Termodynamikk Er grenen av fysikk som omhandler forholdet mellom varme og andre former for energi. Spesielt beskriver den hvordan termisk energi omdannes til og fra andre former for energi og hvordan det påvirker saken.
Termisk energi Er energien et stoff eller system har på grunn av temperaturen, dvs. energien til å flytte eller vibrerende molekyler, ifølge Energy Education nettsiden Til Texas Education Agency. Termodynamikk innebærer å måle denne energien, som kan være «overordentlig komplisert», Ifølge David McKee, professor i fysikk Ved Missouri Southern State University. «Systemene som vi studerer i termodynamikk … består av svært stort antall atomer eller molekyler som interagerer på kompliserte måter. Men hvis disse systemene oppfyller de riktige kriteriene, som vi kaller likevekt, kan de beskrives med et svært lite antall målinger eller tall. Ofte er dette idealisert som massen av systemet, systemets trykk og volumet av systemet, eller et annet tilsvarende sett med tall. Tre tall beskriver 1026 eller 1030 nominelle uavhengige variabler.»
Varme
Termodynamikk er da opptatt av flere egenskaper av materie; fremst blant disse er varme. Varme er energi som overføres mellom stoffer eller systemer på grunn av en temperaturforskjell mellom dem, Ifølge Energy Education. Som en form for energi er varmen bevart, det vil si at den ikke kan opprettes eller ødelegges. Det kan imidlertid overføres fra ett sted til et annet. Varme kan også konverteres til og fra andre former for energi. For eksempel kan en dampturbin konvertere varme til kinetisk energi for å kjøre en generator som konverterer kinetisk energi til elektrisk energi. En lyspære kan konvertere denne elektriske energien til elektromagnetisk stråling (lys), som, når den absorberes av en overflate, omdannes til varme.
Temperatur
mengden varme som overføres av et stoff, avhenger av hastigheten og antall atomer eller molekyler i bevegelse, ifølge Energy Education. Jo raskere atomer eller molekyler beveger seg, jo høyere temperatur, og jo flere atomer eller molekyler som er i bevegelse, jo større mengde varme de overfører.
Temperatur Er «et mål på partikkelens gjennomsnittlige kinetiske energi i en prøve av materie, uttrykt i form av enheter eller grader utpekt på standardskala», ifølge American Heritage Dictionary. Den mest brukte temperaturskalaen Er Celsius, som er basert På frysepunktet og kokepunktet for vann, og tilordner respektive verdier på 0 grader C Og 100 grader C. Fahrenheit-skalaen er også basert på frysepunktet og kokepunktet for vann som har tildelt verdier på henholdsvis 32 F og 212 F.
Forskere over hele verden bruker Imidlertid Kelvin (K uten gradskilt) skala, oppkalt Etter William Thomson, 1. Baron Kelvin, fordi Den fungerer i beregninger. Denne skalaen bruker samme økning Som Celsius-skalaen, dvs. en temperaturendring på 1 C er lik 1 K. Kelvin-skalaen starter imidlertid ved absolutt null, temperaturen der det er totalt fravær av varmeenergi og all molekylær bevegelse stopper. En temperatur på 0 K er lik minus 459,67 F eller minus 273,15 C.
Spesifikk varme
mengden varme som kreves for å øke temperaturen på en bestemt masse av et stoff med en viss mengde kalles spesifikk varme, eller spesifikk varmekapasitet, ifølge Wolfram Research. Den konvensjonelle enheten for dette er kalorier per gram per kelvin. Kalorien er definert som mengden varmeenergi som kreves for å øke temperaturen på 1 gram vann ved 4 C med 1 grad.
den spesifikke varmen til et metall avhenger nesten utelukkende av antall atomer i prøven, ikke dens masse. For eksempel kan et kilo aluminium absorbere omtrent syv ganger mer varme enn et kilo bly. Imidlertid kan blyatomer absorbere bare om lag 8 prosent mer varme enn et like antall aluminiumatomer. En gitt masse vann kan imidlertid absorbere nesten fem ganger så mye varme som en lik masse aluminium. Den spesifikke varmen til en gass er mer kompleks og avhenger av om den måles ved konstant trykk eller konstant volum.
