Tinjauan Termodinamika dan Konsep Dasar

Termodinamika adalah bidang fisika yang berkaitan dengan hubungan antara panas dan properti lainnya (seperti tekanan, massa jenis, suhu, dll.) dalam suatu zat.

Secara khusus, termodinamika berfokus terutama pada bagaimana a perpindahan panas terkait dengan berbagai perubahan energi dalam sistem fisik yang menjalani proses termodinamika. Proses seperti itu biasanya menghasilkan kerja sedang dilakukan oleh sistem dan dipandu oleh hukum termodinamika.

Secara umum, panas suatu material dipahami sebagai representasi energi yang terkandung dalam partikel-partikel material tersebut. Ini dikenal sebagai teori gas kinetik, meskipun konsep ini berlaku dalam berbagai derajat untuk padatan dan cairan juga. Panas dari gerakan partikel-partikel ini dapat ditransfer ke partikel-partikel di dekatnya, dan karenanya ke bagian lain dari bahan atau bahan lain, melalui berbagai cara:

• Kontak Termal adalah ketika dua zat dapat mempengaruhi suhu satu sama lain.
• Kesetimbangan Termal adalah ketika dua zat dalam kontak termal tidak lagi memindahkan panas.
instagram viewer
• Ekspansi termal terjadi ketika suatu zat mengembang dalam volume karena menambah panas. Kontraksi termal juga ada.
• Konduksi adalah ketika panas mengalir melalui padatan yang dipanaskan.
• Konveksi adalah ketika partikel yang dipanaskan memindahkan panas ke zat lain, seperti memasak sesuatu dalam air mendidih.
• Radiasi adalah ketika panas ditransfer melalui gelombang elektromagnetik, seperti dari matahari.
• Isolasi adalah saat bahan dengan konduksi rendah digunakan untuk mencegah perpindahan panas.

Suatu sistem mengalami a proses termodinamika ketika ada semacam perubahan energik dalam sistem, umumnya terkait dengan perubahan tekanan, volume, energi internal (mis. suhu), atau segala jenis perpindahan panas.

Ada beberapa jenis proses termodinamika tertentu yang memiliki sifat khusus:

• Proses adiabatik - proses tanpa perpindahan panas ke dalam atau keluar dari sistem.
• Proses isokorik - proses tanpa perubahan volume, dalam hal ini sistem tidak berfungsi.
• Proses isobarik - sebuah proses tanpa perubahan tekanan.
• Proses isotermal - proses tanpa perubahan suhu.

Keadaan materi adalah deskripsi dari jenis struktur fisik yang dimanifestasikan oleh substansi material, dengan sifat-sifat yang menggambarkan bagaimana materi itu bersatu (atau tidak). Ada lima keadaan materi, meskipun hanya tiga dari mereka biasanya termasuk dalam cara kita berpikir tentang keadaan materi:

• gas
• cair
• padat
• plasma
• superfluid (seperti a Kondensat Bose-Einstein)

Banyak zat dapat berpindah antara fase gas, cair, dan padat materi, sementara hanya beberapa zat langka yang diketahui dapat memasuki keadaan superfluid. Plasma adalah keadaan materi yang berbeda, seperti kilat

• kondensasi - gas ke cairan
• pembekuan - cair hingga padat
• melting - solid to liquid
• sublimasi - padat ke gas
• penguapan - cair atau padat menjadi gas

Kapasitas panas, C, dari suatu benda adalah rasio perubahan panas (perubahan energi, ΔQ, di mana simbol Yunani Delta, Δ, menunjukkan perubahan kuantitas) untuk mengubah suhu (ΔT).

C = Δ Q / Δ T

Kapasitas panas suatu zat menunjukkan kemudahan memanaskan suatu zat. SEBUAH konduktor termal yang baik akan memiliki kapasitas panas rendah, menunjukkan bahwa sejumlah kecil energi menyebabkan perubahan suhu yang besar. Isolator termal yang baik akan memiliki kapasitas panas yang besar, menunjukkan bahwa banyak transfer energi diperlukan untuk perubahan suhu.

