Kas Yra Termodinamika?

{h1}

Termodinamika yra fizikos šaka, nagrinėjanti šilumos ir kitų energijos rūšių ryšius.

Termodinamika yra fizikos šaka, nagrinėjanti šilumos ir kitų energijos rūšių ryšius. Visų pirma, jame aprašoma, kaip šiluminė energija virsta kitomis energijos rūšimis ir iš jų, ir kaip ji veikia materiją.

Šilumos energija yra energija, kurią medžiaga ar sistema turi dėl savo temperatūros, t. Y. Judančių ar vibruojančių molekulių energija, teigiama Teksaso švietimo agentūros tinklalapyje „Energy Education“. Misūrio Pietų valstijos universiteto fizikos profesorius Davidas McKee sako, kad termodinamika apima šios energijos matavimą, o tai gali būti „be galo sudėtinga“. "Sistemos, kurias mes tyrinėjame termodinamikoje... susideda iš labai daug atomų ar molekulių, sąveikaujančių sudėtingais būdais. Bet jei šios sistemos atitinka tinkamus kriterijus, kuriuos mes vadiname pusiausvyra, juos galima apibūdinti atliekant labai nedaug matavimų ar skaičiai. Dažnai tai idealizuojama kaip sistemos masė, sistemos slėgis ir sistemos tūris ar kitas lygiavertis skaičių rinkinys. Trys skaičiai apibūdina 1026 arba 1030 vardiniai nepriklausomi kintamieji ".

Šiluma

Taigi termodinamika yra susijusi su keliomis medžiagos savybėmis; tarp jų svarbiausia yra šiluma. Kaip rašo „Energy Education“, šiluma yra energija, perduodama tarp medžiagų ar sistemų dėl temperatūrų skirtumo tarp jų. Kaip energijos rūšis, šiluma yra išsaugoma, t. Y. Jos negalima nei sukurti, nei sunaikinti. Tačiau ją galima perkelti iš vienos vietos į kitą. Šilumą taip pat galima paversti ir kitų rūšių energija. Pavyzdžiui, garų turbina gali paversti šilumą kinetine energija, kad būtų paleistas generatorius, kuris kinetinę energiją paverčia elektros energija. Lemputė gali šią elektros energiją paversti elektromagnetine spinduliuote (šviesa), kuri, absorbuota paviršiaus, virsta šiluma.

Temperatūra

Medžiagos perduodamos šilumos kiekis priklauso nuo judamų atomų ar molekulių greičio ir skaičiaus, teigia „Energy Education“. Kuo greičiau atomai ar molekulės juda, tuo aukštesnė temperatūra ir kuo daugiau judančių atomų ar molekulių, tuo didesnis šilumos kiekis jie perduodami.

Temperatūra yra „dalelių, esančių materijos pavyzdyje, vidutinės kinetinės energijos matas, išreikštas vienetais arba laipsniais, pažymėtais standartine skale“, - teigiama Amerikos paveldo žodyne. Dažniausiai naudojama temperatūros skalė yra Celsijaus laipsnis, pagrįstas vandens užšalimo ir virimo taškais, priskiriant atitinkamas vertes 0 laipsnių C ir 100 laipsnių C. Farenheito skalė taip pat pagrįsta vandens užšalimo ir virimo taškais, kuriems priskyrė vandens temperatūrą. vertės atitinkamai 32 F ir 212 F.

Vis dėlto viso pasaulio mokslininkai naudoja Kelvino skalę (K be laipsnio ženklo), pavadintą Williamo Thomsono, pirmojo barono Kelvino, vardu, nes ji veikia skaičiavimuose. Ši skalė naudoja tą patį padidėjimą kaip ir Celsijaus skalė, ty 1 C temperatūros pokytis yra lygus 1 K. Tačiau Kelvino skalė prasideda nuo absoliučios nulio, temperatūros, kurioje visiškai nėra šilumos energijos ir visos molekulinės. judesys sustoja. 0 K temperatūra yra lygi minus 459,67 F arba minus 273,15 C.

Savitoji šiluma

Šilumos kiekis, reikalingas tam tikru kiekiu padidinti tam tikros medžiagos masės temperatūrą, pagal „Wolfram Research“ duomenis vadinamas specifine šiluma arba specifine šilumos talpa. Įprastas vienetas yra kalorijos grame / kelvinas. Kalorija yra apibrėžiama kaip šilumos energijos kiekis, reikalingas 1 gramo vandens temperatūrai pakelti 4° C 1 laipsniu.

