Обзор термодинамики

Термодинамика – это область физики, которая занимается взаимосвязью между теплотой и другими свойствами (такими как давление, плотность, температура и т. д.) в веществе.

В частности, термодинамика в основном фокусируется на том, как теплопередача связана с различными изменениями энергии в физической системе, претерпевающей термодинамический процесс. Такие процессы обычно приводят к работе, выполняемой системой, и подчиняются законам термодинамики.

Основные концепции теплопередачи

Вообще говоря, тепло материала понимается как представление энергии, содержащейся в частицах этого материала. Это известно как кинетическая теория газов, хотя эта концепция в разной степени применима также к твердым телам и жидкостям. Тепло от движения этих частиц может передаваться соседним частицам и, следовательно, другим частям материала или другим материалам различными способами:

• Тепловой контакт – это когда два вещества могут влиять на температуру друг друга.
• Тепловое равновесие – это когда два вещества при тепловом контакте больше не передают тепло.
• Тепловое расширение происходит, когда вещество расширяется в объеме по мере получения тепла. Также существует тепловое сжатие.
• Проводимость – это когда тепло течет через нагретое твердое тело.
• Конвекция – это когда нагретые частицы передают тепло другому веществу, например, готовят что-то в кипящей воде.
• Радиация – это когда тепло передается через электромагнитные волны, такие как от солнца.
• Изоляция – это когда для предотвращения теплопередачи используется материал с низкой проводимостью.

Термодинамические процессы

Система подвергается термодинамическому процессу, когда в системе происходит какое-то энергетическое изменение, обычно связанное с изменениями давления, объема, внутренней энергии ( т.е. температура) или любой вид теплопередачи.

Есть несколько конкретных типов термодинамических процессов, которые обладают особыми свойствами:

• Адиабатический процесс – процесс без передачи тепла в систему или из нее.
• Изохорный процесс – пр. процесс без изменения объема, и в этом случае система не работает.
• Изобарический процесс – процесс без изменения давления.
• Изотермический процесс – процесс без изменения температуры.

Состояния материи

Состояние материи – это описание типа физической структуры, которую проявляет материальная субстанция, со свойствами, которые описывают, как материал держится вместе (или нет). Существует пять состояний материи, хотя только первые три из них обычно включаются в то, как мы думаем о состояниях материи:

• газ
• жидкость
• твердое тело
• плазма
• сверхтекучая жидкость (например, конденсат Бозе-Эйнштейна)

Многие вещества могут переходить между газовой, жидкой и твердой фазами вещества, в то время как известно, что лишь некоторые редкие вещества способны войти в сверхтекучее состояние. Плазма – это особое состояние вещества, такое как молния

• конденсация – газ превращается в жидкость
• замерзание – жидкость в твердое вещество
• плавление – твердое тело в жидкость
• сублимация – твердое тело в газ
• испарение – жидкость или твердое тело в газ

Теплоемкость

Теплоемкость C объекта – это отношение изменения тепла (изменение энергии, Δ Q , где греческий символ Дельта, Δ, обозначает изменение количества) к изменению температуры (Δ T ).

C = Δ Q /Δ T

Теплоемкость вещества указывает на легкость, с которой вещество нагревается. Хороший теплопроводник должен иметь низкую теплоемкость, что указывает на то, что небольшое количество энергии вызывает большое изменение температуры. Хороший теплоизолятор должен обладать большой теплоемкостью, что указывает на то, что для изменения температуры требуется большая передача энергии.

Уравнения идеального газа

Существуют различные уравнения идеального газа, которые связывают температуру ( T ₁ ), давление ( P ₁ ) и громкость ( V ₁ ). Эти значения после термодинамического изменения обозначаются ( T ₂ ), ( P ₂ ) и ( V ₂ ). Для данного количества вещества, n (измеренного в молях), выполняются следующие соотношения:

закон Бойля ( T постоянно):
P ₁ V ₁ = P ₂ V ₂
Закон Шарля/Гей-Люссака ( P постоянно):
V ₁ / T ₁ = V ₂ / T ₂
Закон идеального газа :
P ₁ V ₁ / T ₁ = P ₂ V ₂ / T ₂ = nR

R – постоянная идеального газа , R = 8,3145 Дж/моль * К. Следовательно, для данного количества вещества nR является постоянным, что дает закон идеального газа.

Законы термодинамики

• Нулевой закон термодинамики – две системы, каждая из которых находится в тепловом равновесии с третьей системой, находятся в тепловом равновесии друг с другом..
• Первый закон термодинамики . Изменение энергии системы – это количество энергии, добавленной к системе, за вычетом энергии, затраченной на выполнение работы.
• Второй закон термодинамики – процесс не может иметь единственным результатом передачи тепла от более холодного тела к более горячему.
• Третий закон термодинамики – невозможно привести любую систему к абсолютному нулю за конечную серию операций. Это означает, что невозможно создать совершенно эффективный тепловой двигатель.

Второй закон и энтропия

Второй Закон термодинамики можно переформулировать, чтобы говорить об энтропии , которая является количественным измерением беспорядка в системе. Изменение теплоты, деленное на абсолютную температуру, представляет собой изменение энтропии процесса. Определенный таким образом, Второй закон можно переформулировать следующим образом:

В любой закрытой системе энтропия системы будет либо оставаться постоянной, либо увеличиваться.

Под «закрытой системой» это означает, что каждая часть процесса включается при вычислении энтропии системы.

Подробнее о термодинамике

В некотором смысле рассмотрение термодинамики как отдельной дисциплины физики вводит в заблуждение. Термодинамика затрагивает практически все области физики, от астрофизики до биофизики, потому что все они так или иначе связаны с изменением энергии в системе. Без способности системы использовать энергию внутри системы для выполнения работы – сердце термодинамики – физикам нечего было бы изучать.

Как уже было сказано, в некоторых областях термодинамика используется попутно, поскольку они изучают другие явления, в то время как существует широкий диапазон областей, в которых основное внимание уделяется рассматриваемым ситуациям термодинамики. Вот некоторые из подразделов термодинамики:

• Криофизика/Криогеника/Физика низких температур – изучение физических свойств в условиях низких температур, намного ниже температур даже в самых холодных регионах Земли. Примером этого является изучение сверхтекучих сред.
• Fluid Dynamics/Fluid Mechanics – изучение физических свойств “жидкостей”, конкретно определенных в этом случае. должны быть жидкостями и газами.
• Физика высокого давления – изучение физики в системах с чрезвычайно высоким давлением, обычно связанное с гидродинамикой.
• Meteorology/Weather Physics – физика погоды, систем давления в атмосфере и т. д.
• Plasma Physics – исследование вещества в плазменном состоянии.