열역학은 열과 다른 형태의 에너지 사이의 관계를 다루는 물리학의 한 분야이다. 특히,그것은 열 에너지가 다른 형태의 에너지로 변환되는 방법과 그것이 물질에 미치는 영향을 설명합니다.
열 에너지는 텍사스 교육청의 에너지 교육 웹 사이트에 따르면 물질 또는 시스템이 온도,즉 이동 또는 진동 분자의 에너지로 인해 갖는 에너지입니다. 열역학은 데이비드 맥키,미주리 남부 주립 대학의 물리학 교수에 따르면,”대단히 복잡”할 수있는이 에너지를 측정하는 것을 포함한다. “우리가 열역학에서 연구하는 시스템은 복잡한 방식으로 상호 작용하는 매우 많은 수의 원자 또는 분자로 구성됩니다. 그러나 이러한 시스템이 우리가 평형이라고 부르는 올바른 기준을 충족 시키면 매우 적은 수의 측정 또는 숫자로 설명 할 수 있습니다. 종종 이것은 시스템의 질량,시스템의 압력 및 시스템의 부피 또는 다른 동등한 숫자 집합으로 이상화됩니다. 세 개의 숫자는 1026 또는 1030 명목 독립 변수를 설명합니다.”
열
열역학은 물질의 여러 특성에 관한 것이다. 열은 에너지 교육에 따라 물질 사이의 온도 차이로 인해 물질 또는 시스템간에 전달되는 에너지입니다. 에너지의 한 형태로서 열은 보존되며,즉 생성되거나 파괴 될 수 없습니다. 그러나 한 곳에서 다른 곳으로 옮길 수 있습니다. 열은 또한 다른 형태의 에너지로 변환 될 수 있습니다. 예를 들어,증기 터빈은 열을 운동 에너지로 변환하여 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 발전기를 작동시킬 수 있습니다. 전구는이 전기 에너지를 표면에 흡수되면 다시 열로 변환되는 전자기 복사(빛)로 변환 할 수 있습니다.
온도
물질에 의해 전달되는 열의 양은 에너지 교육에 따라 움직이는 원자 또는 분자의 속도와 수에 따라 달라집니다. 원자 또는 분자가 더 빨리 이동할수록 온도가 높아지고 더 많은 원자 또는 분자가 움직이면 전달되는 열의 양이 커집니다.
온도는 미국 유산 사전에 따르면”표준 척도로 지정된 단위 또는 학위로 표현 된 물질 샘플에서 입자의 평균 운동 에너지의 척도”입니다. 가장 일반적으로 사용되는 온도 눈금은 물 동결 및 끓는점을 기반으로 섭씨 0 도 및 섭씨 100 도의 각 값을 지정하는 섭씨입니다. 화씨 눈금 또한 물 32 에프 및 212 에프,각각 값을 할당 하는 동결 및 끓는점에 기반 합니다.
그러나 전 세계 과학자들은 계산에서 작동하기 때문에 켈빈(켈빈 1 남작 인 윌리엄 톰슨의 이름을 딴 켈빈)척도를 사용합니다. 그러나 켈빈 스케일은 절대 영도에서 시작하여 열에너지가 전혀 없고 모든 분자 운동이 멈추는 온도입니다.
비열
볼프람 연구에 따르면 물질의 특정 질량의 온도를 일정량 증가시키는 데 필요한 열의 양을 비열 또는 비열 용량이라고합니다. 이것에 대한 기존의 단위는 켈빈 당 그램 당 칼로리입니다. 열량은 1 도에 의하여 물 4 의 1 그램의 온도를 올리기 위하여 요구된 열 에너지 양으로 정의된다.
금속의 비열은 거의 전적으로 질량이 아니라 샘플의 원자 수에 달려 있습니다. 예를 들어,알루미늄 1 킬로그램은 납 1 킬로그램보다 약 7 배 더 많은 열을 흡수 할 수 있습니다. 그러나 납 원자는 동일한 수의 알루미늄 원자보다 약 8%더 많은 열을 흡수 할 수 있습니다. 물 주어진 질량은,그러나,알루미늄의 동일한 질량으로 거의 5 배 많은 열을 흡수 할 수있다. 가스의 비열은 더 복잡하며 일정한 압력 또는 일정한 부피로 측정되는지 여부에 따라 다릅니다.
