Визначення термодинаміки; Закони Жива наука
Термодинаміка - це розділ фізики, який займається взаємозв’язками тепла та інших видів енергії. Зокрема, в ній описується, як теплова енергія перетворюється в інші форми енергії та з них, і як вона впливає на речовину.
Теплова енергія - це енергія, яку має речовина або система завдяки своїй температурі, тобто енергії рухомих або вібруючих молекул, згідно з веб-сайтом Енергетичної освіти Техаського освітнього агентства. Термодинаміка передбачає вимірювання цієї енергії, яка може бути "надзвичайно складною", за словами Девіда Маккі, професора фізики Південного державного університету Міссурі. "Системи, які ми вивчаємо в термодинаміці ..., складаються з дуже великої кількості атомів або молекул, що взаємодіють складними способами. Але, якщо ці системи відповідають правильним критеріям, які ми називаємо рівновагою, їх можна описати з дуже невеликою кількістю вимірювань або числа. Часто це ідеалізується як маса системи, тиск у системі та об'єм системи або будь-який інший еквівалентний набір чисел. Три числа описують 10 26 або 10 30 номінальних незалежних змінних ".
Отже, термодинаміка стосується кількох властивостей речовини; перш за все серед них - тепло. Тепло - це енергія, що передається між речовинами або системами через різницю температур між ними, згідно з Energy Education. Як форма енергії тепло зберігається, тобто воно не може створюватися або руйнуватися. Однак його можна перенести з одного місця в інше. Тепло також може перетворюватися в та з інших видів енергії. Наприклад, парова турбіна може перетворювати тепло в кінетичну енергію для роботи генератора, який перетворює кінетичну енергію в електричну. Лампочка може перетворювати цю електричну енергію в електромагнітне випромінювання (світло), яке, поглинаючись поверхнею, перетворюється назад у тепло.
Температура
Кількість теплоти, що передається речовиною, залежить від швидкості та кількості атомів або молекул, що рухаються, згідно з Energy Education. Чим швидше рухаються атоми або молекули, тим вища температура, і чим більше атомів або молекул перебуває в русі, тим більшу кількість теплоти вони передають.
Температура - це "міра середньої кінетичної енергії частинок у зразку речовини, виражена в одиницях або градусах, позначених за стандартною шкалою", згідно з Американським словником спадщини. Найбільш часто використовується шкала Цельсія, яка базується на температурах замерзання та кипіння води, призначаючи відповідні значення 0 градусів С і 100 градусів С. Шкала Фаренгейта також базується на температурах замерзання та кипіння води, які призначені значення 32 F та 212 F відповідно.
Однак вчені у всьому світі використовують шкалу Кельвіна (K без знака градуса), названу на честь Вільяма Томсона, 1-го барона Кельвіна, оскільки вона працює в розрахунках. Ця шкала використовує той самий приріст, що і шкала Цельсія, тобто зміна температури на 1 С дорівнює 1 К. Однак шкала Кельвіна починається з абсолютного нуля, температури, при якій спостерігається повна відсутність теплової енергії і всі молекулярні зупинка руху. Температура 0 К дорівнює мінус 459,67 F або мінус 273,15 C.
Питома теплоємність
Кількість тепла, необхідна для підвищення температури певної маси речовини на певну кількість, називається питомою теплоємністю або питомою теплоємністю, згідно з дослідженням Wolfram Research. Умовною одиницею для цього є калорії на грам на кельвін. Калорія визначається як кількість теплової енергії, необхідної для підвищення температури 1 граму води при 4 С на 1 градус.
Питома теплоємність металу майже повністю залежить від кількості атомів у зразку, а не від його маси. Наприклад, кілограм алюмінію може поглинати приблизно в сім разів більше тепла, ніж кілограм свинцю. Однак атоми свинцю можуть поглинати лише приблизно на 8 відсотків більше тепла, ніж рівна кількість атомів алюмінію. Однак дана маса води може поглинати майже в п’ять разів більше тепла, ніж рівна маса алюмінію. Питома теплоємність газу є більш складною і залежить від того, чи вимірюється він при постійному тиску чи постійному обсязі.
Теплопровідність
Теплопровідність (k) - це "швидкість, з якою тепло проходить через певний матеріал, виражене як кількість тепла, яке протікає за одиницю часу через одиницю площі з градієнтом температури в один градус на одиницю відстані", згідно з Оксфордським словником . Одиницею виміру k є вата (Вт) на метр (м) на кельвін (К). Значення k для таких металів, як мідь та срібло, відносно високі при 401 та 428 Вт/м · K відповідно. Ця властивість робить ці матеріали корисними для автомобільних радіаторів та охолоджувальних ребер для комп'ютерних мікросхем, оскільки вони можуть швидко відводити тепло і обмінюватися ним із навколишнім середовищем. Найвищим значенням k для будь-якої природної речовини є алмаз при 2200 Вт/м · K.
Інші матеріали корисні, оскільки є надзвичайно поганими провідниками тепла; ця властивість називається термічним опором або значенням R, що описує швидкість передачі тепла через матеріал. Ці матеріали, такі як кам’яна вата, гусячий пух та пінополістирол, використовуються для утеплення зовнішніх стін будівель, зимових халатів та термо кружок для кави. Значення R наведено в одиницях квадратних футів, помножених на градуси Фаренгейта в годинах на британську теплову одиницю (фут 2 · ° F · h/Btu) для плити товщиною 1 дюйм.