Wat is thermodynamica:
Thermodynamica is de tak van de natuurkunde die de relatie bestudeert tussen warmte, uitgeoefende kracht (ook bekend als werk) en energieoverdracht.
Het woord thermodynamica komt van de Griekse wortels θερμο- (thermo-) wat 'warmte' betekent, en δυναμικός (dynamikos), die op zijn beurt voortkomt uit δύναμις (dýnamis), wat 'kracht' of 'kracht' betekent.
Thermodynamische processen worden bepaald door drie basiswetten.
- De eerste wet stelt ons in staat te begrijpen hoe energie wordt bespaard.
- De tweede wet wordt gebruikt om de voorwaarden te kennen die nodig zijn voor de overdracht van energie.
- De derde wet dient om het gedrag van systemen in evenwicht te kennen.
Het begrijpen van thermodynamische processen is belangrijk in gebieden zoals industriële engineering waar grote hoeveelheden energie moeten worden gebruikt om meerdere machines te laten werken.
De wetten van de thermodynamica stellen ons ook in staat om de werking van systemen te begrijpen op gebieden als biochemie, kosmologie en genetica.
Wetten van de thermodynamica
Er zijn drie wetten in de thermodynamica die verklaren hoe warmte en energie werken en worden overgedragen. We zullen ze hieronder uitgebreid toelichten.
Eerste wet van de thermodynamica
De eerste wet gaat over het behoud van energie: energie wordt niet gecreëerd of vernietigd, het wordt alleen getransformeerd. Bijvoorbeeld:
- Zonne-energie wordt omgezet in elektrische energie voor een tankstation.
- Die elektrische energie kan worden gebruikt om de batterij van de elektrische auto op te laden.
- De elektrische auto is in staat om opgehoopte energie om te zetten in verplaatsing.
Energie is dus altijd in beweging.
De vereenvoudigde formule zou de volgende zijn:
Tweede wet van de thermodynamica
Met de tweede wet van de thermodynamica kunnen twee dingen worden bepaald:
- De richting waarin energieoverdracht plaatsvindt.
- De voorwaarden die nodig zijn om het proces om te keren.
Hieruit leren we dat er omkeerbare en onomkeerbare processen zijn.
Tafelzout vermengt zich bijvoorbeeld spontaan met water via een proces dat verdunning wordt genoemd. Bij dit proces komt warmte vrij.
Om dit proces om te keren en zoutkristallen opnieuw te vormen, moet warmte worden toegepast, waardoor het water kan verdampen en het van het zout kan scheiden. Het systeem neemt warmte op.
De vereenvoudigde formule zou de volgende zijn:
Derde wet van de thermodynamica
De derde wet van de thermodynamica combineert de twee voorgaande wetten en past ze toe op systemen in absoluut evenwicht. In deze toestand is er een minimale energie-uitwisseling en een maximale mate van wanorde (of entropie).
De derde wet wordt toegepast op gesloten systemen. Dit soort systemen zie je alleen in de theoretische natuurkunde en scheikunde.
De vereenvoudigde formule zou deze zijn:
Soorten systemen in de thermodynamica
Om de wetten van de thermodynamica te begrijpen, is het eerst belangrijk om de soorten systemen die er zijn en hun gedrag te kennen.
Alles om ons heen bestaat uit systemen en de meeste systemen die we kennen wisselen energie uit. Systemen worden ingedeeld in drie typen: open, gesloten en geïsoleerd.
- Open systemen: ze wisselen energie en materie uit met de buitenwereld (bijvoorbeeld een vreugdevuur).
- Gesloten systemen: ze wisselen alleen energie uit met de buitenwereld (bijvoorbeeld een mobiele telefoon).
- Geïsoleerde systemen: Ze wisselen geen materie of energie uit (ze zijn alleen theoretisch).
Terwijl de eerste en tweede wet van de thermodynamica van toepassing zijn op open en gesloten systemen, is de derde wet van toepassing op geïsoleerde systemen.
Staat van een systeem
Er zijn twee fundamentele toestanden waarin systemen (ongeacht hun type) kunnen worden gevonden.
- Actieve systemen: als er een energie-uitwisseling is, wordt gezegd dat het systeem actief is.
- Systemen in rust of evenwicht: als er geen energie-uitwisseling is, wordt het systeem als in rust of in evenwicht beschouwd.
Warmte en warmteoverdracht in de thermodynamica
Volgens de natuurkunde is warmte de stroom van energie die ontstaat wanneer twee systemen met verschillende temperaturen met elkaar in contact komen. Thermisch evenwicht wordt bereikt wanneer alle betrokken systemen dezelfde temperatuur bereiken.
Als in thermodynamische systemen twee van hen in evenwicht zijn met een derde systeem, dan zijn ze ook in evenwicht met elkaar. Daarom is de temperatuur bij het bereiken van evenwicht een constante.