열전도도
열전도도(케이)는 옥스포드 사전에 따르면”단위 거리 당 1 도의 온도 구배를 가진 단위 면적을 통해 단위 시간당 흐르는 열의 양으로 표현되는 열이 지정된 재료를 통과하는 속도”입니다. 단위 케이 이다 와트(와트)미터 당(미디엄)켈빈 당(케이). 구리 및은과 같은 금속의 케이 값은 각각 401 및 428 중량/중량·케이에서 상대적으로 높습니다. 이 속성은 열을 신속하게 운반하고 환경과 교환 할 수 있기 때문에 컴퓨터 칩용 자동차 라디에이터 및 냉각 핀에 유용합니다. 다른 물질들은 매우 열 전도체가 좋지 않기 때문에 유용하다;이 속성은 열 저항,또는 재료를 통해 열이 전달되는 속도를 설명하는 아르 자형-값이라고합니다. 암면,거위 아래 및 스티로폼과 같은 이러한 재료는 외부 건물 벽,겨울 코트 및 열 커피 머그잔의 단열에 사용됩니다. 1 인치 두께의 슬래브의 경우 영국 열 단위당 화씨 시간 단위(1 인치 두께의 슬래브 당 화씨 시간 단위)로 제공됩니다.
뉴턴의 냉각 법칙
1701 년 아이작 뉴턴은 왕립 학회의 철학적 거래에서”스칼라 그라두움 칼로리스”(“열 정도의 척도”)라는 짧은 기사에서 냉각 법칙을 처음으로 언급했습니다. 뉴턴의 법칙에 대한 진술은 원래 라틴어에서”열의 초과 정도”로 번역됩니다… 기하학적 진행에 때 시간은 산술 진행에 있었다. 온도 변화의 속도는 물체의 온도와 주변 환경의 차이에 비례한다”우스터 폴리 테크닉 연구소는 법의 현대적인 버전을 제공합니다.””
이것은 온도 차이에 있는 지수 감퇴 귀착됩니다. 예를 들어,따뜻한 물체가 차가운 욕조에 놓여지면 특정 시간 내에 온도의 차이가 절반으로 줄어 듭니다. 그런 다음 같은 시간에 나머지 차이는 다시 절반으로 줄어 듭니다. 이 온도 차이의 반복 된 반감기는 측정하기에는 너무 작아 질 때까지 동일한 시간 간격으로 계속됩니다.
열전달
열은 전도,대류 및 복사의 세 가지 다른 방법으로 한 몸체에서 다른 몸체로 또는 몸과 환경 사이에서 전달 될 수 있습니다. 전도는 고체 물질을 통해 에너지를 전달하는 것입니다. 몸 사이의 전도는 그들이 직접 접촉 할 때 발생하며 분자는 인터페이스를 통해 에너지를 전달합니다.
대류는 유체 매체로의 열 전달이다. 고체 몸체와 접촉하는 기체 또는 액체의 분자는 그 몸체로 또는 그 몸체로부터 열을 전달하거나 흡수 한 다음 멀리 이동하여 다른 분자가 제자리로 이동하여 과정을 반복 할 수 있습니다. 라디에이터와 같이 가열 또는 냉각 될 표면적을 증가시키고 팬과 같이 유체가 표면 위로 이동하도록 강요함으로써 효율을 향상시킬 수 있습니다.
방사선은 전자기 에너지,특히 열 에너지를 전달하는 적외선 광자의 방출입니다. 모든 물질 방출 하 고 일부 엠 방사선을 흡수,순 금액이이 손실 또는 열에 이득 발생 여부를 결정 합니다.
카르노 사이클
1824 년 니콜라스 엘 코나르 사디 카르노 는 카르노 사이클로 알려진 것을 기반으로 열 엔진 모델을 제안했습니다. 이 사이클은 가스의 압력,부피 및 온도 간의 관계와 에너지 입력이 어떻게 형태를 변화시키고 시스템 외부에서 작동 할 수 있는지를 이용합니다.
가스를 압축하면 온도가 상승하여 환경보다 더 뜨거워집니다. 그런 다음 열 교환기를 사용하여 뜨거운 가스에서 열을 제거 할 수 있습니다. 그런 다음 확장 할 수 있도록하면 냉각됩니다. 이것은 난방,공기조화 및 냉각에 사용된 열 펌프의 뒤에 근본 원리입니다.
반대로 가스를 가열하면 압력이 증가하여 팽창합니다. 그런 다음 팽창성 압력을 사용하여 피스톤을 구동하여 열 에너지를 운동 에너지로 변환 할 수 있습니다. 이 열 엔진 뒤에 기본 원리입니다.
엔트로피
모든 열역학 시스템은 폐열을 발생시킵니다. 이 폐기물은 미국 유산 사전에 따르면 폐쇄 된 시스템의 경우”작업을 수행 할 수없는 열 에너지의 양을 정량적으로 측정 한 것”인 엔트로피의 증가를 초래합니다. 모든 폐쇄 시스템의 엔트로피는 항상 증가하며 결코 감소하지 않습니다. 또한 움직이는 부품은 마찰로 인한 폐열을 생성하며 복사 열은 필연적으로 시스템에서 누출됩니다.
