Ce Este Termodinamica?

{h1}

Termodinamica este ramura fizicii care se ocupă de relațiile dintre căldură și alte forme de energie.

Termodinamica este ramura fizicii care se ocupă de relațiile dintre căldură și alte forme de energie. În special, descrie modul în care energia termică este transformată în și din alte forme de energie și cum afectează materia.

Energia termică este energia pe care o substanță sau un sistem o are datorită temperaturii sale, adică a energiei în mișcare sau a vibrației moleculelor, potrivit site-ului de internet Energy Education al agenției Texas Education. Termodinamica implică măsurarea acestei energii, care poate fi „extrem de complicată”, potrivit lui David McKee, profesor de fizică la Universitatea de Sud din Statul Missouri. "Sistemele pe care le studiem în termodinamică... constau dintr-un număr foarte mare de atomi sau molecule care interacționează în moduri complicate. Dar, dacă aceste sisteme îndeplinesc criteriile corecte, pe care le numim echilibru, ele pot fi descrise cu un număr foarte mic de măsurători sau numere. Adesea, acest lucru este idealizat ca masa sistemului, presiunea sistemului și volumul sistemului sau un alt set echivalent de numere. Trei numere descriu 1026 sau 1030 variabile independente nominale. "

Căldură

Termodinamica este, așadar, preocupată de mai multe proprietăți ale materiei; principalul dintre acestea este căldura. Căldura este transferată energie între substanțe sau sisteme datorită unei diferențe de temperatură între ele, conform Energy Education. Ca o formă de energie, căldura este conservată, adică nu poate fi creată sau distrusă. Poate fi, totuși, transferat dintr-un loc în altul. Căldura poate fi, de asemenea, transformată în și din alte forme de energie. De exemplu, o turbină cu abur poate converti căldura în energie cinetică pentru a rula un generator care transformă energia cinetică în energie electrică. Un bec poate converti această energie electrică în radiații electromagnetice (lumină), care, atunci când este absorbită de o suprafață, este transformată din nou în căldură.

Temperatura

Cantitatea de căldură transferată de o substanță depinde de viteza și numărul de atomi sau molecule în mișcare, conform Energy Education. Cu cât atomii sau moleculele se mișcă mai repede, cu atât temperatura este mai ridicată și cu atât mai mulți atomi sau molecule sunt în mișcare, cu atât este mai mare cantitatea de căldură pe care o transferă.

Temperatura este „o măsură a energiei cinetice medii a particulelor dintr-un eșantion de materie, exprimată în termeni de unități sau grade desemnate pe o scară standard”, în conformitate cu Dicționarul American Heritage. Scala de temperatură cea mai frecvent utilizată este Celsius, care se bazează pe punctele de îngheț și fierbere a apei, atribuind valori respective de 0 grade C și 100 grade C. Scara Fahrenheit se bazează, de asemenea, pe punctele de îngheț și fierbere ale apei care au fost alocate. valori de 32 F, respectiv 212 F.

Oamenii de știință din întreaga lume, însă, folosesc scara Kelvin (K fără semn de grad), numită după William Thomson, primul baron Kelvin, deoarece funcționează în calcul. Această scară folosește aceeași creștere ca și scala Celsius, adică o schimbare de temperatură de 1 C este egală cu 1 K. Cu toate acestea, scara Kelvin începe de la zero absolut, temperatura la care există o absență totală a energiei termice și a tuturor moleculelor. mișcarea se oprește. O temperatură de 0 K este egală cu minus 459,67 F sau minus 273,15 C.

Căldura specifică

Cantitatea de căldură necesară pentru creșterea temperaturii unei anumite mase a unei substanțe cu o anumită cantitate se numește căldură specifică sau capacitate specifică de căldură, potrivit Wolfram Research. Unitatea convențională pentru aceasta este calorii pe gram per kelvin. Caloria este definită ca cantitatea de energie termică necesară pentru a ridica temperatura de 1 gram de apă la 4° C cu 1 grad.

Căldura specifică a unui metal depinde aproape în totalitate de numărul de atomi din probă, nu de masa acestuia. De exemplu, un kilogram de aluminiu poate absorbi de aproximativ șapte ori mai multă căldură decât un kilogram de plumb. Cu toate acestea, atomii de plumb pot absorbi doar aproximativ 8% mai multă căldură decât un număr egal de atomi de aluminiu. O masă dată de apă poate totuși absorbi de aproape cinci ori mai multă căldură decât o masă egală de aluminiu. Căldura specifică a unui gaz este mai complexă și depinde dacă este măsurată la presiune constantă sau volum constant.

