En översikt över termodynamik

Termodynamik är det fysiska området som hanterar förhållandet mellan värme och andra egenskaper (t.ex. tryck, densitet, temperatur etc.) i ett ämne.

Specifikt fokuserar termodynamik till stor del på hur en värmeöverföring är relaterad till olika energiförändringar i ett fysiskt system som genomgår en termodynamisk process. Sådana processer resulterar vanligtvis i att arbetet utförs av systemet och styrs av termodynamikens lagar.

Grundläggande begrepp för värmeöverföring

I stort sett förstås materialets värme som en representation av energin i materialets partiklar. Detta är känt som den kinetiska teorin om gaser, även om konceptet i varierande grad också gäller fasta ämnen och vätskor. Värmen från rörelsen hos dessa partiklar kan överföras till närliggande partiklar, och därför till andra delar av materialet eller andra material, på olika sätt:

• Termisk kontakt är när två ämnen kan påverka varandras temperatur.
• Termisk jämvikt är när två ämnen i termisk kontakt inte längre överför värme.
• Termisk expansion sker när ett ämne expanderar i volym när det får värme. Termisk sammandragning finns också.
• Ledning är när värme rinner genom ett uppvärmt fast ämne.
• Konvektion är när uppvärmda partiklar överför värme till en annan substans, till exempel att laga något i kokande vatten.
• Strålning är när värme överförs genom elektromagnetiska vågor, till exempel från solen.
• Isolering är när ett lågledande material används för att förhindra värmeöverföring.

Termodynamiska processer

Ett system genomgår en termodynamisk process när det sker någon form av energiförändring i systemet, generellt förknippat med förändringar i tryck, volym, intern energi (dvs temperatur) eller någon form av värmeöverföring.

Det finns flera specifika typer av termodynamiska processer som har speciella egenskaper:

• Adiabatic process - en process utan värmeöverföring till eller från systemet.
• Isokorisk process - en process utan volymförändring, i vilket fall systemet inte fungerar.
• Isobarisk process - en process utan tryckförändring.
• Isotermisk process - en process utan temperaturförändring.

State of Matter

En materia är en beskrivning av den typ av fysisk struktur som ett material ämne manifesterar med egenskaper som beskriver hur materialet håller samman (eller inte). Det finns fem materiella tillstånd, även om bara de första tre av dem är vanligtvis inkluderade i vårt sätt att tänka på tillstånd av materia:

• gas
• flytande
• fast
• plasma
• överflödigt (såsom ett Bose-Einstein-kondensat)

Många ämnen kan övergå mellan gas, vätska och fasta ämnesfaser, medan det endast är känt att några få sällsynta ämnen kan gå in i ett överflödigt tillstånd. Plasma är ett tydligt ämnesläge, såsom blixt 

• kondensation - gas till vätska
• frysning - vätska till fast substans
• smälta - fast till vätska
• sublimering - fast till gas
• förångning - flytande eller fast till gas

Värmekapacitet

Värmekapaciteten, C, för ett objekt är förhållandet förändring i värme (energiförändring, ΔQ, där den grekiska symbolen Delta, Δ, anger en förändring i mängden) för att ändra temperaturen (ΔT).

C = Δ Q / Δ T

Ett ämnes värmekapacitet indikerar hur lätt ett ämne värms upp. En bra värmeledare skulle ha låg värmekapacitet, vilket indikerar att en liten mängd energi orsakar en stor temperaturförändring. En bra värmeisolator skulle ha en stor värmekapacitet, vilket indikerar att mycket energiöverföring behövs för en temperaturförändring.

Ideala gasekvationer

Det finns olika ideala gasekvationer som relaterar temperatur (T₁), tryck (P₁) och volym (V₁). Dessa värden efter en termodynamisk förändring indikeras av (T₂), (P₂) och (V₂). För en given mängd av ett ämne, n (mätt i mol), har följande förhållanden:

Boyle's Law ( T är konstant):
P ₁ V ₁ = P ₂ V ₂
Charles / Gay-Lussac lag (P är konstant):
V₁/T₁ = V₂/T₂
Ideal Gas Law:
P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ = nR

R är idealisk gaskonstant, R = 8,3145 J / mol * K. För en viss mängd materia, därför, nR är konstant, vilket ger den ideala gaslagen.

Thermodynamics lagar

• Zeroeth Law of Thermodynamics - Två system vardera i termisk jämvikt med ett tredje system är i termisk jämvikt med varandra.
• Termodynamikens första lag - Förändringen i energisystemet i systemet är den mängd energi som läggs till systemet minus energin som används på arbete.
• Den andra termodynamiklagen - Det är omöjligt för en process att endast överföra värme från en kallare kropp till en varmare process.
• Tredje lag av termodynamik - Det är omöjligt att reducera något system till absolut noll i en ändlig serie av operationer. Det betyder att en perfekt effektiv värmemotor inte kan skapas.

Den andra lagen och entropin

Termodynamikens andra lag kan omarbetas för att prata om entropi, vilket är en kvantitativ mätning av störningen i ett system. Förändringen i värme dividerad med den absoluta temperaturen är processens entropiförändring. Definierat på detta sätt kan den andra lagen ändras på följande sätt:

I vilket stängt system som helst kommer systemets entropi att förbli konstant eller öka.

Med "stängt system" betyder det det varje del av processen ingår vid beräkning av systemets entropi.

Mer om termodynamik

På vissa sätt är det missvisande att behandla termodynamik som en distinkt fysik. Termodynamik berör praktiskt taget alla fysiska områden, från astrofysik till biofysik, eftersom de alla på något sätt handlar om energiförändringen i ett system. Utan förmågan hos ett system att använda energi i systemet för att utföra arbete - hjärtat i termodynamik - skulle det inte finnas något för fysiker att studera.

Med det sagt har det funnits vissa fält som använder termodynamik i förbigående när de studerar andra fenomen, medan det finns ett brett spektrum av fält som fokuserar starkt på de termodynamiska situationer som är inblandade. Här är några av fälten för termodynamik:

• Kryofysik / Kryogenik / Låg temperaturfysik - studien av fysiska egenskaper i situationer med låga temperaturer, långt under temperaturer som upplevs i även de kallaste områdena på jorden. Ett exempel på detta är studien av supervätskor.
• Fluid Dynamics / Fluid Mechanics - studien av de fysiska egenskaperna hos "vätskor", specifikt definierad i detta fall är vätskor och gaser.
• Högtrycksfysik - studiet av fysik i extremt högtryckssystem, generellt relaterat till vätskedynamik.
• Meteorologi / väderfysik - väderens fysik, trycksystem i atmosfären osv.
• Plasmafysik - studien av materia i plasmatillståndet.