Termodynamikk er vitenskapen om energi, varme, temperatur og måten materie strømmer mellom tilstander på. Fire lover, rangert i en egen rekkefølge, organiserer hele faget: den nullte sier at termisk likevekt er transitiv (hvis A = B og B = C, så er A = C), noe som rettferdiggjør at temperatur finnes som ett enkelt tall; den første sier at energi bevares, at ΔU = Q − W (varme inn minus arbeid ut endrer et systems indre energi); den andre sier at total entropi i et isolert system aldri avtar — varme strømmer av seg selv fra varmt til kaldt, aldri omvendt; og den tredje sier at et systems entropi når et minimum ved absolutt null, en grense som kan nærmes, men aldri nås. De seks kalkulatorene på dette panelet dekker de praktiske likningene: ideell gasslov og kombinert gasslov, varmekapasitet, termisk utvidelse i tre geometrier, temperaturenhetsomregning og Carnot-virkningsgrad.
Første lov er regnskap, andre lov er retning: den første bevarer energi (man kan ikke vinne); den andre sier at selv perfekt bevart energi blir utilgjengelig for arbeid (man kan ikke komme ut på null). Sammen setter de reglene som enhver motor, kjøleskap og kjemisk reaksjon må følge.
Ideell gasslov — PV = nRT
For en gass som er så fortynnet og varm at molekylene knapt vekselvirker, er trykk, volum, mol og absolutt temperatur knyttet sammen med PV = nRT, der R = 0,082057 L·atm/(mol·K) (eller 8,314 J/(mol·K) i SI-enheter). Standardeksempelet (V = 22,4 L, n = 1 mol, T = 273,15 K) gir P ≈ 1,0007 atm — det klassiske molarvolumet ved STP er 22,4 L nettopp fordi det er hva 1 mol ideell gass opptar ved 1 atm og 0 °C. Loven er eksakt for en ideell gass, og tilnærmet riktig for luft, oksygen og mange andre reelle gasser ved romtemperatur og moderat trykk. Ved høyt trykk eller lav temperatur betyr mellommolekylære krefter og endelig molekylstørrelse noe, og van der Waals-likningen (P + a/V²)(V − b) = nRT korrigerer med to empiriske parametere. De tre andre gasslovene (Boyle, Charles, Gay-Lussac) er spesialtilfeller av PV = nRT ved konstant T, V eller P; den kombinerte gasslov P1V1/T1 = P2V2/T2 håndterer endringer i alle tre samtidig.
Varmeoverføring — Q = m·c·ΔT
Varmen som absorberes av et legeme med masse m og spesifikk varmekapasitet c som endrer temperatur med ΔT, er Q = m·c·ΔT, i joule. Spesifikk varme er energien per kilogram per kelvin; vanns kjent høye verdi på 4 186 J/(kg·K) gjør det til en utmerket termisk buffer. Standardeksempelet (1 kg vann, 4 186 J/(kg·K), ΔT = 50 K) gir Q ≈ 209 300 J (209,3 kJ) — energien som trengs for å varme opp 1 L kaldt kranvann til en behagelig varm temperatur. Andre materialer skiller seg skarpt: aluminium har 900 J/(kg·K), kobber 385, jern 450, glass 840 — et metall varmes opp raskt og kjøles raskt, vann varmes langsomt og avgir varme langsomt. Tallet 4 186 er grunnen til at varmtvannsflasker holder seg varme så lenge, hvorfor havtemperaturene bare endrer seg langsomt gjennom årstidene, og hvorfor kystklima er mildere enn innlandsklima.
Termisk utvidelse — ΔL = α·L0·ΔT
Faste stoffer utvider seg med temperaturen på tre måter, avhengig av geometri: lineært ΔL = αL0ΔT, areal ΔA = 2αA0ΔT, volum ΔV = 3αV0ΔT, der α er den lineære koeffisienten. Standardeksempelet (1 m stål, α = 12×10−6/K, ΔT = 100 K) gir ΔL ≈ 1,2 mm — liten nok til å ignorere i vanlig snekring, men stor nok til å sprekke en stålbro om vinteren uten utvidelsesfuger. Aluminium utvider seg dobbelt så mye (23×10−6/K), kobber og messing ligger mellom, og glass er lavt med 9×10−6/K. Væsker utvider seg vanligvis mer enn faste stoffer (kvikksølv 182, vann oppfører seg avvikende under 4 °C), og gasser følger den ideelle gasslovens utvidelse i stedet for noen lineær utvidelseslov. Utvidelsesgapene i jernbanespor, bimetallstripene i termostater og kvikksølvsøylen som stiger i et termometer er alle styrt av α.
