Thermodynamikübersicht und Grundkonzepte

Thermodynamik ist die Bereich der Physik das befasst sich mit der Beziehung zwischen Hitze und andere Eigenschaften (wie z Druck, Dichte, Temperaturusw.) in einem Stoff.

Insbesondere konzentriert sich die Thermodynamik weitgehend darauf, wie a Wärmeübertragung hängt mit verschiedenen Energieänderungen innerhalb eines physikalischen Systems zusammen, das einen thermodynamischen Prozess durchläuft. Solche Prozesse führen normalerweise zu Arbeit vom System durchgeführt werden und von der geleitet werden Gesetze der Thermodynamik.

Im Allgemeinen wird die Wärme eines Materials als Repräsentation der Energie verstanden, die in den Partikeln dieses Materials enthalten ist. Dies ist als bekannt kinetische Theorie der GaseDas Konzept gilt jedoch in unterschiedlichem Maße auch für Feststoffe und Flüssigkeiten. Die Wärme aus der Bewegung dieser Partikel kann auf verschiedene Weise auf nahegelegene Partikel und damit auf andere Teile des Materials oder andere Materialien übertragen werden:

• Wärmekontakt In diesem Fall können sich zwei Substanzen gegenseitig auf die Temperatur auswirken.
• Thermisches Gleichgewicht ist, wenn zwei Substanzen in thermischem Kontakt keine Wärme mehr übertragen.
• Wärmeausdehnung findet statt, wenn ein Stoff sein Volumen erweitert, wenn er Wärme gewinnt. Es besteht auch eine Wärmekontraktion.
• Leitung ist, wenn Wärme durch einen erhitzten Feststoff fließt.
• Konvektion ist, wenn erhitzte Partikel Wärme auf eine andere Substanz übertragen, z. B. etwas in kochendem Wasser kochen.
• Strahlung Dies ist der Fall, wenn Wärme durch elektromagnetische Wellen übertragen wird, z. B. von der Sonne.
• Isolierung ist, wenn ein schlecht leitendes Material verwendet wird, um eine Wärmeübertragung zu verhindern.

Ein System durchläuft a thermodynamischer Prozess wenn es irgendeine Art von energetischer Änderung innerhalb des Systems gibt, die im Allgemeinen mit Änderungen des Drucks, des Volumens, der inneren Energie (d. h. der Temperatur) oder irgendeiner Art von Wärmeübertragung verbunden ist.

Es gibt verschiedene Arten von thermodynamischen Prozessen mit besonderen Eigenschaften:

• Adiabatischer Prozess - ein Prozess ohne Wärmeübertragung in oder aus dem System.
• Isochorischer Prozess - Ein Prozess ohne Volumenänderung. In diesem Fall funktioniert das System nicht.
• Isobarer Prozess - ein Prozess ohne Druckänderung.
• Isothermer Prozess - ein Prozess ohne Temperaturänderung.

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

• Gas
• Flüssigkeit
• solide
• Plasma
• Superfluid (wie a Bose-Einstein-Kondensat)

Viele Substanzen können zwischen der gasförmigen, flüssigen und festen Phase der Materie übergehen, während nur wenige seltene Substanzen bekanntermaßen in einen superfluiden Zustand gelangen können. Plasma ist ein bestimmter Materiezustand wie ein Blitz

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

Die Wärmekapazität, C.eines Objekts ist das Verhältnis der Wärmeänderung (Energieänderung, ΔQ.wobei das griechische Symbol Delta Δ eine Änderung der Menge bezeichnet, um die Temperatur zu ändern (Δ)T.).

C. = Δ Q. / Δ T.

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

Es gibt verschiedene ideale Gasgleichungen die Temperatur in Beziehung setzen (T.₁), Druck (P.₁) und Volumen (V.₁). Diese Werte nach einer thermodynamischen Änderung sind durch (T.₂), (P.₂), und (V.₂). Für eine bestimmte Menge eines Stoffes n (gemessen in Mol) gelten folgende Beziehungen:

Boyles Gesetz ( T. ist konstant):
P.₁V.₁ = P.₂V.₂
Charles / Gay-Lussac-Gesetz (P. ist konstant):
V.₁/T.₁ = V.₂/T.₂
Ideales Gasgesetz:
P.₁V.₁/T.₁ = P.₂V.₂/T.₂ = nR

R. ist der ideale Gaskonstante, R. = 8,3145 J / mol * K. Für eine gegebene Menge an Materie also nR ist konstant, was das ideale Gasgesetz ergibt.

• Zeroeth-Gesetz der Thermodynamik - Zwei Systeme im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten System befinden sich im thermischen Gleichgewicht zueinander.
• Erster Hauptsatz der Thermodynamik - Die Änderung der Energie eines Systems ist die dem System hinzugefügte Energiemenge abzüglich der für die Arbeit aufgewendeten Energie.
• Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik - Es ist unmöglich, dass ein Prozess die Wärmeübertragung von einem kühleren auf einen heißeren Körper als einziges Ergebnis hat.
• Dritter Hauptsatz der Thermodynamik - Es ist unmöglich, ein System in einer endlichen Reihe von Operationen auf den absoluten Nullpunkt zu reduzieren. Dies bedeutet, dass keine perfekt effiziente Wärmekraftmaschine geschaffen werden kann.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik kann angepasst werden, um darüber zu sprechen EntropieDies ist eine quantitative Messung der Störung in einem System. Die Änderung der Wärme geteilt durch die Absolute Temperatur ist der Entropieänderung des Prozesses. Auf diese Weise definiert, kann das zweite Gesetz wie folgt angepasst werden:

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

Durch "geschlossenes System"es bedeutet das jeden Ein Teil des Prozesses wird bei der Berechnung der Entropie des Systems berücksichtigt.

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 gewisser Weise mit der Änderung der Energie in einem System befassen. Ohne die Fähigkeit eines Systems, Energie innerhalb des Systems für die Arbeit zu nutzen - das Herzstück der Thermodynamik - gibt es für Physiker nichts zu studieren.

Abgesehen davon gibt es einige Bereiche, in denen die Thermodynamik im Vorbeigehen verwendet wird, um andere zu studieren Phänomene, während es eine breite Palette von Bereichen gibt, die sich stark auf die thermodynamischen Situationen konzentrieren beteiligt. Hier sind einige der Teilbereiche der Thermodynamik:

• Kryophysik / Kryotechnik / Niedertemperaturphysik - das Studium der physikalische Eigenschaften in Niedertemperatursituationen weit unter den Temperaturen, die selbst in den kältesten Regionen der Erde herrschen. Ein Beispiel hierfür ist die Untersuchung von Superfluiden.
• Fluiddynamik / Strömungsmechanik - die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von "Flüssigkeiten", die in diesem Fall speziell als Flüssigkeiten und Gase definiert werden.
• Hochdruckphysik - das Studium der Physik in extrem hohen Drucksystemen, 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.