Termodinamica è nata da osservazioni che i motori a vapore prodotto calore e non erano completamente efficienti. Nel XIX secolo, gli scienziati hanno articolano tre leggi della termodinamica, che ha descritto il complesso rapporto tra lavoro ed energia; un altro scienziato ha aggiunto una quarta legge nel XX secolo. Termodinamica ha molte applicazioni, che spaziano dalla cosmologia all'ingegneria ed è fondamentale per lo studio della fisica.
Definizione
Termodinamica studia il rapporto tra lavoro ed energia. Quando utilizzato in un contesto scientifico, lavoro descrive una forza operano su un oggetto su una determinata distanza. L'equazione "lavoro = forza x distanza" è l'espressione matematica del lavoro. Energia, in termini scientifici, descrive la capacità di eseguire il lavoro. L'energia ha una varietà di forme. In termodinamica, l'energia può riferirsi a energia cinetica, che è energia legata al movimento, o l'energia termica, che è energia relative alle variazioni di temperatura. Termodinamica riguarda la trasformazione di energia da una forma a altra o da una posizione a altra come viene eseguito il lavoro.
Sviluppo
Miglioramenti di James Watt al design del motore a vapore nel 1760 ha condotto all'uso molto diffuso del motore a vapore e lanciato l'industrializzazione dell'Occidente. Contemporanei non hanno capito perché un motore a vapore non era perfettamente efficiente, o perché il calore era un sottoprodotto del lavoro del motore a vapore. Quando Sadi Carnot, Rudolf Clausius e William Thomson (Signore Kelvin) chiarito i principi della termodinamica nel mid-1800s, hanno spiegato questi puzzle. Carnot e Clausius, Thomson ha spiegato il rapporto tra energia e lavoro attraverso una serie di "Leggi".
In primo luogo due leggi
Carnot articolato che cosa ora è conosciuto come la prima legge della termodinamica nel 1820. La prima legge, detta anche legge di conservazione dell'energia, afferma che energia non può essere distrutto o creato, ma può cambiare forma. L'implicazione è che la quantità totale di energia nell'universo rimane sempre lo stesso. Clausius e Thomson concepì quello che viene chiamato la seconda legge della termodinamica nel 1850. Thomson ha osservato che il calore, che è una forma di energia, non potrebbe convertire in lavoro senza una perdita di energia, mentre Clausius ha osservato che calore non potrebbe procedere da un oggetto freddo a uno caldo. Insieme, questi due concetti esprimono l'idea di entropia, il concetto di energia tende a disperdere a meno che non ha impedito di farlo.
Aggiunte alle leggi
James Clerk Maxwell aggiunto un'altra legge nel 1870, chiamato legge zero perché logicamente dovrebbe venire prima delle altre leggi. La legge zero descrive lo stato di equilibrio che due oggetti con diverse temperature raggiungono quando entrano in contatto. Walther Nernst aggiunto la terza legge della termodinamica al volgere del XX secolo, che esprime la natura dello zero assoluto. Nernst ha rivelato che nessun entropia esiste a 0 gradi Kelvin (zero assoluto).
Tipi
Termodinamica ha applicazioni in molti campi che sono stati sviluppati nel corso del XX secolo. Il lavoro di Clausius e altri ha condotto alla termodinamica statistica, che studia la matematica relazionata a un gran numero di particelle presenti in un sistema chiuso. Geothermodynamics riguarda termodinamica ad alte pressioni. Biothermodynamics coinvolge organismi e dei loro ecosistemi. Termodinamica chimica studia come la composizione di una sostanza potrebbe influire sulle sue proprietà termodinamiche. Termodinamica di ingegneria si applica principi termodinamici per la costruzione di motori o centrali elettriche.