Definirea termodinamicii; Legile trăiesc știința
Termodinamica este ramura fizicii care se ocupă de relațiile dintre căldură și alte forme de energie. În special, descrie modul în care energia termică este convertită la și de la alte forme de energie și modul în care aceasta afectează materia.
Energia termică este energia pe care o substanță sau sistem o are datorită temperaturii sale, adică a energiei moleculelor în mișcare sau a vibrațiilor, potrivit site-ului web Energy Education al Agenției pentru Educație din Texas. Termodinamica presupune măsurarea acestei energii, care poate fi „extrem de complicată”, potrivit lui David McKee, profesor de fizică la Missouri Southern State University. „Sistemele pe care le studiem în termodinamică ... constau în un număr foarte mare de atomi sau molecule care interacționează în moduri complicate. Dar, dacă aceste sisteme îndeplinesc criteriile corecte, pe care le numim echilibru, ele pot fi descrise cu un număr foarte mic de măsurători sau De multe ori. Acest lucru este idealizat ca masa sistemului, presiunea sistemului și volumul sistemului sau un alt set echivalent de numere. Trei numere descriu 10 26 sau 10 30 variabile nominale independente. "
Prin urmare, termodinamica se referă la mai multe proprietăți ale materiei; cea mai importantă dintre acestea este căldura. Căldura este energie transferată între substanțe sau sisteme datorită unei diferențe de temperatură între ele, conform Energy Education. Ca formă de energie, căldura este conservată, adică nu poate fi creată sau distrusă. Poate fi totuși transferat dintr-un loc în altul. Căldura poate fi, de asemenea, convertită în și din alte forme de energie. De exemplu, o turbină cu abur poate converti căldura în energie cinetică pentru a rula un generator care convertește energia cinetică în energie electrică. Un bec poate transforma această energie electrică în radiație electromagnetică (lumină), care, atunci când este absorbită de o suprafață, este transformată înapoi în căldură.
Temperatura
Cantitatea de căldură transferată de o substanță depinde de viteza și numărul de atomi sau molecule în mișcare, conform Energy Education. Cu cât atomii sau moleculele se mișcă mai repede, cu atât este mai mare temperatura și cu cât sunt mai mulți atomi sau molecule în mișcare, cu atât cantitatea de căldură pe care o transferă este mai mare.
Temperatura este „o măsură a energiei cinetice medii a particulelor dintr-un eșantion de materie, exprimată în termeni de unități sau grade proiectate pe o scară standard”, potrivit American Heritage Dictionary. Scala de temperatură cea mai frecvent utilizată este Celsius, care se bazează pe punctele de îngheț și fierbere ale apei, atribuind valorile respective de 0 grade C și 100 grade C. Scara Fahrenheit se bazează și pe punctele de îngheț și fierbere ale apei, care au atribuit valori de 32 F și respectiv 212 F.
Cu toate acestea, oamenii de știință din întreaga lume folosesc scala Kelvin (K fără semn de grad), numită după William Thomson, primul baron Kelvin, deoarece funcționează în calcule. Această scară utilizează aceeași creștere ca scala Celsius, adică o schimbare de temperatură de 1 C este egală cu 1 K. Cu toate acestea, scara Kelvin începe de la zero absolut, temperatura la care există o absență totală de energie termică și toate moleculele mișcarea se oprește. O temperatură de 0 K este egală cu minus 459,67 F sau minus 273,15 C.
Căldura specifică
Cantitatea de căldură necesară pentru creșterea temperaturii unei anumite mase a unei substanțe cu o anumită cantitate se numește căldură specifică sau capacitate de căldură specifică, potrivit Wolfram Research. Unitatea convențională pentru aceasta este caloriile pe gram pe kelvin. Caloria este definită ca cantitatea de energie termică necesară pentru a crește temperatura de 1 gram de apă la 4 C cu 1 grad.
Căldura specifică a unui metal depinde aproape în totalitate de numărul de atomi din eșantion, nu de masa acestuia. De exemplu, un kilogram de aluminiu poate absorbi de aproximativ șapte ori mai multă căldură decât un kilogram de plumb. Cu toate acestea, atomii de plumb pot absorbi doar cu aproximativ 8% mai multă căldură decât un număr egal de atomi de aluminiu. Cu toate acestea, o anumită masă de apă poate absorbi de aproape cinci ori mai multă căldură decât o masă egală de aluminiu. Căldura specifică a unui gaz este mai complexă și depinde dacă este măsurată la presiune constantă sau volum constant.
Conductivitate termică
Conductivitatea termică (k) este „rata la care căldura trece printr-un material specificat, exprimată ca cantitatea de căldură care curge pe unitate de timp printr-o unitate de zonă cu un gradient de temperatură de un grad pe unitate de distanță”, potrivit Oxford Dictionary . Unitatea pentru k este de wați (W) pe metru (m) pe kelvin (K). Valorile k pentru metale precum cuprul și argintul sunt relativ mari la 401 și respectiv 428 W/m · K. Această proprietate face ca aceste materiale să fie utile pentru radiatoarele auto și aripioarele de răcire pentru cipurile de computer, deoarece pot transporta rapid căldura și o pot schimba cu mediul înconjurător. Cea mai mare valoare a k pentru orice substanță naturală este diamantul la 2.200 W/m · K.
Alte materiale sunt utile deoarece sunt conductori de căldură extrem de slabi; această proprietate este denumită rezistență termică sau valoare R, care descrie viteza la care căldura este transmisă prin material. Aceste materiale, cum ar fi vata de piatră, puf de gâscă și spumă de poliester, sunt folosite pentru izolarea pereților exteriori ai clădirilor, a hainelor de iarnă și a cănilor termice de cafea. Valoarea R este dată în unități de metri pătrați ori grade Fahrenheit ori ore pe unitate termică britanică (ft 2 · ° F · h/Btu) pentru o placă cu grosimea de 1 inch.