Termodynamika jest gałęzią fizyki, która zajmuje się związkami między ciepłem a innymi formami energii. W szczególności opisuje, w jaki sposób energia cieplna jest przekształcana w inne formy energii i jak wpływa na materię.
energia cieplna to energia, jaką substancja lub system posiada Ze względu na swoją temperaturę, tj. energię poruszających się lub wibrujących cząsteczek, zgodnie ze stroną internetową Energy Education agencji edukacji Teksasu. Termodynamika polega na pomiarze tej energii, co może być „niezwykle skomplikowane”, według Davida McKee, profesora fizyki na Missouri Southern State University. „Systemy, które badamy w termodynamice … składają się z bardzo dużej liczby atomów lub cząsteczek oddziałujących na siebie w skomplikowany sposób. Ale jeśli te systemy spełniają odpowiednie kryteria, które nazywamy równowagą, można je opisać bardzo małą liczbą pomiarów lub liczb. Często jest to idealizowane jako masa układu, ciśnienie układu i objętość układu lub inny równoważny zestaw liczb. Trzy liczby opisują 1026 lub 1030 nominalnych zmiennych niezależnych.”
ciepło
Termodynamika dotyczy więc kilku właściwości materii; przede wszystkim jest to ciepło. Ciepło to energia przenoszona między substancjami lub układami ze względu na różnicę temperatur między nimi, zgodnie z edukacją energetyczną. Jako forma energii ciepło jest zachowywane, tzn. nie może być tworzone ani niszczone. Można go jednak przenieść z jednego miejsca w drugie. Ciepło może być również zamieniane na i z innych form energii. Na przykład turbina parowa może przekształcić ciepło w energię kinetyczną, aby uruchomić generator, który przekształca energię kinetyczną w energię elektryczną. Żarówka może przekształcić tę energię elektryczną w promieniowanie elektromagnetyczne (światło), które po wchłonięciu przez powierzchnię jest przekształcane z powrotem w ciepło.
Temperatura
ilość ciepła przenoszonego przez substancję zależy od prędkości i liczby atomów lub cząsteczek w ruchu, zgodnie z edukacją energetyczną. Im szybciej poruszają się atomy lub cząsteczki, tym wyższa temperatura i im więcej atomów lub cząsteczek jest w ruchu, tym większa jest ilość ciepła, które przenoszą.
temperatura jest „miarą średniej energii kinetycznej cząstek w próbce materii, wyrażonej w jednostkach lub stopniach wyznaczonych w standardowej skali”, zgodnie z American Heritage Dictionary. Najczęściej stosowaną skalą temperatury jest Celsjusz, która opiera się na punktach zamarzania i wrzenia wody, przypisując odpowiednie wartości 0 stopni C i 100 stopni C. Skala Fahrenheita opiera się również na punktach zamarzania i wrzenia wody, którym przypisano odpowiednio wartości 32 F i 212 F.
naukowcy na całym świecie używają jednak skali Kelvina (K bez znaku stopnia), nazwanej na cześć Williama Thomsona, 1. Barona Kelvina, ponieważ działa ona w obliczeniach. Skala ta wykorzystuje ten sam przyrost co skala Celsjusza, tzn. zmiana temperatury o 1 C jest równa 1 K. jednak skala Kelvina zaczyna się od zera bezwzględnego, temperatury, w której występuje całkowity brak energii cieplnej i wszystkie ruchy molekularne zatrzymują się. Temperatura 0 K jest równa minus 459,67 F lub minus 273,15 C.
ciepło właściwe
ilość ciepła wymagana do zwiększenia temperatury pewnej masy substancji o pewną ilość nazywa się ciepłem właściwym lub pojemnością cieplną właściwą, zgodnie z Wolfram Research. Konwencjonalną jednostką dla tego jest kalorie na gram na kelwin. Kalorię definiuje się jako ilość energii cieplnej potrzebnej do podniesienia temperatury 1 grama wody w temperaturze 4 ° C O 1 stopień.
ciepło właściwe metalu zależy prawie całkowicie od liczby atomów w próbce, a nie od jego masy. Na przykład kilogram aluminium może pochłonąć około siedem razy więcej ciepła niż kilogram ołowiu. Jednak Atomy ołowiu mogą absorbować tylko około 8 procent więcej ciepła niż równa liczba atomów glinu. Jednak dana masa wody może wchłonąć prawie pięć razy więcej ciepła niż równa masa aluminium. Ciepło właściwe gazu jest bardziej złożone i zależy od tego, czy jest mierzone przy stałym ciśnieniu, czy przy stałej objętości.
