apa itu thermodinamik

sistem termodinamik yang tipikal

Thermodinamik , sains perhubungan antara haba , kerja , suhu , dan tenaga . Dalam istilah yang luas, termodinamik berkaitan dengan pemindahan tenaga dari satu tempat ke tempat lain dan dari satu bentuk ke bentuk lain. Konsep utama ialah haba adalah satu bentuk tenaga sepadan dengan jumlah kerja mekanikal yang pasti.

Haba tidak diiktiraf secara rasmi sebagai bentuk tenaga sehingga kira-kira 1798, apabila jurulatih ketenteraan British Count Benjamin ( Sir Benjamin Thompson ) mendapati bahawa jumlah haba yang tidak terhad dapat dihasilkan dalam membosankan tong meriam dan jumlah haba yang dihasilkan adalah berkadar dengan kerja yang dilakukan dalam mengubah alat membosankan yang membosankan. Pemerhatian Rumford mengenai kekompadanan antara haba yang dihasilkan dan kerja dilakukan terletak pada asas termodinamik. Satu lagi perintis ialah jurutera ketenteraan PerancisSadi Carnot , yang memperkenalkan konsep kitaran enjin haba dan prinsip kebolehulangan pada tahun 1824. Karya Carnot membayangkan batasan pada jumlah maksimum kerja yang boleh diperolehi daripada enjin stim yang beroperasi dengan pemindahan haba suhu tinggi sebagai penggerak. Pada abad yang lalu, idea-idea ini telah dibangunkan oleh Rudolf Clausius , ahli matematik dan fizik Jerman, masing-masing menjadi undang-undang termodinamik pertama dan kedua.

Undang-undang termodinamik yang paling penting ialah:

• The undang-undang termodinamik zeroth. Apabila dua sistem masing-masing masuk keseimbangan termal dengan sistem ketiga, dua sistem pertama berada dalam keseimbangan terma antara satu sama lain. Harta ini menjadikannya bermakna untuk menggunakan termometer sebagai "sistem ketiga" dan untuk menentukan skala suhu.

• Undang-undang termodinamik pertama, atau undang-undang pemuliharaan tenaga. Perubahan dalam tenaga dalaman sistem adalah sama dengan perbezaan antara haba yang ditambahkan kepada sistem dari persekitarannya dan kerja yang dilakukan oleh sistem pada persekitarannya.

• Undang-undang termodinamik kedua. Haba tidak mengalir secara spontan dari rantau yang lebih sejuk ke rantau yang lebih panas, atau, secara bersamaan, haba pada suhu tertentu tidak boleh ditukar sepenuhnya ke dalam kerja. Oleh itu, entropi sistem tertutup, atau tenaga haba per unit suhu, meningkat dari masa ke masa ke arah nilai maksimum. Oleh itu, semua sistem yang tertutup cenderung ke arah keadaan keseimbangan di mana entropi berada pada maksimum dan tiada tenaga yang tersedia untuk melakukan kerja yang berguna.Asimetri ini antara proses ke hadapan dan ke belakang menimbulkan apa yang dikenali sebagai "panah masa."

• Undang-undang termodinamik ketiga. Entropi kristal sempurna elemen dalam bentuk yang paling stabil cenderung kepada sifar sebagai suhu menghampiri sifar mutlak . Ini membolehkan skala mutlak bagi entropi untuk ditubuhkan yang, dari sudut pandang statistik , menentukan tahap rawak atau gangguan dalam sistem.

Walaupun termodinamik berkembang pesat pada abad ke-19 sebagai tindak balas kepada keperluan untuk mengoptimumkan prestasi enjin stim, keluasan undang-undang termodinamik yang menyapu menjadikannya terpakai kepada semua sistem fizikal dan biologi. Khususnya, undang-undang termodinamik memberikan penerangan lengkap tentang semua perubahan dalam keadaantenaga sistem mana-mana dan keupayaannya untuk melaksanakan kerja yang berguna pada persekitarannya.

Artikel ini merangkumi termodinamik klasik, yang tidak melibatkan pertimbangan atom atau molekul individu. Kebimbangan sedemikian adalah tumpuan cawangan termodinamik yang dikenali sebagai termodinamik statistik, atau mekanik statistik , yang menyatakan sifat termodinamik makroskopik dari segi perilaku zarah individu dan interaksi mereka. Ia mempunyai akarnya di bahagian akhir abad ke-19, ketika teori atom dan molekul materi mulai diterima secara umum.

BACA LEBIH LANJUT MENGENAI TOPIK INI

falsafah fizik: Termodinamik

Satu ringkas, kuat, dan umum mengenai masa asimetri proses fizikal biasa secara beransur-ansur disusun bersama dalam perkembangan abad ke-19 sains termodinamik .

Konsep Asas

Thermodynamic negeri

Penerapan prinsip-prinsip termodinamik bermula dengan mendefinisikan suatu sistem yang dalam keadaan tertentu berbeza dari persekitarannya. Sebagai contoh, sistem itu boleh menjadi sampel gas di dalam silinder dengan piston bergerak, enjin wapkeseluruhan, pelari maraton , planet Bumi , bintang neutron , lubang hitam , atau seluruh alam semesta . Pada amnya, sistem bebas untuk menukar haba , kerja , dan tenaga lain dengan persekitaran mereka.