Termisk ledningsevne
Termisk ledningsevne (k) er «hastigheten som varme passerer gjennom et spesifisert materiale, uttrykt som mengden varme som strømmer per tidsenhet gjennom et område med en temperaturgradient på en grad per enhet avstand,» Ifølge Oxford Dictionary. Enheten for k er watt (W) per meter (m) per kelvin (K). Verdier av k for metaller som kobber og sølv er relativt høye ved henholdsvis 401 og 428 W/m·K. Denne egenskapen gjør disse materialene nyttige for bil radiatorer og kjølefinner for databrikker fordi de kan bære bort varme raskt og bytte den med miljøet. Den høyeste verdien av k for ethvert naturlig stoff er diamant på 2200 W·m * K.
Andre materialer er nyttige fordi de er ekstremt dårlige ledere av varme; denne egenskapen er referert til som termisk motstand, Eller R-verdi, som beskriver hastigheten som varme overføres gjennom materialet. Disse materialene, som steinull, gåsedun og Styrofoam, brukes til isolasjon i utvendige bygningsmurer, vinterfrakker og termiske kaffekopper. R-verdi er gitt i enheter av kvadratfot ganger grader Fahrenheit ganger timer Per Britisk termisk enhet (ft2 * °F * h / Btu) for en 1-tommers tykk plate.
Newtons Lov Om Kjøling
I 1701 uttalte Sir Isaac Newton først Sin Lov Om Kjøling i en kort artikkel med tittelen «Scala graduum Caloris» («En Skala av Varmegradene») i Philosophical Transactions Of The Royal Society. Newtons uttalelse av loven oversetter fra det opprinnelige Latin som » overskudd av varmegrader … var i geometrisk progresjon når tidene er i en aritmetisk progresjon. Worcester Polytechnic Institute gir en mer moderne versjon av loven som «hastigheten på temperaturendring er proporsjonal med forskjellen mellom objektets temperatur og omgivelsene.»
dette resulterer i et eksponentielt forfall i temperaturforskjellen. For eksempel, hvis en varm gjenstand plasseres i et kaldt bad, vil forskjellen i temperaturene innen en viss tid reduseres med halvparten. Så på samme tid vil den gjenværende forskjellen igjen reduseres med halvparten. Denne gjentatte halveringen av temperaturforskjellen vil fortsette med like tidsintervaller til den blir for liten til å måle.
Varmeoverføring
Varme kan overføres fra en kropp til en annen eller mellom en kropp og miljøet ved tre forskjellige midler: ledning, konveksjon og stråling. Ledning er overføring av energi gjennom et fast materiale. Ledning mellom legemer oppstår når de er i direkte kontakt, og molekyler overfører sin energi over grensesnittet.
Konveksjon er overføring av varme til eller fra et væskemedium. Molekyler i en gass eller væske i kontakt med et fast legeme overføre eller absorbere varme til eller fra kroppen og deretter bevege seg bort, slik at andre molekyler til å bevege seg på plass og gjenta prosessen. Effektiviteten kan forbedres ved å øke overflaten som skal varmes opp eller avkjøles, som med en radiator, og ved å tvinge væsken til å bevege seg over overflaten, som med en vifte.
Stråling er utslipp av elektromagnetisk (EM) energi, spesielt infrarøde fotoner som bærer varmeenergi. All materie avgir OG absorberer NOE EM-stråling, hvor nettobeløpet avgjør om dette medfører tap eller gevinst i varme.
Carnot-syklusen
I 1824 foreslo Nicolas Lé Sadi Carnot en modell for en varmemotor basert på Det som har blitt kjent som Carnot-syklusen. Syklusen utnytter forholdet mellom trykk, volum og temperatur av gasser og hvordan en tilførsel av energi kan endre form og gjøre arbeid utenfor systemet.
Komprimering av en gass øker temperaturen slik at den blir varmere enn omgivelsene. Varme kan deretter fjernes fra den varme gassen ved hjelp av en varmeveksler. Deretter, slik at det å utvide fører det til å kjøle seg ned. Dette er grunnprinsippet bak varmepumper som brukes til oppvarming, klimaanlegg og kjøling.
Omvendt øker oppvarming av en gass trykket, noe som får den til å ekspandere. Det ekspansive trykket kan da brukes til å drive et stempel, og dermed konvertere varmeenergi til kinetisk energi. Dette er det grunnleggende prinsippet bak varmemotorer.
