Una panoramica della termodinamica
La fisica del calore
Una barra di metallo riscaldata. Dave King/Getty Images
La termodinamica è il campo della fisica che si occupa del rapporto tra calore e altre proprietà (come pressione , densità ,temperatura, ecc.) in una sostanza.
In particolare, la termodinamica si concentra principalmente su come a trasferimento di calore è correlato a vari cambiamenti di energia all'interno di un sistema fisico sottoposto a un processo termodinamico. Tali processi di solito si traducono in opera fatto dal sistema e sono guidati dal leggi della termodinamica .
Concetti di base del trasferimento di calore
In generale, il calore di un materiale è inteso come una rappresentazione dell'energia contenuta all'interno delle particelle di quel materiale. Questo è noto come il teoria cinetica dei gas , sebbene il concetto si applichi in varia misura anche a solidi e liquidi. Il calore del movimento di queste particelle può trasferirsi in particelle vicine, e quindi in altre parti del materiale o altri materiali, attraverso una varietà di mezzi:
- Contatto Termico è quando due sostanze possono influenzare la temperatura dell'altro.
- Equilibrio termale è quando due sostanze a contatto termico non trasferiscono più calore.
- Dilatazione termica avviene quando una sostanza si espande di volume mentre guadagna calore. Esiste anche la contrazione termica.
- Conduzione è quando il calore scorre attraverso un solido riscaldato.
- Convezione è quando le particelle riscaldate trasferiscono il calore a un'altra sostanza, come cucinare qualcosa in acqua bollente.
- Radiazione è quando il calore viene trasferito attraverso onde elettromagnetiche, come ad esempio dal sole.
- Isolamento è quando viene utilizzato un materiale a bassa conduttività per impedire il trasferimento di calore.
Processi termodinamici
Un sistema subisce a processo termodinamico quando c'è una sorta di cambiamento energetico all'interno del sistema, generalmente associato a variazioni di pressione, volume, energia interna (cioè temperatura) o qualsiasi tipo di trasferimento di calore.
Esistono diversi tipi specifici di processi termodinamici che hanno proprietà speciali:
- Processo adiabatico - un processo senza trasferimento di calore in entrata o in uscita dal sistema.
- Processo isocoro - un processo senza variazione di volume, nel qual caso il sistema non funziona.
- Processo isobarico - un processo senza variazione di pressione.
- Processo isotermico - un processo senza variazioni di temperatura.
Stati della materia
Uno stato della materia è una descrizione del tipo di struttura fisica che manifesta una sostanza materiale, con proprietà che descrivono come il materiale tiene insieme (o non lo fa). Ci sono cinque stati della materia , sebbene solo i primi tre siano solitamente inclusi nel modo in cui pensiamo agli stati della materia:
- gas
- liquido
- solido
- plasma
- superfluido (come a Condensato di Bose-Einstein )
Molte sostanze possono passare dalle fasi gassosa, liquida e solida della materia, mentre solo poche sostanze rare sono note per essere in grado di entrare in uno stato superfluido. Il plasma è uno stato distinto della materia, come il fulmine
- condensazione - da gas a liquido
- congelamento - da liquido a solido
- fusione - da solido a liquido
- sublimazione - da solido a gas
- vaporizzazione - da liquido o da solido a gas
Capacità termica
La capacità termica, C , di un oggetto è il rapporto tra la variazione di calore (cambiamento di energia, Δ Q , dove il simbolo greco Delta, Δ, denota una variazione della quantità) per variare la temperatura (Δ T ).
C = d Q / D T
La capacità termica di una sostanza indica la facilità con cui una sostanza si riscalda. UN buon conduttore termico avrebbe un bassa capacità termica , indicando che una piccola quantità di energia provoca un grande cambiamento di temperatura. Un buon isolante termico avrebbe una grande capacità termica, indicando che è necessario molto trasferimento di energia per un cambiamento di temperatura.
Equazioni dei gas ideali
Ci sono vari equazioni dei gas ideali che riguardano la temperatura ( T 1), pressione ( P 1) e volume ( IN 1). Questi valori dopo una variazione termodinamica sono indicati da ( T Due), ( P Due), e ( IN Due). Per una data quantità di una sostanza, n (misurato in moli), valgono le seguenti relazioni:
Legge di Boyle ( T è costante):
P 1 IN 1= P Due IN Due
Legge Charles/Gay-Lussac ( P è costante):
IN 1/ T 1= IN Due/ T Due
Legge del gas ideale :
P 1 IN 1/ T 1= P Due IN Due/ T Due= n
R è il costante del gas ideale , R = 8,3145 J/mol*K. Per una data quantità di materia, quindi, n è costante, che dà la legge del gas ideale.
Leggi della termodinamica
- Legge zero della termodinamica - Due sistemi ciascuno in equilibrio termico con un terzo sistema sono in equilibrio termico tra loro.
- Primo principio della termodinamica - La variazione dell'energia di un sistema è la quantità di energia aggiunta al sistema meno l'energia spesa per il lavoro.
- Secondo principio della termodinamica - È impossibile che un processo abbia come unico risultato il trasferimento di calore da un corpo più freddo a uno più caldo.
- Terzo principio della termodinamica - È impossibile ridurre un sistema allo zero assoluto in una serie finita di operazioni. Ciò significa che non è possibile creare un motore termico perfettamente efficiente.
La seconda legge e l'entropia
La seconda legge della termodinamica può essere riformulata per parlare entropia , che è una misura quantitativa del disturbo in un sistema. La variazione di calore divisa per il temperatura assoluta è il cambiamento di entropia del processo. Così definita, la Seconda Legge può essere riformulata come:
In qualsiasi sistema chiuso, l'entropia del sistema rimarrà costante o aumenterà.
Di ' sistema chiuso ' significa che ogni parte del processo è inclusa nel calcolo dell'entropia del sistema.
Maggiori informazioni sulla termodinamica
In un certo senso, trattare la termodinamica come una disciplina distinta della fisica è fuorviante. La termodinamica tocca praticamente tutti i campi della fisica, dall'astrofisica alla biofisica, perché tutti si occupano in qualche modo del cambiamento di energia in un sistema. Senza la capacità di un sistema di utilizzare l'energia all'interno del sistema per svolgere il lavoro, il cuore della termodinamica, non ci sarebbe nulla da studiare per i fisici.
Detto questo, ci sono alcuni campi che usano la termodinamica di sfuggita mentre studiano altri fenomeni, mentre ci sono un'ampia gamma di campi che si concentrano fortemente sulle situazioni termodinamiche coinvolte. Ecco alcuni dei sottocampi della termodinamica: