Thermodynamique
Thermodynamique (du θερμη grec , therme de , " de signification de ; " de la chaleur ; et δυναμις, dynamis de , " de signification de ; " de la puissance ;) est une branche de la physique qui étudie les effets des changements de la température , de la pression , et du volume sur les systèmes physiques à la balance macroscopique du en analysant le mouvement collectif de leurs particules using les statistiques . Rudement, la chaleur signifie le " ; " in transit d'énergie ; et la dynamique se rapporte au " ; movement" ; ; ainsi, essentiellement la thermodynamique étudie le mouvement de l'énergie et comment l'énergie instille le mouvement. Historiquement, la thermodynamique s'est développée hors du besoin d'augmenter l'efficacité des premières machines à vapeur Le point de départ pour la plupart des considérations thermo-dynamiques sont les lois de de la thermodynamique , qui postulent que l'énergie peut être échangée entre les systèmes physiques comme chaleur ou le travail . Ils postulent également l'existence d'une quantité appelée l'entropie , qui peut être définie pour n'importe quel système. En thermodynamique, des interactions entre de grands ensembles d'objets sont étudiées et classées par catégorie. Le central à ceci sont les concepts du système de et des environnements de . Un système se compose de particules, dont les mouvements moyens définissent ses propriétés, qui à leur tour sont liées à une une autre par des équations d'état . Des propriétés peuvent être combinées pour exprimer l'énergie interne et les potentiels thermo-dynamiques , qui sont utiles pour déterminer des conditions pour l'équilibre et les processus spontanés
Avec ces outils, la thermodynamique décrit comment les systèmes répondent aux changements de leurs environnements. Ceci peut être appliqué à une large variété de matières en la Science et technologie , tel que les moteurs , les transitions de phase , les réactions chimiques , les phénomènes de transport , et même les trous noirs . Les résultats de la thermodynamique sont essentiels pour d'autres champs de la physique et pour la chimie , le génie chimique , la technologie aérospatiale , la construction mécanique , la biologie de cellules de , la technologie biomédicale , et la science des matériaux pour appeler uns.
Histoire
voient également : Histoire de la thermodynamique
Une brève histoire de la thermodynamique commence par le Otto von Guericke qui dans 1650 a construit et a conçu la première pompe de vide du du monde et a créé le premier vide du du monde (connu sous le nom d'hémisphères de Magdeburg de ). Il a été conduit pour faire un vide afin de réfuter le la supposition de longue date de s d'Aristote 'que la « nature déteste un vide ». Sous peu ensuite, le physicien et le irlandais Robert Boyle de chimiste avaient appris des conceptions de Guericke et en 1656, dans la coordination avec le anglais Robert Hooke de scientifique, ont construit un compresseur. Using cette pompe, Boyle et Hooke ont noté la corrélation de pression-température-volume. À temps, la loi de Boyle a été formulée, qui déclare que la pression et le volume sont inversement proportionnels. Puis, en 1679, basé sur ces concepts, un associé du appelé Denis Papin de Boyle a construit un digesteur d'os de , qui était une bombe manométrique avec un couvercle étroitement convenable qui a confiné la vapeur jusqu'à ce qu'une pression ait été produite.
Les conceptions postérieures ont mis en application une valve de dégagement de vapeur qui a gardé la machine de l'explosion. En observant la valve se déplacer rhythmiquement en haut et en bas, Papin a conçu de l'idée d'un piston et d'un moteur de cylindre. Il, cependant, n'a pas suivi à travers avec sa conception. Néanmoins, en 1697, basé sur les conceptions de Papin, le Thomas Savery d'ingénieur a construit le premier moteur. Bien que ces premiers moteurs aient été bruts et inefficaces, ils ont attiré l'attention des principaux scientifiques du temps. Un tel scientifique était Sadi Carnot , le " ; père de thermodynamics" ; , qui dans 1824 a édité des réflexions de sur la puissance motrice du feu , d'un discours sur la chaleur, de la puissance, et de l'efficacité de moteur. Le papier a décrit les relations énergiques de base entre le moteur de Carnot de , le cycle de Carnot de , et la puissance motrice . Ceci marque le début de la thermodynamique comme science moderne. Le premier manuel thermo-dynamique a été écrit dans le 1859 par le William Rankine , à l'origine qualifié en tant qu'un physicien et professeur de construction civile et mécanique à l'université de de Glasgow .
