Ein Überblick über die Thermodynamik

Die Physik der Wärme

Eine erhitzte Metallstange. Dave King/Getty Images

Thermodynamik ist die Bereich der Physik die sich mit der Beziehung zwischen befasst Wärme und andere Eigenschaften (z Druck , Dichte ,Temperatur, usw.) in einer Substanz.

Insbesondere konzentriert sich die Thermodynamik weitgehend darauf, wie a Wärmeübertragung bezieht sich auf verschiedene Energieänderungen innerhalb eines physikalischen Systems, das einem thermodynamischen Prozess unterzogen wird. Solche Prozesse führen normalerweise zu Arbeit erfolgt durch das System und wird durch die geführt Gesetze der Thermodynamik .

Grundkonzepte der Wärmeübertragung

Im Allgemeinen wird die Wärme eines Materials als Darstellung der Energie verstanden, die in den Partikeln dieses Materials enthalten ist. Dies ist bekannt als die Kinetische Gastheorie , obwohl das Konzept in unterschiedlichem Maße auch auf Feststoffe und Flüssigkeiten zutrifft. Die Wärme aus der Bewegung dieser Partikel kann auf verschiedene Weise auf benachbarte Partikel und damit auf andere Teile des Materials oder andere Materialien übertragen werden:

• Thermischer Kontakt ist, wenn zwei Substanzen die Temperatur des anderen beeinflussen können.
• Thermisches Gleichgewicht ist, wenn zwei Stoffe in thermischem Kontakt keine Wärme mehr übertragen.
• Wärmeausdehnung findet statt, wenn ein Stoff sein Volumen ausdehnt, wenn er Wärme aufnimmt. Es gibt auch eine thermische Kontraktion.
• Leitung ist, wenn Wärme durch einen erhitzten Körper fließt.
• Konvektion ist, wenn erhitzte Teilchen Wärme auf eine andere Substanz übertragen, z. B. wenn etwas in kochendem Wasser gekocht wird.
• Strahlung ist, wenn Wärme durch elektromagnetische Wellen übertragen wird, beispielsweise von der Sonne.
• Isolierung ist, wenn ein schwach leitendes Material verwendet wird, um eine Wärmeübertragung zu verhindern.

Thermodynamische Prozesse

Ein System durchläuft a thermodynamischer Prozess wenn es innerhalb des Systems zu einer energetischen Änderung kommt, die im Allgemeinen mit Änderungen des Drucks, des Volumens, der inneren Energie (dh der Temperatur) oder jeglicher Art von Wärmeübertragung verbunden ist.

Es gibt mehrere spezifische Arten von thermodynamischen Prozessen, die besondere Eigenschaften haben:

• Adiabatischer Prozess - ein Prozess ohne Wärmeübertragung in das oder aus dem System.
• Isochorischer Prozess - ein Prozess ohne Volumenänderung, in diesem Fall arbeitet das System nicht.
• Isobarer Prozess - ein Vorgang ohne Druckänderung.
• Isothermer Prozess - ein Prozess ohne Temperaturänderung.

Aggregatzustände

Ein Materiezustand ist eine Beschreibung der Art der physikalischen Struktur, die eine materielle Substanz aufweist, mit Eigenschaften, die beschreiben, wie das Material zusammenhält (oder nicht). Da sind fünf Aggregatzustände , obwohl nur die ersten drei von ihnen normalerweise in der Art und Weise enthalten sind, wie wir über Zustände von Materie nachdenken:

• Gas
• Flüssigkeit
• fest
• Plasma
• superflüssig (wie z Bose-Einstein-Kondensat )

Viele Substanzen können zwischen der gasförmigen, flüssigen und festen Phase der Materie übergehen, während nur wenige seltene Substanzen bekanntermaßen in der Lage sind, in einen supraflüssigen Zustand überzugehen. Plasma ist ein bestimmter Zustand der Materie, wie z. B. ein Blitz

• Kondensation - Gas zu Flüssigkeit
• Einfrieren - flüssig bis fest
• Schmelzen - fest bis flüssig
• Sublimation - fest bis gasförmig
• Verdampfung - flüssig oder fest zu Gas

Wärmekapazität

Die Wärmekapazität, C , eines Objekts ist das Verhältnis der Wärmeänderung (Energieänderung, Δ Q , wobei das griechische Symbol Delta, Δ, eine Änderung der Menge bezeichnet) zur Änderung der Temperatur (Δ T ).

