thermodynamica is de tak van de fysica die zich bezighoudt met de relaties tussen warmte en andere vormen van energie. In het bijzonder beschrijft het hoe thermische energie wordt omgezet naar en van andere vormen van energie en hoe het materie beïnvloedt.
thermische energie is de energie die een stof of systeem heeft als gevolg van zijn temperatuur, d.w.z. de energie van bewegende of trillende moleculen, volgens de Energy Education website van het Texas Education Agency. Thermodynamica omvat het meten van deze energie, die “buitengewoon ingewikkeld” kan zijn, volgens David McKee, een professor in de natuurkunde aan de Missouri Southern State University. “De systemen die we bestuderen in de thermodynamica … bestaan uit zeer grote aantallen atomen of moleculen die op ingewikkelde manieren met elkaar in wisselwerking staan. Maar als deze systemen voldoen aan de juiste criteria, die we evenwicht noemen, kunnen ze worden beschreven met een zeer klein aantal metingen of getallen. Vaak wordt dit geïdealiseerd als de massa van het systeem, de druk van het systeem, en het volume van het systeem, of een andere gelijkwaardige reeks getallen. Drie getallen beschrijven 1026 of 1030 nominale onafhankelijke variabelen.”
warmte
de thermodynamica houdt zich dus bezig met verschillende eigenschappen van materie. Warmte is energie die wordt overgedragen tussen stoffen of systemen als gevolg van een temperatuurverschil tussen hen, volgens energie-educatie. Als vorm van energie wordt warmte behouden, dat wil zeggen, het kan niet worden gecreëerd of vernietigd. Het kan echter van de ene plaats naar de andere worden overgebracht. Warmte kan ook worden omgezet naar en van andere vormen van energie. Een stoomturbine kan bijvoorbeeld warmte omzetten in kinetische energie om een generator te laten draaien die kinetische energie omzet in elektrische energie. Een gloeilamp kan deze elektrische energie omzetten in elektromagnetische straling (licht), die, wanneer geabsorbeerd door een oppervlak, wordt omgezet in warmte.
temperatuur
de hoeveelheid warmte die door een stof wordt overgedragen, is afhankelijk van de snelheid en het aantal bewegende atomen of moleculen, afhankelijk van de energie-educatie. Hoe sneller de atomen of moleculen bewegen, hoe hoger de temperatuur, en hoe meer atomen of moleculen die in beweging zijn, hoe groter de hoeveelheid warmte die ze overdragen.
temperatuur is “een maat voor de gemiddelde kinetische energie van de deeltjes in een materiaalmonster, uitgedrukt in eenheden of graden op een standaardschaal”, volgens het American Heritage Dictionary. De meest gebruikte temperatuurschaal is Celsius, die is gebaseerd op het vriespunt en kookpunt van water, waarbij respectieve waarden van 0 graden C en 100 graden C worden toegewezen. De Fahrenheit-schaal is ook gebaseerd op het vriespunt en het kookpunt van water met waarden van respectievelijk 32 F en 212 F.
wetenschappers wereldwijd gebruiken echter de schaal Kelvin (K zonder graadteken), vernoemd naar William Thomson, 1st Baron Kelvin, omdat het werkt in berekeningen. Deze schaal gebruikt dezelfde increment als de Celsius schaal, dat wil zeggen, een temperatuurverandering van 1 C is gelijk aan 1 K. echter, de Kelvin schaal begint bij het absolute nulpunt, de temperatuur waarbij er een totale afwezigheid van warmte-energie en alle moleculaire beweging stopt. Een temperatuur van 0 K is gelijk aan min 459,67 F of min 273,15 C.
soortelijke warmte
de hoeveelheid warmte die nodig is om de temperatuur van een bepaalde massa van een stof met een bepaalde hoeveelheid te verhogen, wordt volgens Wolfram-onderzoek soortelijke warmte of soortelijke warmtecapaciteit genoemd. De conventionele eenheid hiervoor is calorieën per gram per kelvin. De calorie wordt gedefinieerd als de hoeveelheid warmte-energie die nodig is om de temperatuur van 1 gram water bij 4 C met 1 graad te verhogen.
de soortelijke warmte van een metaal hangt bijna volledig af van het aantal atomen in het monster, niet van de massa. Zo kan een kilogram aluminium ongeveer zeven keer meer warmte absorberen dan een kilogram lood. Loodatomen kunnen echter slechts ongeveer 8 procent meer warmte absorberen dan een gelijk aantal aluminiumatomen. Een gegeven massa water kan echter bijna vijf keer zoveel warmte absorberen als een gelijke massa aluminium. De specifieke warmte van een gas is complexer en hangt af van of het wordt gemeten bij constante druk of constant volume.