Thermodynamique classique
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classique de la thermodynamique La thermodynamique classique est la variation tôt de 1800s d'original de la thermodynamique concernée par les états thermo-dynamiques, et des propriétés comme énergie, travail, et chaleur, et par les lois de la thermodynamique, manquant tout d'une interprétation atomique. En forme précurseur, la thermodynamique classique dérive le chimiste postulat du 1662 de s de Boyle Robert le' que le P de pression d'une quantité donnée de gaz varie inversement en tant que son V de volume à la température constante ; c. sous la forme d'équation : picovolte = k , une constante. D'ici, une apparence d'une thermo-science a commencé à se développer avec la construction des premières machines à vapeur atmosphériques réussies en Angleterre par le Thomas Savery en 1697 et le Thomas Newcomen dans le 1712 . Les premières et deuxièmes lois de la thermodynamique ont émergé simultanément dans les 1850s, principalement hors des travaux du William Rankine , du Rudolf Clausius , et du William Thomson (seigneur Kelvin).
Thermodynamique statistique
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statistique de la thermodynamique
Avec le développement des théories atomiques et moléculaires vers la fin des 1800s et des années 1900 tôt, la thermodynamique a été donnée une interprétation moléculaire. Ce champ s'appelle la thermodynamique statistique , qui peut être considérée comme un pont entre les propriétés macroscopiques et microscopiques des systèmes. Essentiellement, la thermodynamique statistique est une approche à la thermodynamique située sur la mécanique statistique , qui se concentre sur la dérivation des résultats macroscopiques des premiers principes. Elle peut être opposée à sa thermodynamique phénoménologique historique de prédécesseur, qui donne des descriptions scientifiques des phénomènes avec l'action d'éviter des détails microscopiques. L'approche statistique est de dériver toutes les propriétés macroscopiques (la température, volume, pression, énergie, entropie, etc.) des propriétés de déplacer les particules constitutives et les interactions entre elles (phénomènes y compris de quantum). On l'a avéré très réussi et est ainsi utilisé généralement.
Thermodynamique chimique
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chimique de la thermodynamique La thermodynamique chimique est l'étude de l'interdépendance de la chaleur avec les réactions chimiques ou avec un changement physique de l'état dans les confins des lois de de la thermodynamique . Pendant les années 1873-76 le mathématique américain Josiah Willard Gibbs de physicien a édité une série de trois documents, être le plus célèbre sur l'équilibre des substances hétérogènes , dans lesquelles il a montré comment les processus thermo-dynamiques pourraient être graphiquement analysés, en étudiant l'énergie , l'entropie , le volume , la température et la pression du système thermo-dynamique , d'une telle façon pour déterminer si un processus se produirait spontanément. Pendant le début du 20ème siècle, les chimistes tels que le Gilbert N. Lewis , le Merle Randall , et le E. Guggenheim ont commencé à s'appliquer les méthodes mathématiques de Gibbs à l'analyse des processus chimiques.
Systèmes thermo-dynamiques
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du système thermo-dynamique Un concept important en thermodynamique est le « système ». Tout dans l'univers excepté le système est connu comme environnements. Un système est la région de l'univers à l'étude. Un système est séparé du reste de l'univers par une frontière qui peut être imaginaire ou pas, mais qui par convention délimite un volume fini. Les échanges possibles du fonctionnent , la chaleur , ou la matière entre le système et les environnements ont lieu à travers cette frontière. Les frontières sont de quatre types : fixe, mobile, vrai, et imaginaire.