Conductivitate termică

Conductivitate termică (k) este „viteza cu care căldura trece printr-un material specificat, exprimată ca cantitate de căldură care curge pe unitate de timp printr-o zonă de unitate cu un gradient de temperatură de un grad pe unitate de distanță”, potrivit Dicționarului Oxford. Unitatea pentru k este watt (W) pe metru (m) pe kelvin (K). Valori ale k pentru metale precum cupru și argintul sunt relativ ridicate la 401, respectiv 428 W / m · K. Această proprietate face ca aceste materiale să fie utile pentru caloriferele automobilelor și aripioarele de răcire pentru cipurile de computer, deoarece pot transporta rapid căldura și să o schimbe cu mediul înconjurător. Cea mai mare valoare de k pentru orice substanță naturală este diamant la 2.200 W / m · K.

Alte materiale sunt utile, deoarece sunt conductoare de căldură extrem de sărace; această proprietate este denumită rezistență termică sau R-valoare, care descrie viteza cu care se transmite căldura prin material. Aceste materiale, cum ar fi lână de rocă, gâscă în jos și Styrofoam, sunt utilizate pentru izolarea pereților exteriori ai clădirii, paltoanelor de iarnă și căni de cafea termice. R-valoarea este dată în unități de metri pătrați de grade grade Fahrenheit de ore ore pe unitate termică britanică (ft2·° F · h / Btu) pentru o placă de 1 inch.

Legea răcirii lui Newton

În 1701, Sir Isaac Newton și-a declarat prima dată Legea răcirii într-un scurt articol intitulat „Scala graduum Caloris” („O scară a gradelor de căldură”) în Tranzacțiile filozofice ale Royal Society. Declarația legii a lui Newton se traduce din latina originală, întrucât „excesul de grade al căldurii... erau în progresie geometrică, când vremurile sunt într-o progresie aritmetică”. Institutul Politehnic Worcester oferă o versiune mai modernă a legii, deoarece „rata schimbării temperaturii este proporțională cu diferența dintre temperatura obiectului și cea a mediului înconjurător”.

Aceasta duce la o degradare exponențială a diferenței de temperatură. De exemplu, dacă un obiect cald este plasat într-o baie rece, într-o anumită perioadă de timp, diferența de temperaturi a acestora va scădea la jumătate. Apoi, în aceeași perioadă de timp, diferența rămasă va scădea din nou la jumătate. Această înjumătățire repetată a diferenței de temperatură va continua la intervale de timp egale până când devine prea mică pentru a fi măsurată.

Transfer de căldură

Căldura poate fi transferată de la un corp la altul sau între un corp și mediu prin trei mijloace diferite: conducere, convecție și radiații. Conducția este transferul de energie prin un material solid. Conducția dintre corpuri are loc atunci când sunt în contact direct, iar moleculele își transferă energia prin interfață.

Convecția este transferul de căldură către sau dintr-un mediu fluid. Moleculele dintr-un gaz sau lichid în contact cu un corp solid transmit sau absorb căldură către sau din acel corp și apoi se îndepărtează, permițând altor molecule să se deplaseze în loc și să repete procesul. Eficiența poate fi îmbunătățită prin creșterea suprafeței de încălzit sau răcită, la fel ca în cazul unui calorifer, și prin forțarea lichidului să se miște pe suprafață, ca și în cazul unui ventilator.

Radiația este emisia de energie electromagnetică (EM), în special fotoni cu infraroșu care transportă energie termică. Toată materia emite și absoarbe o anumită radiație EM, a cărei cantitate netă determină dacă aceasta provoacă o pierdere sau un câștig de căldură.

Ciclul Carnot

În 1824, Nicolas Léonard Sadi Carnot a propus un model pentru un motor de căldură bazat pe ceea ce a devenit cunoscut drept ciclul Carnot. Ciclul exploatează relațiile dintre presiunea, volumul și temperatura gazelor și modul în care un aport de energie își poate schimba forma și lucrează în afara sistemului.

Comprimarea unui gaz își crește temperatura, astfel încât devine mai cald decât mediul său. Apoi, căldura poate fi îndepărtată din gazul fierbinte cu ajutorul unui schimbător de căldură. Apoi, lăsându-l să se extindă face ca acesta să se răcească. Acesta este principiul de bază al pompelor de căldură utilizate pentru încălzire, climatizare și refrigerare.

În schimb, încălzirea unui gaz își crește presiunea, determinându-l să se extindă. Presiunea expansivă poate fi apoi utilizată pentru a conduce un piston, transformând astfel energia termică în energie cinetică. Acesta este principiul de bază al motoarelor de căldură.

entropia

Toate sistemele termodinamice generează căldură reziduală. Aceste deșeuri au ca rezultat o creștere a entropiei, care pentru un sistem închis este „o măsură cantitativă a cantității de energie termică care nu este disponibilă pentru a funcționa”, în conformitate cu Dicționarul American Heritage. Entropie în orice sistem închis mereu creșteri; aceasta nu scade. În plus, piesele în mișcare produc căldură reziduală datorită frecării, iar căldura radiatoare inevitabil scurge din sistem.