Specifinė metalo šiluma beveik visiškai priklauso nuo mėginio atomų skaičiaus, o ne nuo jo masės. Pavyzdžiui, kilogramas aliuminio gali sugerti maždaug septynis kartus daugiau šilumos nei kilogramas švino. Tačiau švino atomai gali sugerti tik apie 8 procentus daugiau šilumos nei lygus skaičius aliuminio atomų. Tačiau duota vandens masė gali sugerti beveik penkis kartus daugiau šilumos nei lygi aliuminio masė. Specifinė dujų šiluma yra sudėtingesnė ir priklauso nuo to, ar jos matuojamos esant pastoviam slėgiui, ar pastoviam tūriui.

Šilumos laidumas

Šilumos laidumas (k) yra „greitis, kuriuo šiluma praeina per nurodytą medžiagą, išreikšta šilumos kiekiu, tekančiu per laiko vienetą per vieneto plotą, kai temperatūros gradientas yra vienas laipsnis atstumo vienetui“, - rašoma Oksfordo žodyne. Vienetas k yra vatais (W) vienam metrui (m) vienam kelvinui (K). Vertės k metalams, tokiems kaip varis ir sidabras, santykinai yra atitinkamai 401 ir 428 W / m · K. Ši savybė daro šias medžiagas naudingas automobilių radiatoriams ir kompiuterių lustų aušinimo pelekams, nes jos gali greitai išnešti šilumą ir pasikeisti ja su aplinka. Didžiausia vertė k bet kurioms natūralioms medžiagoms yra deimantas, kurio temperatūra 2200 W / m · K.

Kitos medžiagos yra naudingos, nes jos yra ypač prasti šilumos laidininkai; ši savybė minima kaip šiluminė varža, arba Rvertė, kuri apibūdina greitį, kuriuo šiluma perduodama per medžiagą. Šios medžiagos, tokios kaip akmens vata, žąsis ir putų putplastis, naudojamos išorinių pastatų sienų, žieminių paltų ir šiltų kavos puodelių izoliacijai. R- vertė yra nurodoma kvadratinių pėdų vienetais, Farenheito laipsniais, valandomis, už Britanijos šiluminį vienetą (pėd2·° F · h / Btu) už 1 colio storio plokštę.

Niutono aušinimo dėsnis

1701 m. Seras Isaacas Newtonas pirmą kartą paskelbė savo vėsinimo įstatymą trumpame straipsnyje „Scala graduum Caloris“ („Šilumos laipsnių skalė“), pateiktuose Karališkosios draugijos filosofiniuose sandoriuose. Niutono pasakymas apie įstatymą iš originalo lotynų kalbos reiškia, kad „šilumos laipsnių perteklius... buvo geometrine progresija, kai laikai eina aritmetiniu progresu“. Worcesterio politechnikos institutas pateikia modernesnę įstatymo versiją, nes „temperatūros pokyčio greitis yra proporcingas objekto ir jį supančios aplinkos temperatūros skirtumui“.

Tai lemia eksponentinį temperatūrų skirtumo sumažėjimą. Pvz., Jei šiltas daiktas dedamas į šaltą vonią per tam tikrą laiką, jų temperatūrų skirtumas sumažės per pusę. Tada per tą patį laiką likęs skirtumas vėl sumažės per pusę. Šis pakartotinis temperatūros skirtumo sumažėjimas per pusę bus tęsiamas vienodais laiko tarpais, kol jis taps per mažas išmatuoti.

Šilumos perdavimas

Šiluma gali būti perduodama iš vieno kūno į kitą arba tarp kūno ir aplinkos trimis skirtingais būdais: laidumu, konvekcija ir radiacija. Laidumas yra energijos perdavimas per tvirta medžiaga. Laidumas tarp kūnų atsiranda, kai jie yra tiesioginiame kontakte, o molekulės perduoda savo energiją per sąsają.