thermische geleidbaarheid
thermische geleidbaarheid (k) is “de snelheid waarmee warmte door een bepaald materiaal gaat, uitgedrukt als de hoeveelheid warmte die per tijdseenheid door een oppervlakte-eenheid met een temperatuurgradiënt van één graad per afstand-eenheid stroomt”, volgens het Oxford Dictionary. De eenheid voor k is Watt (W) per meter (m) per kelvin (K). De waarden van k voor metalen zoals koper en zilver zijn relatief hoog bij respectievelijk 401 en 428 W/m·K. Deze eigenschap maakt deze materialen nuttig voor auto radiatoren en koelvinnen voor computerchips omdat ze warmte snel kunnen wegdragen en uitwisselen met het milieu. De hoogste waarde van K voor een natuurlijke stof is diamant bij 2.200 W / m·K.
andere materialen zijn nuttig omdat zij zeer slechte warmtegeleiders zijn; deze eigenschap wordt thermische weerstand genoemd, of R-waarde, die de snelheid beschrijft waarmee warmte door het materiaal wordt overgebracht. Deze materialen, zoals steenwol, ganzendons en piepschuim, worden gebruikt voor isolatie in buitenmuren van gebouwen, winterjassen en thermische koffiemokken. R-waarde wordt gegeven in eenheden van vierkante voet maal graden Fahrenheit maal uren per Britse thermische eenheid (ft2 * °F * h / Btu) voor een plaat van 1 inch dik.Newton ‘ s Wet van koeling
in 1701 verklaarde Isaac Newton zijn Wet van koeling voor het eerst in een kort artikel getiteld “Scala graduum Caloris” (“een schaal van de graden van warmte”) in the Philosophical Transactions of the Royal Society. Newton ‘ s uitspraak van de wet vertaalt zich uit het oorspronkelijke Latijn als: “de overmaat van de graden van de hitte … waren in geometrische progressie wanneer de tijden zijn in een rekenkundige progressie.”Worcester Polytechnic Institute geeft een meer moderne versie van de wet als “de snelheid van verandering van temperatuur is evenredig met het verschil tussen de temperatuur van het object en die van de omgeving.”
dit resulteert in een exponentieel verval van het temperatuurverschil. Bijvoorbeeld, als een warm object wordt geplaatst in een koud bad, binnen een bepaalde lengte van de tijd, zal het verschil in hun temperaturen afnemen met de helft. Dan zal in diezelfde tijd het resterende verschil weer met de helft afnemen. Deze herhaalde halvering van het temperatuurverschil zal met gelijke tijdsintervallen doorgaan totdat het te klein wordt om te meten.
warmteoverdracht
warmte kan van het ene lichaam naar het andere Of tussen een lichaam en de omgeving worden overgebracht op drie verschillende manieren: geleiding, convectie en straling. Geleiding is de overdracht van energie door een vast materiaal. De geleiding tussen lichamen komt voor wanneer zij in direct contact zijn, en de molecules brengen hun energie over de interface over.
convectie is het overbrengen van warmte naar of van een vloeibaar medium. Moleculen in een gas of vloeistof in contact met een vast lichaam zenden of absorberen warmte naar of van dat lichaam en bewegen dan weg, waardoor andere moleculen op hun plaats te bewegen en het proces te herhalen. De efficiëntie kan worden verbeterd door het te verwarmen of te koelen oppervlak te vergroten, zoals bij een radiator, en door de vloeistof te dwingen over het oppervlak te bewegen, zoals bij een ventilator.
straling is de emissie van elektromagnetische (EM) energie, met name infrarode fotonen die warmte-energie dragen. Alle materie zendt en absorbeert wat EM-straling, waarvan de nettohoeveelheid bepaalt of dit warmteverlies of warmtewinst veroorzaakt.
de Carnot-cyclus
in 1824 stelde Nicolas Léonard Sadi Carnot een model voor voor een warmtemotor gebaseerd op de zogenaamde Carnot-cyclus. De cyclus maakt gebruik van de relaties tussen Druk, volume en temperatuur van gassen en hoe een input van energie van vorm kan veranderen en buiten het systeem kan werken.
het samenpersen van een gas verhoogt de temperatuur, zodat het warmer wordt dan zijn omgeving. Warmte kan dan uit het hete gas worden verwijderd met behulp van een warmtewisselaar. Dan, waardoor het uit te breiden zorgt ervoor dat het afkoelen. Dit is het basisprincipe van warmtepompen voor verwarming, airconditioning en koeling.
omgekeerd verhoogt het verwarmen van een gas de druk, waardoor het uitzet. De expansieve druk kan dan worden gebruikt om een zuiger aan te drijven, waardoor warmte-energie wordt omgezet in kinetische energie. Dit is het basisprincipe achter warmtemotoren.