Fondamentalement, la « frontière » est simplement une ligne pointillée imaginaire tracée autour du volume d'une quelque chose dans laquelle il va y a un changement de l'énergie interne de cela quelque chose. Quelque chose qui passe à travers la frontière qui effectue un changement de l'énergie interne de cela quelque chose doit être expliqué dans l'équation de bilan énergétique. Que « quelque chose » peut être la région volumétrique entourant une énergie résonnante d'atome simple, telle que le Planck maximum définie en 1900 ; ce peut être un corps de vapeur ou d'air dans une machine à vapeur , tel que le Sadi Carnot défini en 1824 ; ce peut être le corps d'un cyclone tropical , tel que le Kerry Emanuel théorisé en 1986 dans le domaine de la thermodynamique atmosphérique ; ce pourrait également être juste un nuclide (c. un système de de Quarks comme certains théorisent actuellement en thermodynamique de Quantum de .
Pour un moteur, une frontière fixe signifie que le piston est verrouillé à sa position ; en soi, un processus constant de volume se produit. Du fait le même moteur, une frontière mobile permet au piston de sortir dedans et. Pour les systèmes fermés, les frontières sont vraies tandis que pour des frontières de système ouvert être souvent imaginaire. Il y a cinq classes dominantes des systèmes : systèmes d'isolement de
- la matière et l'énergie peuvent ne pas croiser la frontière.
Comme le temps passe dans un système d'isolement, les différences internes dans le système tendent à égaliser et les pressions et les températures tendent à s'égaliser, de même que font les différences de densité. Un système dans lequel toute l'égalisation traite sont allés pratiquement à l'accomplissement, est considéré comme pour être dans un état de l'équilibre thermo-dynamique .
Dans l'équilibre thermo-dynamique, les propriétés de système sont, par définition, invariables à temps. Les systèmes dans l'équilibre sont beaucoup plus simples et plus faciles pour comprendre que les systèmes qui ne sont pas dans l'équilibre. Souvent, en analysant un processus thermo-dynamique, il peut supposer que chaque état intermédiaire dans le processus est à l'équilibre. Ceci simplifiera également considérablement la situation. Les processus thermo-dynamiques qui se développent tellement lentement quant au au permettre chaque étape intermédiaire d'être un état d'équilibre serait les processus réversibles .
Paramètres thermo-dynamiques
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conjugué de variables de (thermodynamique)
Le concept central de la thermodynamique est celui de l'énergie , la capacité de d'effectuer le travail. Comme stipulé par la première loi , toute l'énergie du système et ses environnements est conservée. Il peut être transféré dans un corps par la chauffage, la compression, ou l'addition de la matière, et être extrait à partir d'un corps par le refroidissement, l'expansion, ou l'extraction de la matière. Pour la comparaison, en mécanique , le transfert d'énergie résulte d'une force qui cause le déplacement, le produit des deux étant la quantité de transfert d'énergie. D'une manière semblable, des systèmes thermo-dynamiques peuvent être considérés en tant qu'énergie de transfert comme résultat d'une force généralisée causant un déplacement généralisé, avec le produit des deux étant la quantité d'énergie transférée. Ces paires thermo-dynamiques de force-déplacement sont connues en tant que variables de conjugé de . Les variables thermo-dynamiques conjuguées les plus communes sont pression-volume (des paramètres mécaniques), température-entropie (paramètres thermiques), et nombre chimique de potentiel-particule (paramètres matériels).
Instruments thermo-dynamiques
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thermo-dynamique des instruments
Il y a deux types des instruments thermo-dynamiques, du mètre et du réservoir . Un mètre thermo-dynamique est n'importe quel dispositif qui mesure n'importe quel paramètre d'un système thermo-dynamique . Dans certains cas, le paramètre thermo-dynamique est défini réellement en termes d'instrument de mesure idéalisé. Par exemple, la loi de zeroth de déclare que si deux corps sont dans l'équilibre thermique avec un troisième corps, ils sont également dans l'équilibre thermique les uns avec les autres. Ce principe, comme remarquable par le James Maxwell en 1872, affirme qu'il est possible de mesurer la température. Un thermomètre idéalisé est un échantillon d'un gaz idéal à la pression constante. Du PV=nRT de la loi de gaz parfaits , le volume d'un tel échantillon peut être employé comme indicateur de la température ; de cette manière il définit la température. Bien que de la pression soit définie mécaniquement, un dispositif de pression-mesure, a appelé un baromètre peut également être construit d'un échantillon d'un gaz idéal tenu à une température constante. Un calorimètre est un dispositif qui est utilisé pour mesurer et définir l'énergie interne d'un système.
