termodynamik är den gren av fysiken som behandlar förhållandena mellan värme och andra former av energi. I synnerhet beskriver den hur termisk energi omvandlas till och från andra former av energi och hur den påverkar Materia.
termisk energi är den energi ett ämne eller system har på grund av dess temperatur, dvs energin i rörliga eller vibrerande molekyler, enligt Energy Education-webbplatsen för Texas Education Agency. Termodynamik innebär att mäta denna energi, som kan vara” mycket komplicerad”, enligt David McKee, professor i fysik vid Missouri Southern State University. ”De system som vi studerar i termodynamik … består av mycket stort antal atomer eller molekyler som interagerar på komplicerade sätt. Men om dessa system uppfyller rätt kriterier, som vi kallar jämvikt, kan de beskrivas med ett mycket litet antal mätningar eller siffror. Ofta idealiseras detta som systemets massa, systemets tryck och systemets volym eller någon annan ekvivalent uppsättning tal. Tre siffror beskriver 1026 eller 1030 nominella oberoende variabler.”
värme
termodynamik handlar då om flera egenskaper hos materia; främst bland dessa är värme. Värme är energi som överförs mellan ämnen eller system på grund av en temperaturskillnad mellan dem, enligt energiutbildning. Som en form av energi bevaras värme, dvs den kan inte skapas eller förstöras. Det kan dock överföras från en plats till en annan. Värme kan också omvandlas till och från andra former av energi. Till exempel kan en ångturbin omvandla värme till kinetisk energi för att driva en generator som omvandlar kinetisk energi till elektrisk energi. En glödlampa kan omvandla denna elektriska energi till elektromagnetisk strålning (ljus), som, när den absorberas av en yta, omvandlas tillbaka till värme.
temperatur
mängden värme som överförs av ett ämne beror på hastigheten och antalet atomer eller molekyler i rörelse, enligt energiutbildning. Ju snabbare atomerna eller molekylerna rör sig, desto högre temperatur och ju fler atomer eller molekyler som är i rörelse, desto större mängd värme överför de.
temperatur är ”ett mått på den genomsnittliga kinetiska energin hos partiklarna i ett prov av materia, uttryckt i termer av enheter eller grader betecknade på en standardskala”, enligt American Heritage Dictionary. Den vanligaste temperaturskalan är Celsius, som är baserad på frysnings-och kokpunkterna för vatten och tilldelar respektive värden på 0 grader C och 100 grader C. Fahrenheit-skalan baseras också på frysnings-och kokpunkterna för vatten som har tilldelat värden på 32 F respektive 212 F.
forskare över hela världen använder dock Kelvin (K utan gradskylt) skala, uppkallad efter William Thomson, 1: A Baron Kelvin, eftersom det fungerar i beräkningar. Denna skala använder samma steg som Celsius-skalan, dvs en temperaturförändring på 1 C är lika med 1 K. Kelvin-skalan börjar emellertid vid absolut noll, temperaturen vid vilken det finns en total frånvaro av värmeenergi och all molekylär rörelse stannar. En temperatur på 0 K är lika med minus 459,67 F eller minus 273,15 C.
specifik värme
mängden värme som krävs för att öka temperaturen för en viss massa av ett ämne med en viss mängd kallas specifik värme eller specifik värmekapacitet, enligt Wolfram Research. Den konventionella enheten för detta är kalorier per gram per kelvin. Kalori definieras som den mängd värmeenergi som krävs för att höja temperaturen på 1 gram vatten vid 4 C med 1 grad.
den specifika värmen hos en metall beror nästan helt på antalet atomer i provet, inte dess massa. Till exempel kan ett kilo aluminium absorbera cirka sju gånger mer värme än ett kilo bly. Blyatomer kan emellertid bara absorbera cirka 8 procent mer värme än lika många aluminiumatomer. En given vattenmassa kan emellertid absorbera nästan fem gånger så mycket värme som en lika stor aluminiummassa. Den specifika värmen hos en gas är mer komplex och beror på om den mäts vid konstant tryck eller konstant volym.
