Tổng quan về nhiệt động lực học

Nhiệt động lực học là lĩnh vực vật lý liên quan đến mối quan hệ giữa nhiệt và các tính chất khác (như áp suất, mật độ, nhiệt độ, v.v.) trong một chất. Cụ thể, nhiệt động lực học tập trung chủ yếu vào việc truyền nhiệt có liên quan đến những thay đổi năng lượng khác nhau trong một hệ thống vật lý trải qua quá trình nhiệt động như thế nào. Các quá trình như vậy thường dẫn đến công việc được thực hiện bởi hệ thống và được hướng dẫn bởi các định luật nhiệt động lực học.

Các khái niệm cơ bản về truyền nhiệt

Nói rộng ra, sức nóng của vật liệu được hiểu là sự thể hiện năng lượng chứa trong các hạt của vật liệu đó. Đây được gọi là lý thuyết động học của chất khí, mặc dù khái niệm này cũng áp dụng ở các mức độ khác nhau đối với chất rắn và chất lỏng. Nhiệt từ chuyển động của các hạt này có thể truyền vào các hạt gần đó, và do đó vào các phần khác của vật liệu hoặc các vật liệu khác, thông qua nhiều phương tiện:

  • Tiếp xúc nhiệt là khi hai chất có thể ảnh hưởng đến nhiệt độ của nhau.
  • Cân bằng nhiệt là khi hai chất tiếp xúc nhiệt không còn truyền nhiệt.
  • Mở rộng nhiệt diễn ra khi một chất mở rộng về thể tích khi nó tăng nhiệt. Sự co nhiệt cũng tồn tại.
  • Dẫn nhiệt là khi nhiệt truyền qua chất rắn nóng.
  • Đối lưu là khi các hạt nóng được truyền nhiệt sang chất khác, chẳng hạn như nấu một thứ gì đó trong nước sôi.
  • Bức xạ là khi nhiệt được truyền qua sóng điện từ, chẳng hạn như từ mặt trời.
  • Cách nhiệt là khi vật liệu dẫn điện thấp được sử dụng để ngăn truyền nhiệt.

Quá trình nhiệt động

Một hệ thống trải qua một quá trình nhiệt động khi có một số thay đổi năng lượng trong hệ thống, thường liên quan đến những thay đổi về áp suất, thể tích, năng lượng bên trong (tức là nhiệt độ) hoặc bất kỳ loại truyền nhiệt nào.

Có một số loại quy trình nhiệt động cụ thể có các thuộc tính đặc biệt:

  • Quá trình đoạn nhiệt – một quá trình không truyền nhiệt vào hoặc ra khỏi hệ thống.
  • Quá trình đẳng tích – một quá trình không có sự thay đổi về khối lượng, trong trường hợp đó hệ thống không hoạt động.
  • Quá trình đẳng áp – một quá trình không có thay đổi về áp lực.
  • Quá trình đẳng nhiệt – một quá trình không thay đổi nhiệt độ.

Các trạng thái của vật chất

Một trạng thái của vật chất là một mô tả về loại cấu trúc vật lý mà một chất vật chất biểu hiện, với các tính chất mô tả cách vật liệu giữ lại với nhau (hoặc không). Có năm trạng thái của vật chất, mặc dù chỉ có ba trạng thái đầu tiên thường được bao gồm trong cách chúng ta nghĩ về trạng thái của vật chất:

  • Khí ga
  • Chất lỏng
  • Chất rắn
  • Huyết tương
  • Siêu lỏng

Nhiều chất có thể chuyển đổi giữa các pha khí, lỏng và rắn của vật chất, trong khi chỉ có một số chất hiếm được biết là có thể đi vào trạng thái siêu lỏng. Plasma là một trạng thái riêng biệt của vật chất, như sét

  • Ngưng tụ – khí thành chất lỏng
  • Đông đặc – lỏng đến rắn
  • Nóng chảy – rắn sang lỏng
  • Thăng hoa – rắn đến khí
  • Hóa hơi – lỏng hoặc rắn thành khí

Nhiệt dung

Nhiệt dung C, của vật thể là tỷ lệ thay đổi nhiệt (thay đổi năng lượng, ΔQ, trong đó ký hiệu Hy Lạp Delta,, biểu thị sự thay đổi về đại lượng) với sự thay đổi nhiệt độ (ΔT).

C = Δ Q / T

Khả năng sinh nhiệt của một chất cho thấy sự dễ dàng mà một chất nóng lên. Một dây dẫn nhiệt tốt sẽ có công suất nhiệt thấp, chỉ ra rằng một lượng năng lượng nhỏ gây ra sự thay đổi nhiệt độ lớn. Một chất cách nhiệt tốt sẽ có công suất nhiệt lớn, cho thấy cần truyền nhiều năng lượng cho sự thay đổi nhiệt độ.

