Termodynamiikka on energian, lämmön, lämpötilan ja aineen virtauksen tiedettä eri olomuotojen välillä. Neljä pääsääntöä, joskin erikoisessa järjestyksessä, järjestää koko alan: nollas pääsääntö sanoo, että termodynaaminen tasapaino on transitiivinen (jos A = B ja B = C, niin A = C), mikä oikeuttaa lämpötilan yhtenä lukuna; ensimmäinen sanoo, että energia säilyy, eli ΔU = Q − W (sisään tuleva lämpö miinus ulos tuleva työ muuttaa järjestelmän sisäistä energiaa); toinen sanoo, että eristetyn järjestelmän kokonaisentropia ei koskaan pienene — lämpö virtaa spontaanisti kuumasta kylmään, ei koskaan päinvastoin; ja kolmas sanoo, että järjestelmän entropia saavuttaa minimin absoluuttisessa nollapisteessä, johon voi lähestyä mutta jota ei koskaan saavuteta. Tämän paneelin kuusi laskinta kattavat työkaavat: ihannekaasun ja yhdistetyt kaasulait, lämpökapasiteetin, lämpölaajenemisen kolmessa geometriassa, lämpötilayksikkömuunnoksen ja Carnot-hyötysuhteen.
Ensimmäinen pääsääntö on kirjanpitoa, toinen suunnasta: ensimmäinen säilyttää energian (voittoa ei synny); toinen sanoo, että täysin säilynyt energiakin muuttuu työhön kelpaamattomaksi (tasapelikään ei onnistu). Yhdessä ne asettavat säännöt, joita jokaisen moottorin, jääkaapin ja kemiallisen reaktion on noudatettava.
Ihannekaasulaki — PV = nRT
Kaasulle, joka on riittävän harva ja kuuma, jotta sen molekyylit tuskin vuorovaikuttavat, paine, tilavuus, moolit ja absoluuttinen lämpötila liittyvät toisiinsa yhtälöllä PV = nRT, missä R = 0,082057 L·atm/(mol·K) (tai 8,314 J/(mol·K) SI-yksiköissä). Oletusnäyte (V = 22,4 L, n = 1 mol, T = 273,15 K) antaa P ≈ 1,0007 atm — oppikirjojen normaalitilavuus 22,4 L on juuri se, mitä 1 mooli ihannekaasua vie 1 atm:n paineessa ja 0 °C:ssa. Laki on tarkka ihannekaasulle ja likimain oikea ilmalle, hapelle ja monille muille todellisille kaasuille huoneenlämmössä ja kohtuullisessa paineessa. Korkeassa paineessa tai matalassa lämpötilassa molekyylien välisillä voimilla ja äärellisellä molekyylikoolla on merkitystä, ja van der Waalsin yhtälö (P + a/V²)(V − b) = nRT korjaa tätä kahdella empiirisellä parametrilla. Kolme muuta kaasulakia (Boyle, Charles, Gay-Lussac) ovat PV = nRT:n erikoistapauksia vakio-T:ssä, V:ssä tai P:ssä; yhdistetty kaasulaki P1V1/T1 = P2V2/T2 käsittelee kaikkien kolmen muutoksia samanaikaisesti.
Lämmönsiirto — Q = m·c·ΔT
Massan m kappaleen absorboima lämpö, kun sen lämpötila muuttuu ΔT:n verran, on Q = m·c·ΔT jouleina. Ominaislämpö on energia kilogrammaa ja kelviniä kohti; veden tunnettu korkea arvo 4 186 J/(kg·K) tekee siitä erinomaisen lämpöpuskurin. Oletusnäyte (1 kg vettä, 4 186 J/(kg·K), ΔT = 50 K) antaa Q ≈ 209 300 J (209,3 kJ) — energian, joka tarvitaan 1 litran kylmän hanaveden lämmittämiseen miellyttävän kuumaksi. Muut materiaalit poikkeavat jyrkästi: alumiini on 900 J/(kg·K), kupari 385, rauta 450, lasi 840 — metalli lämpenee nopeasti ja jäähtyy nopeasti, vesi lämpenee hitaasti ja luovuttaa lämpöä hitaasti. Luku 4 186 selittää, miksi kuumavesipullot pysyvät lämpiminä niin kauan, miksi merien lämpötilat muuttuvat vain hitaasti vuodenaikojen mukaan ja miksi rannikkoilmasto on lauhkeampi kuin mannerilmasto.
Lämpölaajeneminen — ΔL = α·L0·ΔT
Kiinteät aineet laajenevat lämpötilan mukana kolmella tavalla geometriasta riippuen: lineaarisesti ΔL = αL0ΔT, pinta-alana ΔA = 2αA0ΔT ja tilavuutena ΔV = 3αV0ΔT, missä α on lineaarinen kerroin. Oletusnäyte (1 m terästä, α = 12×10−6/K, ΔT = 100 K) antaa ΔL ≈ 1,2 mm — niin pieni, että se voidaan jättää huomiotta arkipäivän puusepäntyössä, mutta riittävän suuri halkaisemaan teräksisen sillan talvella ilman laajenemisliitoksia. Alumiini laajenee kaksi kertaa niin paljon (23×10−6/K), kupari ja messinki välillä, lasi vähän, 9×10−6/K. Nesteet laajenevat yleensä enemmän kuin kiinteät aineet (elohopea 182, vesi käyttäytyy poikkeavasti alle 4 °C:ssa), ja kaasut noudattavat ihannekaasulakia eikä mitään lineaarista laajenemislakia. Rautateiden laajenemisvälit, termostaattien bimetallinauhat ja lämpömittarin nouseva elohopeapylväs ovat kaikki α-ohjattuja.