이것은 소위 영구 운동 기계를 불가능하게 만든다. 미주리 주립대학의 물리학자인 시아발 미트라는 이렇게 말합니다.”100%효율적인 엔진을 만들 수 없습니다. 그러나,아직도 그것을 믿지 않는 거기 밖으로 많은 사람들이 있고,아직도 영구 운동 기계를 건설하는 것을 시도하고 있는 사람들이 있다.”
엔트로피는 또한”폐쇄 시스템의 장애 또는 임의성의 척도”로 정의되며,이는 또한 가차없이 증가합니다. 따뜻한 물과 차가운 물 혼합 수 있습니다 하지만 따뜻한 물 큰 컵 더 뜨거운 물 및 차가운 물을 포함 하는 두 개의 작은 컵 보다 더 무질서 하기 때문에 시스템에 에너지를 추가 하지 않고 다시 뜨거운 것과 차가운 그것을 분리할 수 없다. 다른 방법을 넣어,당신은 계란을 해독하거나 커피에서 크림을 제거 할 수 없습니다. 몇몇 과정이 완전하게 뒤집을 수 있는 것처럼 보이는 동안,실제로,아무도는 실제로 이지 않는다. 따라서 엔트로피는 우리에게 시간의 화살을 제공합니다: 앞으로 는 엔트로피를 증가시키는 방향입니다.
열역학 4 법칙
열역학 기본 원리는 원래 세 가지 법칙으로 표현되었다. 나중에,더 근본적인 법칙이 무시되었다는 것이 결정되었는데,분명히 그것이 명백하게 진술 될 필요가 없다는 것이 명백해 보였기 때문이다. 완전한 규칙을 형성하기 위해 과학자들은 이 가장 기본적인 법칙을 포함시킬 필요가 있다고 결정했다. 그러나 문제는 처음 세 가지 법칙이 이미 확립되어 할당 된 번호로 잘 알려져 있다는 것입니다. 상당한 혼란을 야기할 기존 법칙의 번호를 다시 매길 전망에 직면했을 때,또는 논리적인 의미가 없는 명단의 끝에 선두적인 법칙을 두었을 때,영국의 물리학자 랄프 파울러는 딜레마를 해결하는 대안을 내놓았다:그는 새로운 법칙을”0 의 법칙”이라고 불렀다.”간단히 말해서,이 법칙은 다음과 같습니다:
제 0 법칙은 두 물체가 어떤 세 번째 물체와 열 평형 상태에 있다면,그들은 또한 서로 평형 상태에 있다고 말합니다. 이것은 물질의 기본적이고 측정 가능한 속성으로 온도를 설정합니다.
제 1 법칙은 시스템의 전체 에너지 증가는 열 에너지의 증가와 시스템에서 수행 된 작업과 동일하다고 말합니다. 이 상태 열 에너지의 형태 이며 따라서 보존의 원칙에 따라 달라 집니다.
제 2 법칙은 열에너지가 에너지를 첨가하지 않고서는 더 낮은 온도의 몸체로부터 더 높은 온도의 몸체로 전달될 수 없다는 것이다. 이 때문에 에어컨을 실행 하는 돈을 비용.
제 3 법칙은 절대 0 에서 순수한 결정의 엔트로피가 0 이라고 말합니다. 위에서 설명한 바와 같이,엔트로피는 때때로”폐기물 에너지”,즉 일을 할 수없는 에너지라고 불리며,절대 0 에서 열 에너지가 전혀 없기 때문에 폐기물 에너지가 없을 수 있습니다. 엔트로피는 또한 시스템의 무질서의 척도이며,완벽한 결정은 정의상 완벽하게 정렬되어 있지만,온도의 양의 값은 결정 내에 움직임이 있음을 의미하며,이는 장애를 유발합니다. 이러한 이유로 엔트로피가 낮은 물리적 시스템이 없을 수 있으므로 엔트로피는 항상 양의 값을 갖습니다.
열역학 과학은 수세기에 걸쳐 발전해 왔으며,그 원리는 지금까지 발명된 거의 모든 장치에 적용된다. 현대 기술에서의 중요성은 과장 될 수 없습니다.
추가 자료
- 과학 역사상 가장 위대한 정신 중 일부는 열역학 발전에 기여했습니다. 이 분야의 주목할만한 개척자 목록은 워털루 대학 웹 사이트에서 찾을 수 있습니다.
- 에너지 교육은 중등 학교 과학 학생들을위한 대화 형 커리큘럼 보충 교재입니다.
- 에릭 와이스 타인의 과학 세계에는 천문학,과학 전기,화학 및 물리학의 백과 사전이 포함되어 있습니다.
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