Temperaturomregning — fire skalaer, to ankerpunkter
De fire arbeidsskalaene er Celsius (vannets frysepunkt og kokepunkt ved 1 atm som 0 og 100), Fahrenheit (en lignende spredning med andre ankerpunkter, fortsatt standard i USA), Kelvin (den absolutte skalaen, brukt i alle fysikkberegninger) og Rankine (den absolutte Fahrenheit-skalaen). Standardeksempelet (100 °C) gir 373,15 K, 212 °F og 671,67 °R. Omregningsreglene: K = °C + 273,15; °F = °C × 9/5 + 32; °R = °F + 459,67. Absolutt null er 0 K = −273,15 °C = −459,67 °F = 0 °R, temperaturen der klassisk termisk bevegelse stopper; den tredje loven sier at ingen endelig prosess faktisk kan nå den, bare nærme seg den stadig tettere.
Carnot-virkningsgrad — den øvre grensen for enhver motor
Carnot-syklusen, kjørt mellom et varmt reservoar ved Th og et kaldt reservoar ved Tc, er den mest effektive tenkbare varmemotoren som virker mellom disse to temperaturene, med virkningsgrad η = 1 − Tc/Th (absolutte temperaturer). Standardeksempelet (Th = 500 K, Tc = 300 K) gir η ≈ 40 %. En virkelig motor som brenner naturgass ved 1500 K og slipper ut til et miljø på 300 K har en Carnot-grense på 80 %; virkelige kombikraftverk når 60 %. Ingen motor kan slå Carnot — et utsagn som følger direkte av den andre loven og forklarer hvorfor evighetsmaskiner er umulige. Varmepumper og kjøleskap kjører samme fysikk og har ytelseskoeffisient COP = Th/(Th − Tc) i oppvarmingsmodus eller Tc/(Th − Tc) for kjøling, også begrenset av den samme reversible grensen. Det er derfor COP for en varmepumpe kan overstige 1: den flytter varme i stedet for å gjøre den om, og leverer 3–4 joule varme per joule strøm.
Vanlige misforståelser
- Varme og temperatur er ikke det samme. Varme er energi i transitt; temperatur er den gjennomsnittlige kinetiske energien til molekylene. Et badekar med varmt vann inneholder langt mer varme (energi) enn en tennstikke på 1500 °C, fordi masse teller. Spesifikk varmekapasitet er omregningsfaktoren som gjør at samme temperaturendring krever svært ulike mengder varme for ulike materialer.
- Kulde strømmer fra kald til varm. Varme strømmer alltid fra varm til kald. Følelsen av "kulde som strømmer" er at håndens varme beveger seg ut i omgivelsene til temperaturene utjevnes.
- Entropi betyr uorden. Den populære forklaringen er misvisende. Entropi er logaritmen til antallet mikrotilstander som er forenlige med en makrotilstand — en presis telling, ikke et vagt mål på kaos. Gasser har høyere entropi enn faste stoffer fordi posisjonene deres er mer spredt.
- En motor kan gjøres 100 % effektiv ved å redusere friksjonen. Friksjon er en del av tapet, men det irreduserbare tapet er varmen som dumpes i den kalde reservoaret. Selv en friksjonsfri motor som følger Carnots reversible syklus, er begrenset av 1 − Tc/Th.
Relaterte verktøy: Moderne fysikk for den statistiske mekanikken bak entropi, Likevekt for broen ΔG = −RT ln K mellom termodynamikk og reaksjonens spontanitet, og Enhetsomformer for å veksle mellom kalorier, joule, BTU og elektronvolt.
