熱力学の概要

熱の物理学

加熱された金属棒。デイブ・キング/ゲッティイメージズ

熱力学は、 物理学分野 間の関係を扱う 熱 およびその他のプロパティ ( プレッシャー 、 密度 、温度など）物質中。

具体的には、熱力学は主にどのように 熱伝達 熱力学的プロセスを受ける物理システム内のさまざまなエネルギー変化に関連しています。そのようなプロセスは通常、 仕事 システムによって行われ、 熱力学の法則 .

伝熱の基本概念

大まかに言えば、材料の熱は、その材料の粒子内に含まれるエネルギーの表現として理解されています。これは、 気体の動力学理論 ただし、この概念はさまざまな程度で固体や液体にも適用されます。これらの粒子の運動による熱は、近くの粒子に伝達されるため、さまざまな方法で材料の他の部分または他の材料に伝達されます。

• 熱接触 2 つの物質が互いの温度に影響を与える場合です。
• 熱平衡 熱的に接触している 2 つの物質が熱を伝達しなくなったときです。
• 熱膨張 物質が熱を得ると体積が膨張するときに起こります。熱収縮も存在します。
• 伝導 加熱された固体を熱が流れるときです。
• 対流 沸騰したお湯で何かを調理するなど、加熱された粒子が別の物質に熱を伝達するときです。
• 放射線 太陽などの電磁波によって熱が伝わる現象です。
• 絶縁 熱伝達を防ぐために低伝導材料が使用されている場合です。

熱力学プロセス

システムは 熱力学的プロセス システム内にある種のエネルギー変化がある場合、一般的には圧力、体積、内部エネルギー (つまり温度)、またはあらゆる種類の熱伝達の変化に関連しています。

特別な特性を持ついくつかの特定のタイプの熱力学的プロセスがあります。

• 断熱過程 - システムへの、またはシステムからの熱伝達がないプロセス。
• 等積過程 - ボリュームが変化しないプロセス。この場合、システムは機能しません。
• 等圧プロセス - 圧力が変化しないプロセス。
• 等温プロセス - 温度変化のないプロセス。

状態の物質

物質の状態とは、物質がどのように結合するか (または結合しないか) を説明する特性を備えた、物質物質が示す物理的構造のタイプの記述です。 5つある 物質の状態 ただし、通常、物質の状態について考える方法には、最初の 3 つだけが含まれます。

• ガス
• 液体
• 個体
• プラズマ
• 超流動（ ボーズ・アインシュタイン凝縮 )

多くの物質は物質の気相、液相、固相の間を遷移できますが、超流動状態に入ることができることが知られている物質はごくわずかです。プラズマは、稲妻などの物質の明確な状態です

• 結露 - 気体から液体へ
• 凍結 - 液体から固体へ
• 融解 - 固体から液体へ
• 昇華 - 固体から気体へ
• 気化 - 液体または固体から気体へ

熱容量

熱容量、 C 、物体の熱の変化の比率（エネルギー変化、Δ Q 、ここでギリシャ記号のデルタ Δ は量の変化を表す) から温度の変化 (Δ T ）。

C = D Q / 日 T

物質の熱容量は、物質が熱くなる容易さを示します。あ 良好な熱伝導体 持っているだろう 低熱容量 、少量のエネルギーが大きな温度変化を引き起こすことを示しています。優れた断熱材は熱容量が大きく、温度変化には多くのエネルギー伝達が必要であることを示しています。

理想気体方程式

いろいろあります 理想気体方程式 温度に関連するもの（ T ₁）、 プレッシャー （ P ₁)、およびボリューム ( の ₁）。熱力学的変化後のこれらの値は、( T ₂)、( P ₂）、 と （ の ₂）。一定量の物質に対して、 n (モルで測定)、次の関係が成り立ちます。

ボイルの法則 ( T 定数):
P ₁ の ₁= P ₂ の ₂
シャルル/ゲイ・リュサック法 ( P 定数):
の ₁/ T ₁= の ₂/ T ₂
理想気体の法則 :
P ₁ の ₁/ T ₁= P ₂ の ₂/ T ₂= n

R それは 理想気体定数 、 R = 8.3145 J/mol*K.したがって、一定量の物質に対して、 n は定数であり、理想気体の法則が得られます。

熱力学の法則

• 熱力学のゼロ次法則 - それぞれが 3 番目のシステムと熱平衡状態にある 2 つのシステムは、互いに熱平衡状態にあります。
• 熱力学第一法則 - システムのエネルギーの変化は、システムに追加されたエネルギーの量から、仕事に費やされたエネルギーを差し引いたものです。
• 熱力学第二法則 - 低温の物体から高温の​​物体への熱の移動を唯一の結果とするプロセスはあり得ません。
• 熱力学第三法則 - 有限の一連の操作でシステムを絶対ゼロに減らすことは不可能です。これは、完全に効率的な熱機関を作成できないことを意味します。

第二法則とエントロピー

熱力学の第二法則は、話をするために言い換えることができます エントロピ 、システム内の障害の定量的測定値です。で割った熱の変化 絶対温度 それは エントロピー変化 プロセスの。このように定義すると、第二法則は次のように言い換えることができます。

閉じたシステムでは、システムのエントロピーは一定のままか、増加します。

に ' クローズドシステム ' だということだ 毎日 システムのエントロピーを計算するときに、プロセスの一部が含まれます。

熱力学の詳細

いくつかの点で、熱力学を物理学の別個の分野として扱うことは誤解を招くものです。熱力学は、天体物理学から生物物理学まで、物理学のほぼすべての分野に関係しています。それらはすべて、システム内のエネルギーの変化をなんらかの形で扱っているからです。システム内のエネルギーを使用して仕事をするシステムの能力 (熱力学の心臓部) がなければ、物理学者が研究するものは何もないでしょう。

そうは言っても、他の現象を研究する際に熱力学を使用する分野もあれば、関連する熱力学の状況に重点を置いている分野も幅広くあります。熱力学のサブフィールドのいくつかを次に示します。

低温物理学 / 極低温学 / 低温物理学- の研究 物理的特性 低温の状況では、地球の最も寒い地域でさえ経験する温度をはるかに下回っています。その一例が超流動の研究です。 流体力学・流体力学- 「流体」の物理的性質の研究。この場合、液体と気体であると明確に定義されています。 高圧物理学- 物理学の研究 一般に流体力学に関連する、非常に高圧のシステム。 気象学/気象物理学- 気象の物理学、大気中の圧力システムなど プラズマ物理学- プラズマ状態の物質の研究。