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 convertită la și de la alte forme de energie și modul în care aceasta afectează materia.

termodinamicii

Energia termică este energia pe care o substanță sau sistem o are datorită temperaturii sale, adică a energiei moleculelor în mișcare sau a vibrațiilor, potrivit site-ului web Energy Education al Agenției pentru Educație din Texas. Termodinamica presupune măsurarea acestei energii, care poate fi „extrem de complicată”, potrivit lui David McKee, profesor de fizică la Missouri Southern State University. „Sistemele pe care le studiem în termodinamică ... constau în 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 De multe ori. Acest lucru este idealizat ca masa sistemului, presiunea sistemului și volumul sistemului sau un alt set echivalent de numere. Trei numere descriu 10 26 sau 10 30 variabile nominale independente. "

Prin urmare, termodinamica se referă la mai multe proprietăți ale materiei; cea mai importantă dintre acestea este căldura. Căldura este energie transferată între substanțe sau sisteme datorită unei diferențe de temperatură între ele, conform Energy Education. Ca 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, convertită 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 convertește energia cinetică în energie electrică. Un bec poate transforma această energie electrică în radiație electromagnetică (lumină), care, atunci când este absorbită de o suprafață, este transformată înapoi 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 este mai mare temperatura și cu cât sunt mai mulți atomi sau molecule în mișcare, cu atât cantitatea de căldură pe care o transferă este mai mare.

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

Cu toate acestea, oamenii de știință din întreaga lume folosesc scala Kelvin (K fără semn de grad), numită după William Thomson, primul baron Kelvin, deoarece funcționează în calcule. Această scară utilizează aceeași creștere ca 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 de energie termică și toate moleculele 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 de căldură specifică, potrivit Wolfram Research. Unitatea convențională pentru aceasta este caloriile pe gram pe kelvin. Caloria este definită ca cantitatea de energie termică necesară pentru a crește 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 eșantion, 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 cu aproximativ 8% mai multă căldură decât un număr egal de atomi de aluminiu. Cu toate acestea, o anumită masă de apă poate 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

Conductivitatea termică (k) este „rata la care căldura trece printr-un material specificat, exprimată ca cantitatea de căldură care curge pe unitate de timp printr-o unitate de zonă cu un gradient de temperatură de un grad pe unitate de distanță”, potrivit Oxford Dictionary . Unitatea pentru k este de wați (W) pe metru (m) pe kelvin (K). Valorile k pentru metale precum cuprul și argintul sunt relativ mari la 401 și respectiv 428 W/m · K. Această proprietate face ca aceste materiale să fie utile pentru radiatoarele auto și aripioarele de răcire pentru cipurile de computer, deoarece pot transporta rapid căldura și o pot schimba cu mediul înconjurător. Cea mai mare valoare a k pentru orice substanță naturală este diamantul la 2.200 W/m · K.

Alte materiale sunt utile deoarece sunt conductori de căldură extrem de slabi; această proprietate este denumită rezistență termică sau valoare R, care descrie viteza la care căldura este transmisă prin material. Aceste materiale, cum ar fi vata de piatră, puf de gâscă și spumă de poliester, sunt folosite pentru izolarea pereților exteriori ai clădirilor, a hainelor de iarnă și a cănilor termice de cafea. Valoarea R este dată în unități de metri pătrați ori grade Fahrenheit ori ore pe unitate termică britanică (ft 2 · ° F · h/Btu) pentru o placă cu grosimea de 1 inch.

Legea răcirii lui Newton

În 1701, Sir Isaac Newton și-a declarat pentru prima dată Legea răcirii într-un scurt articol intitulat „Scala graduum Caloris” („O scară a gradelor de căldură”) în Tranzacțiile filozofice ale Societății Regale. Declarația legii a lui Newton se traduce din latina originală ca „excesul de grade de căldură. Au fost în progresie geometrică când vremurile sunt într-o progresie aritmetică”. Worcester Polytechnic Institute oferă o versiune mai modernă a legii, deoarece „rata de schimbare a temperaturii este proporțională cu diferența dintre temperatura obiectului și cea a mediului înconjurător”.

Acest lucru are ca rezultat o descompunere 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 temperatură 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 egale de timp până când devine prea mică pentru măsurare.

Transfer de căldură

Căldura poate fi transferată de la un corp la altul sau între corp și mediu prin trei mijloace diferite: conducție, convecție și radiații. Conducerea este transferul de energie printr-un material solid. Conducerea dintre corpuri apare atunci când acestea sunt în contact direct, iar moleculele își transferă energia pe 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 căldura 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 care trebuie încălzită sau răcită, ca la un radiator și prin forțarea fluidului să se deplaseze peste suprafață, ca la un ventilator.

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

Ciclul Carnot

În 1824, Nicolas Léonard Sadi Carnot a propus un model pentru un motor termic bazat pe ceea ce a devenit cunoscut sub numele de ciclul Carnot. Ciclul exploatează relațiile dintre presiunea, volumul și temperatura gazelor și modul în care o intrare de energie poate schimba forma și poate funcționa în afara sistemului.

Comprimarea unui gaz îi mărește temperatura, astfel că devine mai fierbinte decât mediul său. Căldura poate fi apoi îndepărtată din gazul fierbinte folosind un schimbător de căldură. Apoi, lăsându-l să se extindă, acesta se răcește. Acesta este principiul de bază din spatele pompelor de căldură utilizate pentru încălzire, aer condiționat și refrigerare.

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

Entropie

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 lucra”, potrivit American Heritage Dictionary. Entropia în orice sistem închis crește întotdeauna; nu scade niciodată. În plus, piesele în mișcare produc căldură reziduală din cauza fricțiunii, iar căldura radiativă se scurge inevitabil din sistem.

Acest lucru face imposibile așa-numitele mașini 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 acolo care încă nu cred, și există oameni care încă încearcă să construiască mașini de mișcare perpetuă. "

Entropia este, de asemenea, definită ca "o măsură a tulburării sau aleatoriei într-un sistem închis", care crește, de asemenea, inexorabil. Puteți amesteca apă caldă și rece, dar pentru că o ceașcă mare de apă caldă este mai dezordonată decât două cani mai mici care conțin apă caldă și rece, nu o puteți separa niciodată în cald și rece fără a adăuga energie sistemului. Cu alte cuvinte, nu puteți scoate un ou sau scoate smântână din cafea. Deși unele procese par a fi complet reversibile, în practică, niciunul nu este de fapt. Prin urmare, entropia ne oferă o săgeată a timpului: înainte este direcția entropiei crescânde.

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 trebuia să fie declarată în mod explicit. Pentru a forma un set complet de reguli, oamenii de știință au decis că această lege cea mai fundamentală trebuie inclusă. Totuși, problema a fost că primele trei legi au fost deja stabilite și erau bine cunoscute prin numărul lor atribuit. Când se confruntă cu perspectiva renumerotării legilor existente, care ar provoca confuzii considerabile, sau plasarea legii preeminente la sfârșitul listei, care 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 Zeroth”. Pe scurt, aceste legi sunt:

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

Prima lege afirmă că creșterea totală a energiei unui sistem este egală cu creșterea energiei termice plus munca efectuată asupra sistemului. 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 mică la un corp la o temperatură mai ridicată fără adăugarea de energie. Acesta este motivul pentru care costă bani să funcționezi un aparat de aer condiționat.

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

Știința termodinamicii a fost dezvoltată de-a lungul secolelor, iar principiile sale se aplică aproape tuturor dispozitivelor inventate vreodată. Importanța sa în tehnologia modernă nu poate fi exagerată.