przewodność cieplna
przewodność cieplna (k) to „szybkość, z jaką ciepło przechodzi przez określony materiał, wyrażona jako ilość ciepła, które przepływa na jednostkę czasu przez obszar jednostki o gradiencie temperatury jednego stopnia na jednostkę odległości”, zgodnie ze słownikiem Oksfordzkim. Jednostką dla k jest Wat (W) na metr (m) na kelwin (K). Wartości k dla metali takich jak miedź i srebro są stosunkowo wysokie, odpowiednio 401 i 428 W / m * K. Ta właściwość sprawia, że materiały te są przydatne do grzejników samochodowych i płetw chłodzących do chipów komputerowych, ponieważ mogą one szybko odprowadzać ciepło i wymieniać je z otoczeniem. Najwyższą wartością k dla każdej substancji naturalnej jest diament przy 2200 W/ m * K.
inne materiały są użyteczne, ponieważ są bardzo słabymi przewodnikami ciepła; ta właściwość jest określana jako odporność termiczna lub wartość R, która opisuje szybkość, z jaką ciepło jest przekazywane przez materiał. Materiały te, takie jak wełna mineralna, gęsi puch i styropian, są stosowane do izolacji ścian zewnętrznych budynków, płaszczy zimowych i kubków termicznych. Wartość R jest podawana w jednostkach stóp kwadratowych razy stopnie Fahrenheita razy godziny na brytyjską jednostkę termiczną (ft2* ° F * h/Btu) dla Płyty o grubości 1 cala.
prawo Newtona o chłodzeniu
w 1701 roku Sir Isaac Newton po raz pierwszy przedstawił swoje prawo o chłodzeniu w krótkim artykule zatytułowanym „Scala graduum Caloris” („Skala stopni ciepła”) w Philosophical Transactions of the Royal Society. Twierdzenie Newtona o prawie tłumaczy się z oryginalnej łaciny jako: „nadmiar stopni ciepła … były w postępie geometrycznym, gdy czasy są w postępie arytmetycznym.”Worcester Polytechnic Institute podaje bardziej nowoczesną wersję prawa jako” szybkość zmiany temperatury jest proporcjonalna do różnicy między temperaturą obiektu a temperaturą otoczenia.”
powoduje to wykładniczy spadek różnicy temperatur. Na przykład, jeśli ciepły obiekt zostanie umieszczony w zimnej kąpieli, w określonym czasie różnica w ich temperaturach zmniejszy się o połowę. Następnie w tym samym czasie pozostała różnica ponownie zmniejszy się o połowę. To powtarzające się zmniejszanie o połowę różnicy temperatur będzie kontynuowane w równych odstępach czasu, aż stanie się ona zbyt mała do zmierzenia.
wymiana ciepła
ciepło może być przenoszone z jednego ciała do drugiego lub między ciałem a otoczeniem za pomocą trzech różnych środków: przewodzenia, konwekcji i promieniowania. Przewodzenie to przenoszenie energii przez materiał stały. Przewodzenie między ciałami następuje, gdy są w bezpośrednim kontakcie, a cząsteczki przenoszą swoją energię przez interfejs.
konwekcja to przenoszenie ciepła do lub z medium płynnego. Cząsteczki w gazie lub cieczy w kontakcie z ciałem stałym przenoszą lub absorbują ciepło do lub z tego ciała, a następnie oddalają się, umożliwiając innym cząsteczkom przemieszczanie się na miejsce i powtarzanie procesu. Wydajność można poprawić, zwiększając powierzchnię, która ma być ogrzewana lub chłodzona, jak w przypadku chłodnicy, i zmuszając ciecz do poruszania się po powierzchni, jak w przypadku wentylatora.
promieniowanie jest emisją energii elektromagnetycznej (EM), szczególnie fotonów podczerwonych, które przenoszą energię cieplną. Cała materia emituje i absorbuje część promieniowania elektromagnetycznego, którego wartość netto decyduje o tym, czy powoduje to utratę czy przyrost ciepła.
cykl Carnota
w 1824 roku Nicolas Léonard Sadi Carnot zaproponował model silnika cieplnego oparty na tak zwanym cyklu Carnota. Cykl wykorzystuje zależności między ciśnieniem, objętością i temperaturą gazów oraz sposób wprowadzania energii może zmienić formę i pracować poza systemem.
sprężanie gazu zwiększa jego temperaturę, dzięki czemu staje się gorętszy niż jego otoczenie. Ciepło można następnie usunąć z gorącego gazu za pomocą wymiennika ciepła. Następnie pozwolenie na rozszerzenie powoduje ostygnięcie. Jest to podstawowa zasada działania pomp ciepła stosowanych w ogrzewnictwie, klimatyzacji i chłodnictwie.
odwrotnie, ogrzewanie gazu zwiększa jego ciśnienie, powodując jego rozszerzenie. Ciśnienie ekspansywne może być następnie wykorzystane do napędzania tłoka, przekształcając w ten sposób energię cieplną w energię kinetyczną. Jest to podstawowa zasada stojąca za silnikami cieplnymi.