Acest lucru face imposibilă așa-numita mașină de mișcare perpetuă. Siabal Mitra, profesor de fizică la Universitatea de Stat din Missouri, explică: „Nu puteți construi un motor care este 100% eficient, ceea ce înseamnă că nu puteți construi o mașină de mișcare perpetuă. Cu toate acestea, există o mulțime de oameni care încă nu mai sunt Nu cred, și există oameni care încă încearcă să construiască mașini de mișcare perpetuă. "

Entropia este definită, de asemenea, ca „o măsură a tulburării sau aleatoriei într-un sistem închis”, care, de asemenea, crește inexorabil. Puteți amesteca apă caldă și rece, dar, deoarece o cană mare de apă caldă este mai dezordonată decât două căni mai mici care conțin apă caldă și rece, nu o puteți separa niciodată în cald și rece, fără să adăugați energie sistemului. Altfel spus, nu puteți desface un ou sau elimina smântână din cafea. Deși unele procese par a fi complet reversibile, în practică, niciunul nu este de fapt. Entropia, prin urmare, ne oferă o săgeată a timpului: înainte este direcția de creștere a entropiei.

Cele patru legi ale termodinamicii

Principiile fundamentale ale termodinamicii au fost inițial exprimate în trei legi. Ulterior, s-a stabilit că o lege mai fundamentală a fost neglijată, aparent pentru că părea atât de evidentă încât nu a fost nevoie să fie declarată explicit. Pentru a forma un set complet de reguli, oamenii de știință au decis să fie inclusă această lege fundamentală. Problema a fost însă că primele trei legi au fost deja stabilite și erau bine cunoscute prin numerele alocate. Când se confruntă cu perspectiva renumerării legilor existente, ceea ce ar provoca o confuzie considerabilă sau plasarea legii preeminente la sfârșitul listei, ceea ce nu ar avea niciun sens logic, un fizician britanic, Ralph H. Fowler, a venit cu o alternativă care a rezolvat dilema: el a numit noua lege „Legea lui Zeroth”. Pe scurt, aceste legi sunt:

Legea Zeroth afirmă că dacă două corpuri sunt în echilibru termic cu un al treilea corp, ele sunt, de asemenea, în echilibru unul cu celălalt. Aceasta stabilește temperatura ca proprietate fundamentală și măsurabilă a materiei.

Prima lege afirmă că creșterea totală a energiei unui sistem este egală cu creșterea energiei termice, plus munca depusă pe sistem. Aceasta afirmă că căldura este o formă de energie și, prin urmare, este supusă principiului conservării.

A doua lege afirmă că energia termică nu poate fi transferată de la un corp la o temperatură mai scăzută la un corp la o temperatură mai mare fără adăugarea de energie. Acesta este motivul pentru care costă bani să funcționeze un aparat de aer condiționat.

A treia lege afirmă că entropia unui cristal pur la zero absolut este zero. Așa cum am explicat mai sus, entropia este uneori numită „energie reziduală”, adică, energie care nu este în măsură să funcționeze și, din moment ce nu există nicio energie termică la zero absolut, nu poate exista energie reziduală. Entropia este, de asemenea, o măsură a tulburării într-un sistem și, în timp ce un cristal perfect este, prin definiție, perfect ordonat, orice valoare pozitivă a temperaturii înseamnă că există mișcare în interiorul cristalului, care provoacă tulburare. Din aceste motive, nu poate exista un sistem fizic cu entropie mai mică, astfel încât entropia are întotdeauna o valoare pozitivă.

Știința termodinamicii a fost dezvoltată de-a lungul secolelor, iar principiile sale se aplică aproape la fiecare dispozitiv inventat vreodată. Importanța sa în tehnologia modernă nu poate fi supraevaluată.

Resurse aditionale

  • Unele dintre cele mai mari minți din istoria științei au contribuit la dezvoltarea termodinamicii. O listă de pionieri notabili în domeniu poate fi găsită pe site-ul web al Universității din Waterloo.
  • Educația energetică este un supliment de curriculum interactiv pentru elevii de știință din învățământul secundar.
  • Lumea științei lui Eric Weisstein conține enciclopedii de astronomie, biografie științifică, chimie și fizică.






Descoperiri Științifice

Cercetare


Science News




Categorii Populare


RO.WordsSideKick.com
Toate Drepturile Rezervate!
Reproducerea Oricăror Materiale Permise Prostanovkoy Doar Link-Ul Activ La Site-Ul RO.WordsSideKick.com

© 2005–2019 RO.WordsSideKick.com