Keadaan sistem pada masa tertentu dipanggil keadaan termodinamiknya. Untuk gas dalam silinder dengan movable omboh, keadaan sistem itu dikenal pasti oleh suhu , tekanan , dan isipadu gas. Ciri-ciri ini adalah parameter ciri yang mempunyai nilai-nilai tertentu di setiap negeri dan tidak bergantung kepada cara sistem tiba di negara itu. Dalam erti kata lain, apa-apa perubahan nilai sesuatu harta hanya bergantung pada keadaan awal dan akhir sistem, bukan pada laluan yang diikuti oleh sistem dari satu negara ke negara lain. Ciri-ciri sedemikian dinamakan fungsi negara.Sebaliknya, kerja yang dilakukan sebagai piston bergerak dan gas mengembang dan haba gas menyerap dari persekitarannya bergantung pada cara terperinci di mana pembesaran berlaku.

Tingkah laku sistem termodinamik kompleks, seperti atmosfera bumi, dapat difahami dengan terlebih dahulu menggunakan prinsip-prinsip negeri dan sifat-sifat kepada bahagian komponennya-dalam kes ini, air , wap air, dan pelbagai gas yang membentuk atmosfera.Dengan mengasingkan sampel bahan yang menyatakan dan sifatnya boleh dikawal dan dimanipulasi, sifat dan hubungannya boleh dikaji apabila sistem berubah dari keadaan ke negeri.

Thermodynamic keseimbangan

Konsep yang sangat penting ialah keseimbangan termodinamik, di mana tidak ada kecenderungan untuk keadaan sistem berubah secara spontan. Sebagai contoh, gas dalam silinder dengan omboh bergerak akan berada pada keseimbangan jika suhu dan tekanan di dalamnya seragam dan jika daya penahan pada omboh hanya mencukupi untuk tidak bergerak. Sistem ini kemudiannya boleh dibuat untuk berubah ke keadaan baru hanya dengan perubahan luar yang dikenakan dalam salah satu fungsi negara, seperti suhu dengan menambahkan haba atau volum dengan menggerakkan omboh. Urutan satu atau lebih langkah sedemikian yang menghubungkan keadaan sistem yang berlainan dipanggil a proses.Secara umumnya, sistem tidak berada dalam keseimbangan kerana ia menyesuaikan diri dengan perubahan mendadak dalam persekitarannya . Sebagai contoh, apabila belon pecah, gas mampat di dalam tiba-tiba jauh dari keseimbangan, dan ia berkembang dengan pantas sehingga mencapai keadaan keseimbangan baru.Walau bagaimanapun, keadaan akhir yang sama dapat dicapai dengan meletakkan gas termampat yang sama dalam silinder dengan piston bergerak dan memohon urutan banyak kenaikan kecil dalam jumlah (dan suhu), dengan sistem diberi masa untuk datang ke keseimbangan selepas setiap kecil kenaikan. Proses sedemikian dikatakan sebagai boleh diterbalikkan kerana sistem berada pada (atau dekat) keseimbangan pada setiap langkah di sepanjang jalannya, dan arah perubahan dapat diterbalikkan pada setiap titik.Contoh ini menggambarkan bagaimana dua laluan yang berbeza dapat menghubungkan keadaan awal dan akhir yang sama. Yang pertama ialah tidak dapat dipulihkan (letusan belon), dan yang kedua adalah terbalik. Konsep proses boleh balik adalah sesuatu seperti gerakan tanpa geseran dalam mekanik . Ia mewakili kes penghadaman yang ideal yang sangat berguna dalam membincangkan sifat-sifat sistem sebenar. Kebanyakan hasil termodinamik diperoleh daripada sifat-sifat proses yang boleh diterbalikkan.

Suhu

Konsep suhu adalah asas kepada perbincangan mengenai termodinamik, tetapi definisi yang tepat bukanlah perkara yang mudah. Sebagai contoh, rod keluli terasa sejuk daripada rod kayupada suhu bilik kerana keluli lebih baik untuk mengendalikan haba dari kulit . Oleh itu, perlu mempunyai cara yang objektif untuk mengukur suhu. Secara umum, apabila dua objek dibawa ke sentuhan haba, haba akan mengalir di antara mereka sehingga mereka masuk ke keseimbangan antara satu sama lain. Apabila aliran haba berhenti, mereka dikatakan berada pada suhu yang sama.Hukum zeroth termodinamik merumuskan ini dengan menegaskan bahawa jika objek A berada dalam keseimbangan terma serentak dengan dua objek lain B dan C , maka B dan C akan berada dalam keseimbangan termal antara satu sama lain jika dibawa ke dalam hubungan terma. Objek A kemudian dapat memainkan peranan termometer melalui beberapa perubahan sifat fizikalnya dengan suhu, seperti isipadu atau rintangan elektriknya .

Dengan definisi kesamaan suhu di tangan, adalah mungkin untuk menubuhkan skala suhu dengan menyerahkan nilai-nilai berangka ke titik-titik tetap tertentu yang boleh diperbaiki. Sebagai contoh, dalam Skala suhu Celcius (° C) , titik beku air tulen diberikan sewenang-wenangnya suhu 0 ° C dan titik didih air bernilai 100 ° C (dalam kedua-dua kes pada 1 suasana standard; lihat tekanan atmosfera ). Di dalam Skala suhu Fahrenheit (° F) , masing-masing dua mata diberikan nilai-nilai 32 ° F dan 212 ° F, masing-masing.Disana ada skala suhu mutlak yang berkaitan dengan undang-undang termodinamik kedua. Skala mutlak yang berkaitan dengan skala Celsius dipanggil Skala Kelvin (K), dan yang berkaitan dengan skala Fahrenheit dipanggil Skala Rankine (° R). Skala ini dikaitkan dengan persamaan K = ° C + 273.15, ° R = ° F + 459.67, dan ° R = 1.8 K. Zero dalam kedua-dua skala Kelvin dan Rankine berada pada sifar mutlak