Konvekcija yra šilumos perdavimas į skystą terpę arba iš jos. Dujose ar skystyje esančios molekulės, liečiančios kietą kūną, perduoda ar absorbuoja šilumą į tą kūną arba iš jo, o paskui tolsta, leisdamos kitoms molekulėms judėti į vietą ir pakartoti procesą. Efektyvumą galima padidinti padidinant šildomo ar aušinamo paviršiaus plotą, kaip ir naudojant radiatorių, ir verčiant skysčius judėti virš paviršiaus, kaip ir naudojant ventiliatorių.

Spinduliuotė yra elektromagnetinės (EM) energijos, ypač infraraudonųjų spindulių fotonų, skleidžiančių šilumos energiją, skleidimas. Visa materija skleidžia ir sugeria tam tikrą EM spinduliuotę, kurios grynasis kiekis lemia, ar tai sukelia šilumos nuostolius, ar padidėja.

Carnot ciklas

1824 m. Nicolas Léonard Sadi Carnot pasiūlė šilumos variklio modelį, pagrįstą vadinamuoju Carnot ciklu. Cikle ištiriami dujų slėgio, tūrio ir temperatūros santykiai ir tai, kaip energijos suvartojimas gali pakeisti formą ir dirbti už sistemos ribų.

Suspaudus dujas, padidėja jų temperatūra, todėl jos tampa karštesnės nei aplinka. Šilumą iš karštų dujų galima pašalinti šilumokaičiu. Tada, atleidus plėtrai, jis atvėsta. Tai yra pagrindinis šilumos siurblių, naudojamų šildymui, oro kondicionavimui ir šaldymui, principas.

Priešingai, kaitinant dujas padidėja jų slėgis, todėl jos išsiplečia. Išplečiamasis slėgis gali būti naudojamas stūmokliui valdyti, tokiu būdu šilumos energiją paverčiant kinetine energija. Tai yra pagrindinis šilumos variklių principas.

Entropija

Visos termodinaminės sistemos generuoja šilumą. Dėl šių atliekų padidėja entropija, kuri, remiantis Amerikos paveldo žodynu, uždarai sistemai yra „kiekybinė šiluminės energijos, kuria negalima dirbti, matas“. Entropija bet kurioje uždaroje sistemoje visada dideja; tai niekada mažėja. Be to, judančios dalys dėl trinties išskiria šilumą, o iš sistemos neišvengiamai sklinda radiacijos šiluma.

Dėl to neįmanoma vadinamųjų nuolatinių judesių mašinų. Misūrio valstijos universiteto fizikos profesorius Siabalas Mitra paaiškina: „Jūs negalite pastatyti variklio, kuris būtų šimtu procentų efektyvus, tai reiškia, kad negalite pastatyti nuolatinio judesio aparato. Tačiau vis dar yra daugybė žmonių, kurie vis dar neturi“. netiki ir yra žmonių, kurie vis dar bando sukurti neterminuotus judesių aparatus “.

Entropija taip pat apibūdinama kaip „sutrikimo ar atsitiktinumo uždaroje sistemoje matas“, kuris taip pat neišvengiamai didėja. Galite maišyti karštą ir šaltą vandenį, tačiau kadangi didelis šilto vandens puodelis yra netvarkingesnis nei du mažesni puodeliai, kuriuose yra karšto ir šalto vandens, niekada negalėsite jo atskirti į šaltą ir šaltą, nepridėdami energijos sistemai. Kitaip tariant, jūs negalite išsukti kiaušinio ar pašalinti grietinėlės iš savo kavos. Nors kai kurie procesai atrodo visiškai grįžtami, praktiškai nė vienas iš jų nėra. Taigi entropija suteikia mums laiko rodyklę: pirmyn yra entropijos didėjimo kryptis.

Keturi termodinamikos dėsniai

Pagrindiniai termodinamikos principai iš pradžių buvo išreikšti trimis įstatymais. Vėliau buvo nustatyta, kad buvo ignoruotas esmingesnis įstatymas, matyt, todėl, kad jis atrodė toks akivaizdus, ​​kad jo nereikėjo aiškiai išdėstyti. Norėdami suformuoti išsamų taisyklių rinkinį, mokslininkai nusprendė įtraukti šį pagrindinį įstatymą. Tačiau problema buvo ta, kad pirmieji trys įstatymai jau buvo sukurti ir buvo gerai žinomi pagal jiems priskirtą skaičių. Susidūręs su galimybe pernumeruoti galiojančius įstatymus, kurie sukeltų didelę painiavą, arba pateikti svarbiausią įstatymą sąrašo gale, kuriam nebūtų logiškos prasmės, sugalvojo britų fizikas Ralphas H. Fowleris. alternatyva, išsprendusi dilemą: naująjį įstatymą jis pavadino „Zeroto įstatymu“. Trumpai tariant, šie įstatymai:

Zeroto įstatymas teigia, kad jei du kūnai yra šiluminėje pusiausvyroje su kokiu nors trečiuoju kūnu, tada jie taip pat yra pusiausvyroje vienas su kitu. Tai nustato temperatūrą kaip pagrindinę ir išmatuojamą materijos savybę.

Pirmasis įstatymas teigiama, kad bendras sistemos energijos padidėjimas yra lygus šiluminės energijos padidėjimui pridėjus prie sistemos atliktą darbą. Tai teigia, kad šiluma yra tam tikros rūšies energija, todėl jai taikomas išsaugojimo principas.

Antrasis įstatymas teigia, kad šilumos energija negali būti perkelta iš kūno, esant žemesnei temperatūrai, į aukštesnės temperatūros kūną, nepridedant energijos. Štai kodėl oro kondicionieriaus eksploatavimas kainuoja pinigus.

Trečiasis įstatymas teigiama, kad gryno kristalo entropija ties absoliučia nuliu yra lygi nuliui. Kaip paaiškinta aukščiau, entropija kartais vadinama „eikvojama energija“, t. Y. Energija, kuri negali atlikti darbo, ir kadangi absoliučioje nulėje nėra šilumos energijos, negali būti švaistomos energijos. Entropija taip pat yra sistemos sutrikimo matas, ir nors tobulas kristalas iš esmės yra puikiai išdėstytas, bet kokia teigiama temperatūros reikšmė reiškia, kad krištolo viduje yra judesys, kuris sukelia sutrikimą. Dėl šių priežasčių negali būti fizinės sistemos su žemesne entropija, todėl entropija visada turi teigiamą vertę.

Termodinamikos mokslas buvo plėtojamas per šimtmečius, jo principai taikomi beveik visiems kada nors išrastiems prietaisams. Negalime pervertinti jo svarbos šiuolaikinėse technologijose.

Papildomi resursai

  • Kai kurie iš didžiausių protų mokslo istorijoje prisidėjo prie termodinamikos vystymosi. Žymių šios srities pionierių sąrašą galima rasti Vaterlo universiteto tinklalapyje.
  • Energijos mokymas yra interaktyvus ugdymo programos priedas vidurinių mokyklų gamtos mokslų studentams.
  • Eriko Weissteino mokslo pasaulyje yra astronomijos, mokslinės biografijos, chemijos ir fizikos enciklopedijos.


Vaizdo Papildas: Fotovoltinė vandens šildymo sistema SolarTech 350 10 MPPT.




Tyrimas


Energiją Taupantis Smegenų Treniruoklis Pralenkia Superkompiuterius
Energiją Taupantis Smegenų Treniruoklis Pralenkia Superkompiuterius

Kaip Gutenbergas Pakeitė Pasaulį
Kaip Gutenbergas Pakeitė Pasaulį

Mokslas Naujienos


Neapsaugotas Nuo Živ: Kaip Jie Tai Daro?
Neapsaugotas Nuo Živ: Kaip Jie Tai Daro?

Seksualus, Sveikas Vyro Kvapas
Seksualus, Sveikas Vyro Kvapas

Ar Dainininkas Gali Sudaužyti Stiklą?
Ar Dainininkas Gali Sudaužyti Stiklą?

Kritikų Iššūkis „Šuns Šnabždesys“ Metodai
Kritikų Iššūkis „Šuns Šnabždesys“ Metodai

Susipažinkite Su „Spot“: Nauja Robotų Šunų Veislė, Kuri Lipta Į Viršų Ir Pasiekiama
Susipažinkite Su „Spot“: Nauja Robotų Šunų Veislė, Kuri Lipta Į Viršų Ir Pasiekiama


LT.WordsSideKick.com
Visos Teisės Saugomos!
Dauginti Jokių Medžiagų Leidžiama Tik Prostanovkoy Aktyvią Nuorodą Į Svetainę LT.WordsSideKick.com

© 2005–2020 LT.WordsSideKick.com