Un réservoir thermo-dynamique est un système qui est si grand qu'il ne change pas sensiblement ses paramètres d'état une fois mis en contact avec le système d'essai. Il est employé pour imposer une valeur particulière d'un paramètre d'état au système. Par exemple, un réservoir de pression est un système à une pression particulière, qui impose cette pression à n'importe quel système d'essai qu'elle est mécaniquement reliée à. L'atmosphère terrestre est employé souvent comme réservoir de pression.
Il est important que ces deux types d'instruments soient distincts. Un mètre n'effectue pas sa tâche exactement s'il se comporte comme un réservoir de la variable d'état qu'il essaye de mesurer. Si, par exemple, un thermomètre, étaient d'agir en tant qu'un réservoir de la température il changerait la température du système étant mesuré, et de la lecture être incorrect. Les mètres idéaux n'ont aucun effet sur les variables d'état du système qu'ils mesurent.
États thermo-dynamiques
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l'état thermo-dynamique
Quand un système est à l'équilibre sous un ensemble de conditions donné, il serait dans un état défini de . L'état du système peut être décrit par un certain nombre de variables intensives et les variables étendues les propriétés du système peuvent être décrites par une équation d'état qui spécifie le rapport entre ces variables. L'état peut être considéré comme description quantitative instantanée d'un système avec un nombre d'ensemble de variables jugées constantes
Processus thermo-dynamiques
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Un processus thermo-dynamique peut être défini comme évolution énergique d'un système thermo-dynamique procédant à partir d'un premier état à un état final. Typiquement, chaque processus thermo-dynamique est distingué d'autres processus, dans le caractère énergique, selon quels paramètres, comme température, de la pression, ou le volume, etc. En outre, il est utile de grouper ces processus dans les paires, dans lesquelles chaque constante tenue variable est un membre d'une paire du conjugé . Les sept processus thermo-dynamiques les plus communs sont montrés ci-dessous :
un processus isobare se produit à la pression constante.
Les lois de la thermodynamique
voient également : Lois de la thermodynamique
En thermodynamique, il y a quatre lois de validité très générale, et car tels elles ne dépendent pas des détails des interactions ou des systèmes étant étudiés. Par conséquent, ils peuvent être appliqués aux systèmes au sujet de lesquels ne sait rien autre que l'équilibre du transfert d'énergie et de matière. Les exemples de ceci incluent le prévision de s d'Einstein 'de l'émission spontanée autour du tour du 20ème siècle et de la recherche courante sur la thermodynamique des trous noirs
Les quatre lois sont :
loi de Zeroth de la thermodynamique , déclarant que l'équilibre thermo-dynamique est une relation d'équivalence . de
- Première loi de de la thermodynamique , au sujet de la conservation de du de
de l'énergie
- Loi de deuxièmes de la thermodynamique , au sujet du de
de l'entropie
- Loi de troisième de la thermodynamique , au sujet du de
de la température du zéro absolu
voient également : Bose-Einstein la température négative condensat de de et de .
Potentiels thermo-dynamiques
voient également :
thermo-dynamique des potentiels
Comme peut être dérivé de l'équation de bilan énergétique sur un système thermo-dynamique là existent les quantités énergiques appelées les potentiels thermo-dynamiques , étant la mesure quantitative de l'énergie stockée dans le système. Les cinq potentiels les plus bien connus sont :
Citations et humeur
Attribué au Arnold Sommerfeld : La thermodynamique est un sujet drôle. La première fois que vous passez par elle, vous ne la comprenez pas du tout. La deuxieme fois que vous passez par elle, vous pensez que vous la comprenez, excepté un ou deux petits points. La troisième fois que vous passez par elle, vous savez que vous ne la comprenez pas, mais à ce moment-là vous êtes ainsi utilisé à lui, il ne vous tracasse plus.
Voir également
Branches relatives
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