Entropia
wszystkie układy termodynamiczne wytwarzają ciepło odpadowe. Marnotrawstwo to powoduje wzrost entropii, która dla systemu zamkniętego jest „ilościową miarą ilości energii cieplnej niedostępnej do pracy”, zgodnie z American Heritage Dictionary. Entropia w każdym układzie zamkniętym zawsze wzrasta; nigdy nie maleje. Ponadto ruchome części wytwarzają ciepło odpadowe z powodu tarcia, a ciepło promieniujące nieuchronnie wycieka z systemu.
uniemożliwia to tzw. perpetuum mobile. Siabal Mitra, profesor fizyki na Missouri State University, wyjaśnia: „nie można zbudować silnika, który jest w 100% wydajny, co oznacza, że nie można zbudować maszyny perpetuum mobile. Jednak jest wielu ludzi, którzy nadal w to nie wierzą, i są ludzie, którzy nadal próbują budować perpetuum mobile.”
Entropia jest również definiowana jako” miara zaburzenia lub przypadkowości w układzie zamkniętym”, która również nieubłaganie wzrasta. Można mieszać ciepłą i zimną wodę, ale ponieważ duża filiżanka ciepłej wody jest bardziej nieuporządkowana niż dwie mniejsze filiżanki zawierające ciepłą i zimną wodę, nigdy nie można rozdzielić jej z powrotem na ciepłą i zimną bez dodawania energii do systemu. Innymi słowy, nie możesz rozszyfrować jajka ani usunąć śmietany z Kawy. Podczas gdy niektóre procesy wydają się być całkowicie odwracalne, w praktyce żaden z nich nie jest. Entropia daje nam zatem strzałę czasu: forward to kierunek wzrostu entropii.
cztery prawa termodynamiki
podstawowe zasady termodynamiki zostały pierwotnie wyrażone w trzech prawach. Później ustalono, że bardziej fundamentalne prawo zostało zaniedbane, najwyraźniej dlatego, że wydawało się tak oczywiste, że nie trzeba go wyraźnie stwierdzać. Aby stworzyć kompletny zestaw zasad, naukowcy zdecydowali, że to najbardziej fundamentalne prawo musi zostać włączone. Problem jednak polegał na tym, że pierwsze trzy prawa zostały już ustanowione i były dobrze znane dzięki przypisanym im numerom. W obliczu perspektyw zmiany numeracji istniejących praw, co spowodowałoby znaczne zamieszanie, lub umieszczenia na końcu listy praw wybitnych, co nie miałoby logicznego sensu, brytyjski fizyk Ralph H. Fowler wymyślił alternatywę, która rozwiązała dylemat: nazwał nowe prawo ” prawem zerowym.”Krótko mówiąc, te prawa to:
prawo zera mówi, że jeśli dwa ciała są w równowadze termicznej z jakimś trzecim ciałem,to są one również w równowadze ze sobą. To ustanawia temperaturę jako podstawową i mierzalną własność materii.
pierwsze prawo stanowi, że całkowity wzrost energii systemu jest równy wzrostowi energii cieplnej plus praca wykonana na systemie. Oznacza to, że ciepło jest formą energii i dlatego podlega zasadzie zachowania.
drugie prawo stanowi, że energia cieplna nie może być przenoszona z ciała w niższej temperaturze do ciała w wyższej temperaturze bez dodawania energii. Dlatego uruchomienie klimatyzatora kosztuje.
trzecie prawo mówi, że entropia czystego kryształu w absolutnym zerze wynosi zero. Jak wyjaśniono powyżej, Entropia jest czasami nazywana „energią odpadową”, tj. energią, która nie jest w stanie wykonać pracy, a ponieważ nie ma energii cieplnej w ogóle przy zerowej wartości bezwzględnej, nie może być energii odpadowej. Entropia jest również miarą zaburzenia w układzie, i podczas gdy doskonały kryształ jest z definicji idealnie uporządkowany, każda dodatnia wartość temperatury oznacza, że istnieje ruch wewnątrz kryształu, który powoduje zaburzenia. Z tych powodów nie może istnieć układ fizyczny o niższej entropii, więc Entropia zawsze ma wartość dodatnią.
nauka o termodynamice została opracowana przez wieki, a jej zasady dotyczą prawie każdego urządzenia, jakie kiedykolwiek wynaleziono. Jego znaczenie we współczesnej technologii nie może być przeceniane.
dodatkowe zasoby
- niektóre z największych umysłów w historii nauki przyczyniły się do rozwoju termodynamiki. Lista wybitnych pionierów w tej dziedzinie znajduje się na stronie internetowej Uniwersytetu Waterloo.
- Edukacja energetyczna jest interaktywnym uzupełnieniem programu nauczania dla uczniów szkół ponadgimnazjalnych.
- Świat Nauki Erica Weissteina zawiera encyklopedie astronomii, biografię naukową, chemię i fizykę.
najnowsze wiadomości