Een overzicht van thermodynamica

Thermodynamica is het veld van de fysica dat zich bezighoudt met de relatie tussen warmte en andere eigenschappen (zoals druk, dichtheid, temperatuur, enz.) In een stof.

Meer specifiek richt thermodynamica zich grotendeels op hoe een warmteoverdracht gerelateerd is aan verschillende energieveranderingen binnen een fysiek systeem dat een thermodynamisch proces ondergaat. Dergelijke processen resulteren meestal in werk dat door het systeem wordt gedaan en worden geleid door de wetten van de thermodynamica.

Basisconcepten van warmteoverdracht

In het algemeen wordt de warmte van een materiaal opgevat als een weergave van de energie die zich in de deeltjes van dat materiaal bevindt. Dit staat bekend als de kinetische theorie van gassen, hoewel het concept in verschillende mate ook van toepassing is op vaste stoffen en vloeistoffen. De warmte van de beweging van deze deeltjes kan op verschillende manieren worden overgebracht in nabijgelegen deeltjes en dus in andere delen van het materiaal of andere materialen:

• Thermisch contact is wanneer twee stoffen elkaars temperatuur kunnen beïnvloeden.
• Thermisch evenwicht is wanneer twee stoffen in thermisch contact niet langer warmte overdragen.
• Thermische expansie vindt plaats wanneer een substantie in volume uitbreidt aangezien het hitte wint. Thermische samentrekking bestaat ook.
• Geleiding is wanneer warmte door een verwarmde vaste stof stroomt.
• Convectie is wanneer verwarmde deeltjes warmte overdragen naar een andere substantie, zoals iets koken in kokend water.
• bestraling is wanneer warmte wordt overgedragen via elektromagnetische golven, zoals van de zon.
• Isolatie is wanneer een laag geleidend materiaal wordt gebruikt om warmteoverdracht te voorkomen.

Thermodynamische processen

Een systeem ondergaat een thermodynamisch proces wanneer er een soort van energetische verandering in het systeem is, meestal geassocieerd met veranderingen in druk, volume, interne energie (d.w.z. temperatuur) of enige vorm van warmteoverdracht.

Er zijn verschillende specifieke soorten thermodynamische processen die speciale eigenschappen hebben:

• Adiabatisch proces - een proces zonder warmteoverdracht in of uit het systeem.
• Isochorisch proces - een proces zonder volumeverandering, in welk geval het systeem niet werkt.
• Isobaar proces - een proces zonder drukverandering.
• Isotherm proces - een proces zonder temperatuurverandering.

Staten van Materie

Een toestand van materie is een beschrijving van het type fysieke structuur dat een materiële substantie vertoont, met eigenschappen die beschrijven hoe het materiaal samenhoudt (of niet). Er zijn vijf toestanden van materie, hoewel alleen de eerste drie meestal worden meegenomen in de manier waarop we denken over toestanden van materie:

• gas-
• vloeistof
• solide
• plasma
• superfluid (zoals een Bose-Einstein-condensaat)

Veel stoffen kunnen overgaan tussen de gas-, vloeistof- en vaste stoffasen, terwijl van slechts enkele zeldzame stoffen bekend is dat ze in een superfluïde toestand kunnen komen. Plasma is een andere materietoestand, zoals bliksem 

• condensatie - gas naar vloeistof
• invriezen - vloeibaar tot vast
• smelten - vast tot vloeibaar
• sublimatie - vast tot gas
• verdamping - vloeibaar of vast tot gas

Warmte capaciteit

De warmtecapaciteit, C, van een object is de verhouding van verandering in warmte (energieverandering, ΔQ, waarbij het Griekse symbool Delta, Δ, een verandering in de hoeveelheid aangeeft om in temperatuur te veranderen (ΔT).