Ada beragam persamaan gas ideal yang berhubungan suhu (T₁), tekanan (P₁), dan volume (V₁). Nilai-nilai ini setelah perubahan termodinamika ditunjukkan oleh (T₂), (P₂), dan (V₂). Untuk jumlah zat tertentu, n (diukur dalam mol), hubungan berikut ini berlaku:

Hukum Boyle ( T konstan):
P₁V₁ = P₂V₂
Hukum Charles / Gay-Lussac (P konstan):
V₁/T₁ = V₂/T₂
Hukum Gas Ideal:
P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂ = nR

R adalah konstanta gas ideal, R = 8.3145 J / mol * K. Untuk sejumlah masalah tertentu, oleh karena itu, nR konstan, yang memberikan Hukum Gas Ideal.

• Zeroeth Law of Thermodynamics - Dua sistem masing-masing dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga dalam kesetimbangan termal satu sama lain.
• Hukum Termodinamika Pertama - Perubahan energi suatu sistem adalah jumlah energi yang ditambahkan ke sistem dikurangi dengan energi yang dihabiskan untuk melakukan pekerjaan.
• Hukum Termodinamika Kedua - Tidak mungkin bagi suatu proses untuk memiliki sebagai satu-satunya hasil perpindahan panas dari tubuh yang lebih dingin ke yang lebih panas.
• Hukum Ketiga Termodinamika - Tidak mungkin untuk mengurangi sistem apa pun hingga nol mutlak dalam serangkaian operasi yang terbatas. Ini berarti bahwa mesin panas yang sangat efisien tidak dapat dibuat.

Hukum Termodinamika Kedua dapat disajikan kembali untuk dibicarakan entropi, yang merupakan pengukuran kuantitatif gangguan dalam suatu sistem. Perubahan panas dibagi dengan suhu absolut adalah perubahan entropi dari proses. Didefinisikan dengan cara ini, Hukum Kedua dapat dinyatakan kembali sebagai:

Dalam sistem tertutup apa pun, entropi sistem akan tetap atau meningkat.

Oleh "sistem tertutup"Itu artinya setiap bagian dari proses disertakan saat menghitung entropi sistem.

Dalam beberapa hal, memperlakukan termodinamika sebagai disiplin ilmu fisika yang berbeda menyesatkan. Termodinamika menyentuh hampir setiap bidang fisika, dari astrofisika hingga biofisika, karena mereka semua berurusan dalam suatu cara dengan perubahan energi dalam suatu sistem. Tanpa kemampuan suatu sistem untuk menggunakan energi dalam sistem untuk melakukan pekerjaan - jantung dari termodinamika - tidak akan ada yang dapat dipelajari oleh fisikawan.

Yang telah dikatakan, ada beberapa bidang menggunakan termodinamika dalam melewati saat mereka pergi belajar lainnya fenomena, sementara ada berbagai bidang yang sangat berfokus pada situasi termodinamika terlibat. Berikut adalah beberapa sub-bidang termodinamika:

• Cryophysics / Cryogenics / Fisika Suhu Rendah - studi tentang properti fisik dalam situasi suhu rendah, jauh di bawah suhu yang dialami bahkan di daerah terdingin di Bumi. Contoh dari ini adalah studi tentang superfluida.
• Dinamika Fluida / Mekanika Fluida - studi tentang sifat fisik "cairan," yang secara khusus didefinisikan dalam hal ini sebagai cairan dan gas.
• Fisika Tekanan Tinggi - itu studi fisika dalam sistem tekanan sangat tinggi, umumnya terkait dengan dinamika fluida.
• Meteorologi / Fisika Cuaca - Fisika cuaca, sistem tekanan di atmosfer, dll.
• Fisika Plasma - studi materi di negara plasma.