värmeledningsförmåga
värmeledningsförmåga (k) är ”den hastighet med vilken värme passerar genom ett specificerat material, uttryckt som mängden värme som strömmar per tidsenhet genom en enhetsarea med en temperaturgradient på en grad per enhet avstånd”, enligt Oxford Dictionary. Enheten för k är Watt (W) per meter (m) per kelvin (K). Värden på k för metaller som koppar och silver är relativt höga vid 401 respektive 428 W/M·K. Den här egenskapen gör dessa material användbara för bilradiatorer och kylflänsar för datorchips eftersom de snabbt kan bära bort värmen och byta ut den med miljön. Det högsta värdet av k för något naturligt ämne är diamant vid 2200 W/M·K.
andra material är användbara eftersom de är extremt dåliga värmeledare; denna egenskap kallas värmebeständighet, eller R-värde, som beskriver den hastighet med vilken värme överförs genom materialet. Dessa material, såsom stenull, gåsdun och Styrofoam, används för isolering i yttre byggnadsväggar, vinterrockar och termiska kaffemuggar. R-värde ges i enheter av kvadratfot gånger grader Fahrenheit gånger timmar per Brittisk termisk enhet (ft2·kcal F * h/Btu) för en 1-tums tjock platta.
Newtons Kylningslag
år 1701 uttalade Sir Isaac Newton först sin Kylningslag i en kort artikel med titeln ”Scala graduum Caloris” (”en skala av Värmegraderna”) i Kungliga samhällets filosofiska transaktioner. Newtons lagförklaring översätter från det ursprungliga latinska som ” överskottet av värmens grader … var i geometrisk progression när tiderna är i en aritmetisk progression.”Worcester Polytechnic Institute ger en modernare version av lagen som ”temperaturförändringshastigheten är proportionell mot skillnaden mellan objektets temperatur och den omgivande miljön.”
detta resulterar i ett exponentiellt förfall i temperaturskillnaden. Till exempel, om ett varmt föremål placeras i ett kallt bad, inom en viss tid, kommer skillnaden i deras temperaturer att minska med hälften. Sedan på samma tid kommer den återstående skillnaden igen att minska med hälften. Denna upprepade halvering av temperaturskillnaden fortsätter med lika tidsintervall tills den blir för liten för att mäta.
värmeöverföring
värme kan överföras från en kropp till en annan eller mellan en kropp och miljön på tre olika sätt: ledning, konvektion och strålning. Ledning är överföring av energi genom ett fast material. Ledning mellan kroppar uppstår när de är i direktkontakt, och molekyler överför sin energi över gränssnittet.
konvektion är överföringen av värme till eller från ett flytande medium. Molekyler i en gas eller vätska i kontakt med en fast kropp överför eller absorberar värme till eller från den kroppen och rör sig sedan bort, så att andra molekyler kan röra sig på plats och upprepa processen. Effektiviteten kan förbättras genom att öka ytan som ska värmas eller kylas, som med en radiator, och genom att tvinga vätskan att röra sig över ytan, som med en fläkt.
strålning är utsläpp av elektromagnetisk (EM) energi, särskilt infraröda fotoner som bär värmeenergi. All materia avger och absorberar viss EM-strålning, vars nettobelopp avgör om detta orsakar förlust eller vinst i värme.
Carnot-cykeln
år 1824 föreslog Nicolas l Aubononard Sadi Carnot en modell för en värmemotor baserad på vad som har kommit att kallas Carnot-cykeln. Cykeln utnyttjar förhållandena mellan gasernas tryck, volym och temperatur och hur en inmatning av energi kan ändra form och fungera utanför systemet.
komprimering av en gas ökar temperaturen så att den blir varmare än sin miljö. Värme kan sedan avlägsnas från den heta gasen med hjälp av en värmeväxlare. Att låta det expandera får det att svalna. Detta är grundprincipen bakom värmepumpar som används för uppvärmning, luftkonditionering och kylning.
omvänt ökar uppvärmningen av en gas sitt tryck och får den att expandera. Det expansiva trycket kan sedan användas för att driva en kolv och därmed omvandla värmeenergi till kinetisk energi. Detta är grundprincipen bakom värmemotorer.