C = Δ Q / Δ T

De warmtecapaciteit van een stof geeft het gemak aan waarmee een stof opwarmt. Een goede warmtegeleider zou een lage warmtecapaciteit hebben, wat aangeeft dat een kleine hoeveelheid energie een grote temperatuurverandering veroorzaakt. Een goede thermische isolator zou een grote warmtecapaciteit hebben, wat aangeeft dat veel energieoverdracht nodig is voor een temperatuurverandering.

Ideale gasvergelijkingen

Er zijn verschillende ideale gasvergelijkingen die betrekking hebben op temperatuur (T₁), druk (P₁) en volume (V₁). Deze waarden na een thermodynamische verandering worden aangegeven door (T₂), (P₂) en (V₂). Voor een gegeven hoeveelheid van een stof, n (gemeten in mol), gelden de volgende relaties:

De wet van Boyle ( T is constant):
P ₁ V ₁ = P ₂ V ₂
Charles / Gay-Lussac Law (P is constant):
V₁/T₁ = V₂/T₂
Ideale gaswet:
P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ = nR

R is de ideale gasconstante, R = 8,3145 J / mol * K. Voor een bepaalde hoeveelheid materie dus, nR is constant, wat de ideale gaswet geeft.

Wetten van thermodynamica

• Zeroeth Law of Thermodynamics - Twee systemen elk in thermisch evenwicht met een derde systeem zijn in thermisch evenwicht ten opzichte van elkaar.
• Eerste wet van de thermodynamica - De verandering in de energie van een systeem is de hoeveelheid energie die aan het systeem wordt toegevoegd minus de energie die wordt besteed aan het werk.
• Tweede wet van de thermodynamica - Het is onmogelijk dat een proces als enig resultaat de overdracht van warmte van een koeler lichaam naar een heter heeft.
• Derde wet van de thermodynamica - Het is onmogelijk om een ​​systeem te reduceren tot absoluut nul in een eindige reeks bewerkingen. Dit betekent dat er geen perfect efficiënte warmtemotor kan worden gecreëerd.

De tweede wet en entropie

De tweede wet van de thermodynamica kan worden aangepast om over te praten entropie, dat is een kwantitatieve meting van de aandoening in een systeem. De verandering in warmte gedeeld door de absolute temperatuur is de entropieverandering van het proces. Op deze manier gedefinieerd, kan de tweede wet worden aangepast als:

In elk gesloten systeem zal de entropie van het systeem ofwel constant blijven of toenemen.

Met "gesloten systeem" betekent dit dat elk een deel van het proces is inbegrepen bij de berekening van de entropie van het systeem.

Meer over thermodynamica

In sommige opzichten is het misleidend om thermodynamica te behandelen als een afzonderlijke fysica. Thermodynamica raakt vrijwel elk gebied van de fysica, van astrofysica tot biofysica, omdat ze allemaal op een bepaalde manier omgaan met de verandering van energie in een systeem. Zonder het vermogen van een systeem om energie in het systeem te gebruiken om werk te doen - het hart van de thermodynamica - zou er voor natuurkundigen niets zijn om te studeren.

Dat gezegd hebbende, er zijn velden die thermodynamica gebruiken bij het passeren terwijl ze andere fenomenen bestuderen, terwijl er een breed scala aan velden is die sterk gericht zijn op de betrokken thermodynamische situaties. Hier zijn enkele van de subvelden van de thermodynamica:

• Cryofysica / Cryogenica / Fysica bij lage temperaturen - de studie van fysische eigenschappen in situaties met lage temperaturen, ver onder temperaturen die zelfs op de koudste gebieden van de aarde worden ervaren. Een voorbeeld hiervan is de studie van superfluids.
• Vloeistofdynamica / vloeistofmechanica - de studie van de fysische eigenschappen van "vloeistoffen", in dit geval specifiek gedefinieerd als vloeistoffen en gassen.
• Hoge druk natuurkunde - de studie van fysica in extreem hoge druksystemen, meestal gerelateerd aan vloeistofdynamica.
• Meteorologie / weerfysica - de fysica van het weer, druksystemen in de atmosfeer, enz.
• Plasmafysica - de studie van materie in de plasma-toestand.