Termodynamik – grundläggande begrepp om värme, energi och temperatur
Termodynamik är en gren av fysiken som studerar förhållandet mellan värme, temperatur och energi. En gren av matematiken som kallas statistik används ofta inom termodynamiken för att undersöka partiklars rörelse. Termodynamiken beskriver hur energi överförs och omvandlas mellan olika former och hur makroskopiska egenskaper hos materia (till exempel temperatur och tryck) hänger samman med mikroskopiska rörelser hos atomer och molekyler.
Termodynamiken är användbar eftersom den hjälper oss att förstå hur världen av mycket små atomer hänger ihop med den storskaliga värld vi ser varje dag. Genom termodynamiska lagar kan man förklara och förutsäga allt från varför is smälter till hur en värmemotor fungerar eller hur stjärnor avger energi.
Termodynamiken har också två huvudgrenar som kallas klassisk termodynamik och statistisk termodynamik. Klassisk termodynamik beskriver system i termer av makroskopiska storheter utan att hänvisa till enskilda partiklar, medan statistisk termodynamik härleder dessa makroskopiska egenskaper ur beteendet hos stora antal partiklar med hjälp av sannolikheter. En viktig idé inom termodynamiken är begreppet termodynamiskt system, som avgränsar den del av verkligheten vi studerar från omgivningen.
Termodynamiska system och egenskaper
Ett exempel på ett termodynamiskt system är en tegelsten. En tegelsten består av många atomer som alla har sina egna egenskaper. Alla termodynamiska system har två typer av egenskaper, extensiva och intensiva. För tegelstenen är de extensiva egenskaperna de som man får genom att addera alla atomer. Saker som volym, energi, massa och laddning är extensiva eftersom två av samma tegelsten tillsammans har dubbelt så mycket massa som en tegelsten. De intensiva egenskaperna hos tegelstenen är de som man får genom att titta på genomsnittet av alla atomer. Saker som temperatur, tryck och densitet är intensiva eftersom två av samma tegelsten fortfarande har samma temperatur som en tegelsten ensam.
Utöver intensiva och extensiva storheter talar man också om systemets tillstånd, som bestäms av ett antal tillståndsvariabler (exempelvis temperatur T, tryck p och volym V). En ekvation som kopplar dessa variabler kallas en tillståndsekvation; ett känt exempel är idealgaslagen.
Värme, arbete och energi
Termodynamiken skiljer mellan värme och arbete som sätt att överföra energi mellan ett system och dess omgivning. Värme (Q) är energi som överförs på grund av temperaturdifferens, medan arbete (W) är energiöverföring genom mekaniska krafter eller andra former av organiserad energiöverföring.
För slutna system gäller termodynamikens första huvudsats, som uttrycker energins bevarande: förändringen i systemets inre energi U är lika med värme tillfört minus utfört arbete. I många sammanhang skrivs detta som ΔU = Q − W (teckenkonventionen kan variera beroende på lärobok).
Termodynamikens huvudsatser
- Nollte huvudsatsen: Om två system är i termisk jämvikt med ett tredje system är de i termisk jämvikt med varandra. Den ger grunden för begreppet temperatur.
- Första huvudsatsen: Energi kan varken skapas eller förstöras, endast omvandlas. Detta är energins bevarande i termodynamisk form (ΔU = Q − W).
- Andra huvudsatsen: Entropin i ett isolerat system ökar eller förblir konstant; den kan aldrig minska i en spontan process. Det ger riktningen för naturliga processer och förklarar varför värme inte spontant flyter från kallare till varmare kroppar. Den formuleras också genom Clausius-inekvationen eller genom begreppet tillgängligt arbete.
- Tredje huvudsatsen: När temperaturen närmar sig absoluta nollpunkten närmar sig entropin hos en perfekt kristall ett konstant värde (som ofta tas som noll). Detta begränsar möjligheten att nå 0 K.
Entropi och statistisk tolkning
Entropi är ett centralt begrepp som kan tolkas makroskopiskt som ett mått på oordning eller oföränderlighet, men mer precist som ett mått på antalet mikrotillstånd som motsvarar ett givet makrotillstånd. Inom statistisk termodynamik relateras entropin till sannolikheter genom Boltzmanns samband S = k log W, där k är Boltzmanns konstant och W antalet tillåtna mikrotillstånd.