C = D Q / D T

Die Wärmekapazität eines Stoffes gibt an, wie leicht sich ein Stoff erwärmt. EIN guter Wärmeleiter hätte ein geringe Wärmekapazität , was darauf hinweist, dass eine kleine Energiemenge eine große Temperaturänderung verursacht. Ein guter Wärmeisolator hätte eine große Wärmekapazität, was darauf hindeutet, dass für eine Temperaturänderung viel Energieübertragung erforderlich ist.

Ideale Gasgleichungen

Es gibt verschiedene Ideale Gasgleichungen die Temperatur beziehen ( T ₁), Druck ( P ₁) und Volumen ( IN ₁). Diese Werte nach einer thermodynamischen Änderung werden durch ( T _zwei), ( P _zwei), und ( IN _zwei). Für eine bestimmte Menge eines Stoffes n (gemessen in Mol) gelten folgende Beziehungen:

Boyles Gesetz ( T ist konstant):
P ₁ IN ₁= P _zwei IN _zwei
Charles/Gay-Lussac-Gesetz ( P ist konstant):
IN ₁/ T ₁= IN _zwei/ T _zwei
Ideales Gasgesetz :
P ₁ IN ₁/ T ₁= P _zwei IN _zwei/ T _zwei= n

R ist der ideale Gaskonstante , R = 8,3145 J/mol*K. Für eine gegebene Stoffmenge gilt also n konstant ist, was das ideale Gasgesetz ergibt.

Gesetze der Thermodynamik

• Nullter Hauptsatz der Thermodynamik - Zwei Systeme jeweils im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten System stehen im thermischen Gleichgewicht zueinander.
• Erster Hauptsatz der Thermodynamik - Die Änderung der Energie eines Systems ist die Energiemenge, die dem System zugeführt wird, abzüglich der Energie, die für die Arbeit aufgewendet wird.
• Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik - Es ist unmöglich, dass ein Prozess als einziges Ergebnis die Übertragung von Wärme von einem kühleren Körper auf einen wärmeren hat.
• Dritter Hauptsatz der Thermodynamik - Es ist unmöglich, irgendein System in einer endlichen Reihe von Operationen auf den absoluten Nullpunkt zu reduzieren. Das bedeutet, dass keine perfekt effiziente Wärmekraftmaschine geschaffen werden kann.

Das zweite Gesetz & Entropie

Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik kann neu formuliert werden, um darüber zu sprechen Entropie , die ein quantitatives Maß für die Unordnung in einem System ist. Die Wärmeänderung dividiert durch die Absolute Temperatur ist der Entropieänderung des Prozesses. So definiert, kann der Zweite Hauptsatz wie folgt umformuliert werden:

In jedem geschlossenen System bleibt die Entropie des Systems entweder konstant oder nimmt zu.

Durch ' geschlossenes System ' bedeutet das jeder Ein Teil des Prozesses wird in die Berechnung der Entropie des Systems einbezogen.

Mehr über Thermodynamik

In gewisser Weise ist es irreführend, die Thermodynamik als eigenständige Disziplin der Physik zu behandeln. Die Thermodynamik berührt praktisch alle Bereiche der Physik, von der Astrophysik bis zur Biophysik, da sie sich alle in irgendeiner Weise mit der Energieänderung in einem System befassen. Ohne die Fähigkeit eines Systems, Energie innerhalb des Systems zu verwenden, um Arbeit zu verrichten – das Herzstück der Thermodynamik – gäbe es für Physiker nichts zu studieren.

Abgesehen davon verwenden einige Bereiche die Thermodynamik nebenbei, wenn sie andere Phänomene untersuchen, während es eine Vielzahl von Bereichen gibt, die sich stark auf die beteiligten thermodynamischen Situationen konzentrieren. Hier sind einige der Teilgebiete der Thermodynamik:

Kryophysik / Kryotechnik / Tieftemperaturphysik- das Studium der physikalische Eigenschaften in Niedrigtemperatursituationen weit unter den Temperaturen, die selbst in den kältesten Regionen der Erde auftreten. Ein Beispiel hierfür ist die Untersuchung von Supraflüssigkeiten. Strömungsdynamik / Strömungsmechanik- die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von „Flüssigkeiten“, die in diesem Fall speziell als Flüssigkeiten und Gase definiert sind. Hochdruckphysik- das Studium der Physik in Systemen mit extrem hohem Druck, im Allgemeinen im Zusammenhang mit der Fluiddynamik. Meteorologie / Wetterphysik- die Physik des Wetters, Drucksysteme in der Atmosphäre usw. Plasmaphysik- das Studium der Materie im Plasmazustand.