Entropi
alle termodynamiske systemer genererer spillvarme. Dette avfallet resulterer i en økning i entropi, som for et lukket system er «et kvantitativt mål på mengden termisk energi som ikke er tilgjengelig for å gjøre arbeid», ifølge American Heritage Dictionary. Entropi i et lukket system øker alltid; det reduseres aldri. I tillegg produserer bevegelige deler spillvarme på grunn av friksjon, og strålingsvarme lekker uunngåelig fra systemet.
dette gjør såkalte evigvarende bevegelsesmaskiner umulige. Siabal Mitra, professor i fysikk ved Missouri State University, forklarer: «Du kan ikke bygge en motor som er 100 prosent effektiv, noe som betyr at du ikke kan bygge en evig bevegelsesmaskin. Men det er mange folk der ute som fortsatt ikke tror det, og det er folk som fortsatt prøver å bygge evigvarende bevegelsesmaskiner.»
Entropi er også definert som «et mål på uorden eller tilfeldighet i et lukket system», som også ubønnhørlig øker. Du kan blande varmt og kaldt vann, men fordi en stor kopp varmt vann er mer uordnet enn to mindre kopper som inneholder varmt og kaldt vann, kan du aldri skille det tilbake i varmt og kaldt uten å legge til energi i systemet. Sagt på en annen måte, du kan ikke unscramble et egg eller fjerne krem fra kaffen. Mens noen prosesser ser ut til å være helt reversible, er det i praksis ingen som faktisk er. Entropi gir oss derfor en pil av tid: fremover er retningen for økende entropi.
termodynamikkens fire lover
de grunnleggende prinsippene for termodynamikk ble opprinnelig uttrykt i tre lover. Senere ble det bestemt at en mer grunnleggende lov hadde blitt forsømt, tilsynelatende fordi den hadde virket så åpenbar at den ikke behøvde å bli uttalt eksplisitt. For å danne et komplett sett med regler bestemte forskerne at denne mest grunnleggende loven måtte inkluderes. Problemet var imidlertid at de tre første lovene allerede var etablert og var godt kjent av deres tildelte tall. Når man møtte utsiktene til å omdøpe de eksisterende lovene, som ville forårsake betydelig forvirring, eller plassere den fremtredende loven på slutten av listen, noe som ikke ville gi noen logisk mening, Kom En Britisk fysiker, Ralph H. Fowler, opp med et alternativ som løste dilemmaet: han kalte den nye loven «Zeroth Law.»Kort sagt, disse lovene er:
Zeroth-Loven sier at hvis to legemer er i termisk likevekt med noen tredje kropp, så er de også i likevekt med hverandre. Dette etablerer temperatur som en grunnleggende og målbar egenskap av materie.
Den Første Loven sier at den totale økningen i energien til et system er lik økningen i termisk energi pluss arbeidet på systemet. Dette sier at varme er en form for energi og er derfor underlagt prinsippet om bevaring.
Den Andre Loven sier at varmeenergi ikke kan overføres fra en kropp ved lavere temperatur til en kropp ved høyere temperatur uten tilsetning av energi. Dette er grunnen til at det koster penger å kjøre et klimaanlegg.
Den Tredje Loven sier at entropien til en ren krystall ved absolutt null er null. Som forklart ovenfor kalles entropi noen ganger «avfallsenergi», dvs. energi som ikke klarer å gjøre arbeid, og siden det ikke er noen varmeenergi overhodet ved absolutt null, kan det ikke være avfallsenergi. Entropi er også et mål på uorden i et system, og mens en perfekt krystall per definisjon er perfekt bestilt, betyr enhver positiv verdi av temperatur at det er bevegelse i krystallet, noe som forårsaker lidelse. Av disse grunner kan det ikke være noe fysisk system med lavere entropi, så entropi har alltid en positiv verdi.
vitenskapen om termodynamikk har blitt utviklet gjennom århundrer, og dens prinsipper gjelder for nesten alle enheter noensinne oppfunnet. Dens betydning i moderne teknologi kan ikke overvurderes.
Tilleggsressurser
- Noen av de største sinnene i vitenskapens historie har bidratt til utviklingen av termodynamikk. En liste over kjente pionerer i feltet kan bli funnet På University Of Waterloo hjemmeside.
- Energiutdanning Er et interaktivt læreplantilskudd for videregående vitenskapsstudenter.
- Eric Weisstein ‘ S World Of Science inneholder leksika av astronomi, vitenskapelig biografi, kjemi og fysikk.
Siste nytt