön, kihűl. Ez az alapelv a fűtéshez, légkondicionáláshoz és hűtéshez használt hőszivattyúk mögött.
ezzel szemben a gáz melegítése növeli a nyomását, ami tágul. Az expanzív nyomás ezután felhasználható egy dugattyú meghajtására,ezáltal a hőenergiát kinetikus energiává alakítva. Ez az alapelv a hőmotorok mögött.
entrópia
minden termodinamikai rendszer hulladékhőt termel. Ez a hulladék az entrópia növekedését eredményezi, amely egy zárt rendszer esetében “a munkához nem rendelkezésre álló hőenergia mennyiségének mennyiségi mércéje”, az American Heritage Dictionary szerint. Az entrópia minden zárt rendszerben mindig növekszik, soha nem csökken. Továbbá, mozgó alkatrészek előállítására hulladék hő, súrlódás miatt, valamint a sugárzási hő elkerülhetetlenül szivárog a rendszer.
Ez teszi az úgynevezett örökmozgó gépek lehetetlen. Siabal Mitra, egy fizika professzor Missouri Állami Egyetem, megmagyarázza, “nem lehet építeni, egy motor, amely 100 százalékos, ami azt jelenti, hogy nem lehet építeni, egy örökmozgó. Vannak azonban olyan sok ember van, aki még mindig nem hiszem el, pedig vannak emberek, akik még mindig próbál építeni örökmozgó gép.”
az entrópiát úgy is definiálják, mint” a rendellenesség vagy a véletlenszerűség mértékét egy zárt rendszerben”, amely szintén feltartóztathatatlanul növekszik. Keverhet meleg és hideg vizet, de mivel egy nagy csésze meleg víz rendezetlenebb, mint két kisebb csésze, amely meleg és hideg vizet tartalmaz, soha nem választhatja vissza melegre és hidegre anélkül, hogy energiát adna a rendszerhez. Másképp fogalmazva: nem lehet kibontani egy tojást vagy eltávolítani a tejszínt a kávéból. Míg egyes folyamatok teljesen visszafordíthatónak tűnnek, a gyakorlatban valójában egyik sem. Az entrópia tehát az idő nyílát biztosítja számunkra: előre az entrópia növekedésének iránya.
a termodinamika négy törvénye
a termodinamika alapelveit eredetileg három törvény fejezte ki. Később megállapították, hogy egy alapvetőbb törvényt elhanyagoltak, nyilvánvalóan azért, mert annyira nyilvánvalónak tűnt, hogy nem kellett kifejezetten megfogalmazni. A teljes szabályrendszer kialakításához a tudósok úgy döntöttek, hogy ezt a legalapvetőbb törvényt be kell vonni. A probléma azonban az volt, hogy az első három törvényt már kidolgozták, és a hozzájuk rendelt számok alapján jól ismertek voltak. Amikor szembe kell néznie a meglévő törvények újraszámozásának lehetőségével, ami jelentős zavart okozna, vagy a kiemelkedő törvényt a lista végére helyezi, aminek nincs logikus értelme, egy brit fizikus, Ralph H. Fowler, előállt egy alternatívával, amely megoldotta a dilemmát: az új törvényt “nulladik törvénynek” nevezte.”Röviden, ezek a törvények:
a nulladik törvény kimondja, hogy ha két test termikus egyensúlyban van egy harmadik testtel, akkor egymással is egyensúlyban vannak. Ez a hőmérsékletet az anyag alapvető és mérhető tulajdonságaként határozza meg.
az első törvény kimondja, hogy a rendszer energiájának teljes növekedése megegyezik a hőenergia növekedésével, plusz a rendszeren végzett munkával. Ez kimondja, hogy a hő az energia egyik formája, ezért a megőrzés elvének hatálya alá tartozik.
a második törvény kimondja, hogy a hőenergia nem továbbítható alacsonyabb hőmérsékletű testből magasabb hőmérsékletű testbe energia hozzáadása nélkül. Ezért kerül pénzbe a légkondicionáló működtetése.
a harmadik törvény kimondja, hogy a tiszta kristály entrópiája abszolút nulla nulla. Mint fentebb kifejtettük, az entrópiát néha “hulladék energiának” nevezik, vagyis olyan energiának, amely nem képes dolgozni, és mivel abszolút nulla hőenergia egyáltalán nincs, nem lehet hulladék energia. Az entrópia a rendszer zavarának mértéke is, és míg a tökéletes kristály definíció szerint tökéletesen rendezett, a hőmérséklet bármilyen pozitív értéke azt jelenti, hogy a kristályon belül mozgás van, ami rendellenességet okoz. Ezen okok miatt nem létezhet alacsonyabb entrópiával rendelkező fizikai rendszer, ezért az entrópiának mindig pozitív értéke van.
a termodinamika tudományát évszázadok alatt fejlesztették ki, és alapelvei szinte minden feltalált eszközre vonatkoznak. Fontosságát a modern technológiában nem lehet túlbecsülni.
további források
- a tudomány történetének néhány legnagyobb elméje hozzájárult a termodinamika fejlődéséhez. A terület nevezetes úttörőinek listája megtalálható a Waterloo Egyetem honlapján.
- az Energy Education egy interaktív tananyag-kiegészítő a középiskolai Természettudományi hallgatók számára.
- Eric Weisstein Tudományvilága csillagászat, tudományos életrajz, kémia és fizika enciklopédiáit tartalmazza.
Friss hírek