Entropiens ökande förklarar irreversibilitet i naturliga processer: även om de mikroskopiska ekvationerna ofta är tidsreversibla, leder antalet möjliga mikrotillstånd till att vissa makroskopiska riktningar är överväldigande mer sannolika än deras omvända.
Tillämpningar och exempel
Termodynamik används inom många områden:
- Teknik: värmemotorer, kylskåp, värmepumpar och processindustrin.
- Materialvetenskap: fasövergångar, korrosion och värmebehandling.
- Astrofysik: stjärnors energiproduktion och energitransport i atmosfärer.
- Kemi: kemisk jämvikt, bindningsenergier och reaktionsentalpier.
- Biologi: energiflöde i metabolism och biologiska system.
Praktiska begrepp och enheter
Viktiga enheter inom termodynamiken är joule (J) för energi, kelvin (K) för temperatur och pascal (Pa) för tryck. Vanliga processer som studeras är isoterm (konstant temperatur), adiabatiskt (ingen värmeöverföring), isobar (konstant tryck) och isokor (konstant volym).
Sammanfattningsvis knyter termodynamiken ihop mikroskopiska rörelser och makroskopiska observationer, ger lagar för energins omvandlingar och begränsningar för vad som är möjligt i naturen, och utgör en grundpelare i både teoretisk och tillämpad naturvetenskap.
Termodynamiska lagar
Det finns fyra termodynamiska lagar som anger hur energi kan flyttas mellan två objekt i form av värme. Termodynamikens lagar visar hur energin i ett system förändras och om systemet kan fungera väl med sin omgivning.
- Termodynamikens nollvision
Om två system har lika stort värmeflöde fram och tillbaka och ett av de två systemen har lika stort värmeflöde fram och tillbaka med ett annat system, har alla tre systemen lika stort värmeflöde med varandra.
En ökning av energin i ett system är detsamma som den energi som ges till systemet i form av värme eller arbete. Energi kan inte skapas eller förstöras, bara förändras. Den mängd energi som ges till ett system är samma mängd energi som tas från omgivningen.
Om två system med olika temperaturer rör vid varandra kommer värme att flöda från varmt till kallt tills temperaturen i systemen blir lika.
- Termodynamikens tredje lag
När ett system har en temperatur på 0 kelvin, den absoluta nollpunkten (den lägsta temperaturen), är entropin (den energi som inte kan användas för att utföra arbete) 0.
Användning av termodynamik
Tidigare studerade man termodynamik för att få ångmaskiner att fungera bättre. Nu används termodynamikens idéer i allt från att tillverka motorer till att studera svarta hål.
Forskare använder termodynamiken av många skäl. Ett är att göra bättre motorer och kylskåp. Ett annat är att förstå egenskaperna hos vardagliga material så att de kan göra dem starkare i framtiden. Termodynamik används också inom kemin för att förklara vilka reaktioner som kommer att fungera och vilka som inte kommer att fungera (denna studie kallas kemisk kinetik). Termodynamiken är kraftfull eftersom enkla modeller för atomer fungerar bra för att förklara egenskaperna hos stora system som tegelstenar.
Relaterade sidor
| Myndighetskontroll: Nationella bibliotek |
|
Frågor och svar
F: Vad är termodynamik?
S: Termodynamik är en gren av fysiken som studerar förhållandet mellan värme, temperatur och energi.
F: Hur används matematik inom termodynamiken?
S: Matematik, särskilt statistik, används ofta inom termodynamiken för att undersöka partiklarnas rörelse.
F: Vilka är några tillämpningar av termodynamiken?
S: Termodynamiken hjälper oss att förstå hur världen av mycket små atomer är kopplad till den storskaliga värld vi ser varje dag. Den har också två huvudgrenar som kallas klassisk termodynamik och statistisk termodynamik.
F: Vad är ett exempel på ett termodynamiskt system?
S: Ett exempel på ett termodynamiskt system är en tegelsten som består av många atomer med egna egenskaper.
F: Vad är omfattande egenskaper?
S: Extensiva egenskaper är sådana som man får genom att addera alla atomer, t.ex. volym, energi, massa och laddning, eftersom två av samma tegelstenar tillsammans har dubbelt så mycket massa som en tegelsten.
Fråga: Vad är intensiva egenskaper?
S: Intensiva egenskaper är sådana som man får genom att titta på genomsnittet av alla atomer, t.ex. temperatur, tryck och densitet, eftersom två av samma tegelsten fortfarande har samma temperatur som en tegelsten ensam.