entropie
alle thermodynamische systemen genereren afvalwarmte. Dit afval resulteert in een toename van entropie, wat voor een gesloten systeem “een kwantitatieve maat is voor de hoeveelheid thermische energie die niet beschikbaar is om werk te doen”, aldus het American Heritage Dictionary. Entropie in een gesloten systeem neemt altijd toe; het neemt nooit af. Bovendien produceren bewegende delen afvalwarmte door wrijving en lekt er onvermijdelijk stralingswarmte uit het systeem.
dit maakt zogenaamde Perpetuum motion machines onmogelijk. Siabal Mitra, hoogleraar natuurkunde aan de Missouri State University, legt uit: “je kunt geen Motor bouwen die 100 procent efficiënt is, wat betekent dat je geen Perpetuum motion machine kunt bouwen. Echter, er zijn een heleboel mensen die er zijn die nog steeds niet geloven, en er zijn mensen die nog steeds proberen om Perpetuum motion machines te bouwen.”
entropie wordt ook gedefinieerd als” een maat voor de aandoening of willekeur in een gesloten systeem”, die ook onverbiddelijk toeneemt. Je kunt warm en koud water mengen, maar omdat een grote kop warm water meer wanordelijk is dan twee kleinere kopjes met warm en koud water, kun je het nooit weer scheiden in warm en koud zonder energie toe te voegen aan het systeem. Anders gezegd, Je kunt geen ei decoderen of room uit je koffie halen. Hoewel sommige processen volledig omkeerbaar lijken, zijn ze in de praktijk niet echt omkeerbaar. Entropie geeft ons daarom een pijl van tijd: voorwaarts is de richting van toenemende entropie.
de vier wetten van de thermodynamica
de fundamentele principes van de thermodynamica werden oorspronkelijk uitgedrukt in drie wetten. Later werd vastgesteld dat een meer fundamentele wet verwaarloosd was, blijkbaar omdat ze zo voor de hand liggend leek dat ze niet expliciet hoefde te worden vermeld. Om een complete set regels te vormen, besloten wetenschappers dat deze meest fundamentele wet moest worden opgenomen. Het probleem was echter dat de eerste drie wetten al waren vastgesteld en bekend waren door hun toegewezen nummers. Toen hij geconfronteerd werd met het vooruitzicht van een nieuwe nummering van de bestaande wetten, wat tot grote verwarring zou leiden, of het plaatsen van de vooraanstaande wet aan het einde van de lijst, wat geen logische zin zou hebben, kwam een Britse natuurkundige, Ralph H. Fowler, met een alternatief dat het dilemma oploste: hij noemde de nieuwe wet de “Nulth Law”.”In het kort zijn deze wetten:
de nulde wet stelt dat als twee lichamen in thermisch evenwicht zijn met een derde lichaam, ze ook in evenwicht zijn met elkaar. Dit stelt temperatuur vast als een fundamentele en meetbare eigenschap van materie.
de eerste wet bepaalt dat de totale toename van de energie van een systeem gelijk is aan de toename van de thermische energie plus het werk aan het systeem. Daarin staat dat warmte een vorm van energie is en dus onderworpen is aan het principe van behoud.
de tweede wet bepaalt dat warmte-energie niet kan worden overgedragen van een lichaam bij een lagere temperatuur naar een lichaam bij een hogere temperatuur zonder de toevoeging van energie. Daarom kost het geld om een airconditioner te laten draaien.
de derde wet stelt dat de entropie van een zuiver kristal bij absolute nul nul is. Zoals hierboven uitgelegd, wordt entropie soms “afvalenergie” genoemd, d.w.z. energie die niet in staat is om werk te doen, en aangezien er geen warmte-energie is op het absolute nulpunt, kan er geen afvalenergie zijn. Entropie is ook een maat voor de aandoening in een systeem, en terwijl een perfect kristal per definitie perfect geordend is, betekent elke positieve waarde van temperatuur dat er beweging in het kristal is, wat wanorde veroorzaakt. Om deze redenen kan er geen fysiek systeem zijn met een lagere entropie, dus heeft entropie altijd een positieve waarde.
de wetenschap van de thermodynamica is door de eeuwen heen ontwikkeld en de principes ervan zijn van toepassing op bijna elk apparaat dat ooit is uitgevonden. Het belang ervan in de moderne technologie kan niet worden overschat.
extra middelen
- enkele van de grootste wetenschappers uit de geschiedenis van de wetenschap hebben bijgedragen tot de ontwikkeling van de thermodynamica. Een lijst van bekende pioniers op dit gebied is te vinden op de website van de Universiteit van Waterloo.
- Energieonderwijs is een interactief curriculumsupplement voor wetenschapsstudenten op de middelbare school.Eric Weisstein ‘ s World of Science bevat encyclopedieën over astronomie, wetenschappelijke biografie, scheikunde en natuurkunde.
Recent nieuws