entropi
alla termodynamiska system genererar spillvärme. Detta avfall resulterar i en ökning av entropi, vilket för ett slutet system är ”ett kvantitativt mått på mängden termisk energi som inte är tillgänglig för arbete”, enligt American Heritage Dictionary. Entropi i något slutet system ökar alltid; det minskar aldrig. Dessutom producerar rörliga delar spillvärme på grund av friktion, och strålningsvärme läcker oundvikligen från systemet.
detta gör så kallade evighetsmaskiner omöjliga. Siabal Mitra, professor i fysik vid Missouri State University, förklarar: ”du kan inte bygga en motor som är 100 procent effektiv, vilket innebär att du inte kan bygga en maskin för evig rörelse. Men det finns många människor där ute som fortfarande inte tror på det, och det finns människor som fortfarande försöker bygga maskiner för evig rörelse.”
entropi definieras också som ”ett mått på störningen eller slumpmässigheten i ett slutet system”, vilket också oupphörligt ökar. Du kan blanda varmt och kallt vatten, men eftersom en stor kopp varmt vatten är mer oordnat än två mindre koppar som innehåller varmt och kallt vatten, kan du aldrig separera det tillbaka till varmt och kallt utan att lägga till energi i systemet. På ett annat sätt kan du inte avkoda ett ägg eller ta bort grädde från ditt kaffe. Medan vissa processer verkar vara helt reversibla, i praktiken är ingen faktiskt. Entropi ger oss därför en pil av tid: framåt är riktningen för ökad entropi.
termodynamikens fyra lagar
termodynamikens grundläggande principer uttrycktes ursprungligen i tre lagar. Senare bestämdes det att en mer grundläggande lag hade försummats, tydligen för att den verkade så uppenbar att den inte behövde anges uttryckligen. För att bilda en komplett uppsättning regler bestämde forskare att denna mest grundläggande lag behövde inkluderas. Problemet var dock att de tre första lagarna redan hade upprättats och var välkända av deras tilldelade nummer. När man står inför utsikterna att omnumrera de befintliga lagarna, vilket skulle orsaka stor förvirring, eller placera den främsta lagen i slutet av listan, vilket inte skulle ge någon logisk mening, kom en brittisk fysiker, Ralph H. Fowler, med ett alternativ som löste dilemmaet: han kallade den nya lagen ”Nolllagen.”I korthet är dessa lagar:
Zeroth-lagen säger att om två kroppar är i termisk jämvikt med någon tredje kropp, så är de också i jämvikt med varandra. Detta fastställer temperaturen som en grundläggande och mätbar egenskap hos materia.
den första lagen säger att den totala ökningen av ett systems energi är lika med ökningen av termisk energi plus arbetet på systemet. Detta säger att värme är en form av energi och därför är föremål för principen om bevarande.
den andra lagen säger att värmeenergi inte kan överföras från en kropp vid en lägre temperatur till en kropp vid en högre temperatur utan tillsats av energi. Det är därför det kostar pengar att köra en luftkonditionering.
den tredje lagen säger att entropin av en ren kristall vid absolut noll är noll. Som förklarats ovan kallas entropi ibland” avfallsenergi”, dvs energi som inte kan utföra arbete, och eftersom det inte finns någon värmeenergi alls vid absolut noll kan det inte finnas någon avfallsenergi. Entropi är också ett mått på störningen i ett system, och medan en perfekt kristall per definition är perfekt ordnad, betyder något positivt temperaturvärde att det finns rörelse i kristallen, vilket orsakar störning. Av dessa skäl kan det inte finnas något fysiskt system med lägre entropi, så entropi har alltid ett positivt värde.
vetenskapen om termodynamik har utvecklats under århundraden, och dess principer gäller för nästan alla enheter som någonsin uppfunnits. Dess betydelse i modern teknik kan inte överdrivas.
ytterligare resurser
- några av de största hjärnorna i vetenskapens historia har bidragit till utvecklingen av termodynamik. En lista över anmärkningsvärda pionjärer inom området finns på webbplatsen University of Waterloo.
- energiutbildning är ett interaktivt läroplanstillägg för gymnasieelever.
- Eric Weissteins Vetenskapsvärld innehåller uppslagsverk om astronomi, vetenskaplig biografi, Kemi och fysik.
Senaste nytt