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Thermodynamikübersicht und Grundkonzepte

Die Thermodynamik ist das Gebiet der Physik. das sich mit der Beziehung zwischen Wärme und anderen Eigenschaften (wie Druck. Dichte. Temperatur usw.) in einer Substanz befasst.

Insbesondere konzentriert sich die Thermodynamik weitgehend darauf, wie eine Wärmeübertragung mit verschiedenen Energieänderungen innerhalb eines physikalischen Systems zusammenhängt, das einen thermodynamischen Prozess durchläuft. Solche Prozesse führen normalerweise dazu, dass die Arbeit  vom System ausgeführt wird, und richten sich nach den Gesetzen der Thermodynamik .

 

Grundlegende Konzepte der Wärmeübertragung

Im Allgemeinen wird die Wärme eines Materials als Darstellung der Energie verstanden, die in den Partikeln dieses Materials enthalten ist. Dies ist als kinetische Theorie der Gase bekannt. obwohl das Konzept in unterschiedlichem Maße auch für Feststoffe und Flüssigkeiten gilt. 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 ist, wenn zwei Substanzen die Temperatur des anderen beeinflussen können.
  • Thermisches Gleichgewicht ist, wenn zwei Substanzen in thermischem Kontakt keine Wärme mehr übertragen.
  • Die Wärmeausdehnung findet statt, wenn sich das Volumen eines Stoffes bei Wärmegewinnung ausdehnt. Es besteht auch eine Wärmekontraktion.
  • Wärmeleitung 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 ist, wenn Wärme durch elektromagnetische Wellen, beispielsweise von der Sonne, übertragen wird.
  • Isolierung ist, wenn ein schlecht leitendes Material verwendet wird, um eine Wärmeübertragung zu verhindern.

 

Thermodynamische Prozesse

Ein System durchläuft einen thermodynamischen Prozess, wenn innerhalb des Systems eine energetische Änderung auftritt, die im Allgemeinen mit Änderungen des Drucks, des Volumens, der inneren Energie (dh der Temperatur) oder einer Wärmeübertragung verbunden ist.

Es gibt verschiedene Arten von thermodynamischen Prozessen mit besonderen Eigenschaften:

 

Aggregatzustände

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). Es gibt fünf Materiezustände. obwohl normalerweise nur die ersten drei in der Art und Weise enthalten sind, wie wir über Materiezustände denken:

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

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

 

Wärmekapazität

Die Wärmekapazität, C , ein Objekt ist das Verhältnis der Änderung in der Wärme (Energie Änderung Δ Q , wo das griechische Symbol Delta, Δ, eine Änderung in der Menge bezeichnet) zur Temperaturänderung (Δ T ).

CQ / Δ T

Die Wärmekapazität eines Stoffes gibt an, mit welcher Leichtigkeit sich ein Stoff erwärmt. Ein guter Wärmeleiter hätte eine geringe Wärmekapazität. was darauf hinweist, 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.

 

Ideale Gasgleichungen

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

Boyle’sches Gesetz ( T ist konstant):
P 1 V 1= P 2 V 2
Charles / Gay-Lussac-Gesetz ( P ist konstant):
V 1 / T 1= V 2 / T 2
Ideales Gasgesetz :
P 1 V 1 / T. 1= P 2 V 2 / T 2= nR

R ist die ideale Gaskonstante. R=8,3145 J / mol * K. Für eine gegebene Materiemenge ist daher nR konstant, was das ideale Gasgesetz ergibt.

 

Gesetze der Thermodynamik

  • Zeroeth-Gesetz der Thermodynamik. Zwei Systeme, die sich jeweils im thermischen Gleichgewicht mit einem dritten System befinden, 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.

 

Das zweite Gesetz & Entropie

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik kann angepasst werden, um über Entropie zu sprechen , die eine quantitative Messung der Störung in einem System darstellt. Die Änderung der Wärme geteilt durch die absolute Temperatur ist die 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.

Mit “ geschlossenem System. ist gemeint, dass jeder Teil des Prozesses bei der Berechnung der Entropie des Systems berücksichtigt wird.

 

Mehr zur Thermodynamik

In mancher Hinsicht 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 Phänomene zu untersuchen, während es eine breite Palette von Bereichen gibt, die sich stark auf die thermodynamischen Situationen konzentrieren. Hier sind einige der Teilbereiche der Thermodynamik:

  • Kryophysik / Kryotechnik / Niedertemperaturphysik – Untersuchung physikalischer Eigenschaften in Niedertemperatursituationen, die weit unter den Temperaturen liegen, die selbst in den kältesten Regionen der Erde herrschen. Ein Beispiel hierfür ist die Untersuchung von Superfluiden.
  • Fluiddynamik / Fluidmechanik – die Untersuchung der physikalischen Eigenschaften von „Fluiden“, 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.

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