Phương trình khí lý tưởng

Có nhiều phương trình khí lý tưởng khác nhau liên quan đến nhiệt độ (T1), áp suất (P1) và thể tích (V1). Các giá trị này sau khi thay đổi nhiệt động được biểu thị bằng (T2), (P2) và (V2). Đối với một lượng nhất định của một chất, n (tính bằng mol), các mối quan hệ sau giữ:

Luật Boyle (T không đổi):

P 1 V 1 = P 2 V 2

Luật Charles / Gay-Lussac (P là hằng số):

V1/T1 = V2/T2

Luật khí lý tưởng:

P1V1/T1 = P2V2/T2 = nR

R là hằng số khí lý tưởng, R = 8,3145 J / mol * K. Do đó, đối với một lượng vật chất nhất định, nR là hằng số, điều này đưa ra Định luật Khí lý tưởng.

Định luật nhiệt động

Định luật nhiệt động lực học Zeroeth – Hai hệ thống ở trạng thái cân bằng nhiệt với hệ thống thứ ba ở trạng thái cân bằng nhiệt với nhau.

Định luật nhiệt động lực học đầu tiên – Sự thay đổi năng lượng của một hệ thống là lượng năng lượng được thêm vào hệ thống trừ đi năng lượng dành cho công việc.

Định luật nhiệt động lực học thứ hai – Không thể có một quá trình vì kết quả duy nhất của nó là truyền nhiệt từ cơ thể mát hơn sang cơ thể nóng hơn.

Định luật nhiệt động lực học thứ ba – Không thể giảm bất kỳ hệ thống nào về độ không tuyệt đối trong một chuỗi các hoạt động hữu hạn. Điều này có nghĩa là một động cơ nhiệt hiệu quả hoàn hảo không thể được tạo ra.

Định luật thứ hai Entropy

Định luật nhiệt động lực học thứ hai có thể được trình bày lại để nói về entropy, đây là phép đo định lượng của rối loạn trong một hệ thống. Sự thay đổi nhiệt chia cho nhiệt độ tuyệt đối là sự thay đổi entropy của quá trình. Được xác định theo cách này, Luật thứ hai có thể được trình bày lại như sau:

Trong bất kỳ hệ thống kín nào, entropy của hệ thống sẽ không đổi hoặc tăng. Theo “hệ thống khép kín”, điều đó có nghĩa là mọi phần của quy trình đều được đưa vào khi tính toán entropy của hệ thống.

Thêm về nhiệt động lực học

Trong một số cách, coi nhiệt động lực học là một môn học vật lý riêng biệt là sai lệch. Nhiệt động lực học chạm vào hầu hết mọi lĩnh vực vật lý, từ vật lý thiên văn đến vật lý sinh học, bởi vì tất cả chúng đều liên quan đến một số thời trang với sự thay đổi năng lượng trong một hệ thống. Nếu không có khả năng một hệ thống sử dụng năng lượng trong hệ thống để thực hiện công việc – trái tim của nhiệt động lực học – sẽ không có gì cho các nhà vật lý nghiên cứu.

Điều đó đã được nói, có một số lĩnh vực sử dụng nhiệt động lực học khi họ đi nghiên cứu các hiện tượng khác, trong khi có một loạt các lĩnh vực tập trung nhiều vào các tình huống nhiệt động học liên quan. Dưới đây là một số trường con của nhiệt động lực học:

  • Cryophysics / Cryogenics / Nhiệt độ thấp – nghiên cứu tính chất vật lý trong các tình huống nhiệt độ thấp, thấp hơn nhiều so với nhiệt độ trải nghiệm trên cả những vùng lạnh nhất trên Trái đất. Một ví dụ về điều này là nghiên cứu về các siêu chất.
  • Động lực học / Cơ học chất lỏng – nghiên cứu về các tính chất vật lý của “chất lỏng”, được xác định cụ thể trong trường hợp này là chất lỏng và chất khí.
  • Vật lý áp suất cao – nghiên cứu vật lý trong các hệ thống áp suất cực cao, thường liên quan đến động lực học chất lỏng.
  • Khí tượng học / Vật lý thời tiết – vật lý của thời tiết, hệ thống áp suất trong khí quyển, v.v.
  • Vật lý plasma – nghiên cứu về vật chất ở trạng thái plasma.

Domin Võ

Dành ra 12 tiếng/ngày cho công việc tẻ nhạt ở công tỷ, chỉ khi viết bài cho Mingeek, anh ấy mới thật sự là chính mình. Anh muốn cho mọi người thấy rằng, khoa học không nhàm chán như trong SGK đâu!

Related Articles

Back to top button