Lämpötilamuunnos — neljä asteikkoa, kaksi ankkuripistettä
Neljä käytössä olevaa asteikkoa ovat Celsius (veden jäätymis- ja kiehumispiste 1 atm:ssa nollana ja 100:na), Fahrenheit (samankaltainen jakauma eri ankkuripisteillä, yhä yleinen Yhdysvalloissa), Kelvin (absoluuttinen asteikko, jota käytetään kaikissa fysiikan laskuissa) ja Rankine (absoluuttinen Fahrenheit-asteikko). Oletusnäyte (100 °C) antaa 373,15 K, 212 °F ja 671,67 °R. Muunnossäännöt: K = °C + 273,15; °F = °C × 9/5 + 32; °R = °F + 459,67. Absoluuttinen nollapiste on 0 K = −273,15 °C = −459,67 °F = 0 °R, lämpötila, jossa klassinen lämpöliike pysähtyy; kolmas pääsääntö sanoo, ettei mikään äärellinen prosessi voi todella saavuttaa sitä, vain lähestyä yhä tarkemmin.
Carnot-hyötysuhde — minkä tahansa moottorin ylärajä
Carnot-kierto, joka ajetaan kuuman säiliön Th ja kylmän säiliön Tc välillä, on tehokkain mahdollinen lämpömoottori näiden kahden lämpötilan välillä, ja sen hyötysuhde on η = 1 − Tc/Th (absoluuttisina lämpötiloina). Oletusnäyte (Th = 500 K, Tc = 300 K) antaa η ≈ 40 %. Todellisen moottorin, joka polttaa maakaasua 1500 K:ssa ja päästää pakokaasut 300 K:n ympäristöön, Carnot-raja on 80 %; todelliset yhdistetyn kierron voimalaitokset ylettyvät 60 %:iin. Mikään moottori ei voi ylittää Carnot-rajaa — väite seuraa suoraan toisesta pääsäännöstä ja selittää, miksi ikiliikkujat ovat mahdottomia. Lämpöpumput ja jääkaapit noudattavat samaa fysiikkaa ja niillä on suorituskerroin COP = Th/(Th − Tc) lämmitystilassa tai Tc/(Th − Tc) jäähdytystilassa; myös niitä rajoittaa sama palautuva raja. Siksi lämpöpumpun COP voi ylittää 1: se siirtää lämpöä sen sijaan, että muuttaisi sitä, ja tuottaa 3–4 joulea lämpöä jokaista sähköjoulea kohti.
Yleisiä väärinkäsityksiä
- Lämpö ja lämpötila ovat sama asia. Lämpö on kulkeva energia; lämpötila on molekyylien keskimääräinen liike-energia. Lämmintä vettä täynnä oleva kylpyamme sisältää paljon enemmän lämpöä (energiaa) kuin 1500 °C:ssa oleva tikkari, koska massa ratkaisee. Ominaislämpökapasiteetti on muunnoskerroin, jonka avulla sama lämpötilamuutos vaatii eri materiaaleille aivan eri määrän lämpöä.
- Kylmä virtaa kylmästä kuumaan. Lämpö virtaa aina kuumasta kylmään. Kylmän tuntemus on käden lämmön siirtymistä ympäristöön, kunnes lämpötilat tasaantuvat.
- Entropia tarkoittaa epäjärjestystä. Suosittu selitys on harhaanjohtava. Entropia on niiden mikrotilojen lukumäärän logaritmi, jotka sopivat makrotilaan — tarkka laskettava suure, ei epämääräinen kaoottisuuden mitta. Kaasuilla on suurempi entropia kuin kiinteillä aineilla, koska niiden hiukkasten paikat ovat hajautuneempia.
- Moottorin hyötysuhteen voi tehdä 100 %:ksi vähentämällä kitkaa. Kitka on osa häviöistä, mutta pois ei saada poistettua häviötä, joka syntyy lämmön päästämisessä kylmään säiliöön. Jopa kitkaton moottori, joka noudattaa Carnot'n palautuvaa kiertoa, on rajoitettu lukuun 1 − Tc/Th.
Liittyvät työkalut: Moderni fysiikka entropian takana olevaan tilastolliseen mekaniikkaan, Tasapaino termodynamiikan ja reaktion spontaanisuuden välisen ΔG = −RT ln K -yhteyden osalta ja Yksikkömuunnin kalorioiden, joulejen, BTU:n ja elektronivoltien välillä vaihtamiseen.
