Värme av materia
inom ett slutet system är värme och sysselsättning de enda sätten energi kan passera systemgränsen. Likt arbete existerar det enbart i energiövergången från ett system till ett annat, alternativt till systemets omgivning. För ett enkelt kompressibelt system, som exempelvis en ideal gas inom en cylinder, gäller att förändringen i inre energi Δ U vid konstant volym samt förändringen i entalpi Δ H vid konstant tryck kan modelleras utifrån olika värmekapaciteter , C v respektive C p.
Energiöverföring likt sker på grund av en förändring hos externa mekaniska parametrar som volym , tryck , magnetiskt fält och liknande är, per definition, arbete.
Värme och termodynamik
Värmeöverföring leder till en förändring hos systemens termiska energi vilket kan ske till följd av masstransport, konduktion , konvektion eller termisk strålning. Termodynamikens första huvudsats postulerar att differensen mellan tillfört värme Q och uträttat arbete W inom ett system är lika stor som förändringen i systemets inre energi U :. Då två system med olika temperatur är inom termisk kontakt med varandra kommer de för att utbyta energi till dess att båda struktur har samma temperatur, ett tillstånd som kallas termisk jämvikt.
Både entalpi och inre energi är tillståndsfunktioner , det vill säga för att de är oberoende av hur tillståndet uppnåddes, till skillnad mot exempelvis värme och sysselsättning som båda är vägberoende storheter. Ur en termodynamiskt hänseende kan värme aldrig lagras inom ett system. För processer som involverar värmeöverföring utgör dock Δ W en inexakt differential. För gaser med två och tre atomer är värmekapaciteterna mer beroende av temperaturen.
Detta födde tanken om reversibla förlustfria och irreversibla verkliga processer. För inkompressibla ämnen, som exempelvis fasta material och vätskor , försvinner skillnaden mellan de olika värmekapaciteterna, C v till konstant volym och C p för konstant tryck. Om man lämnar inskränkningen i volym och istället tillåter att systemet får expandera och dras samman vid konstant tryck , ges istället det värme som krävs till att förändra temperaturen av:.
Detta faktum ledde till ett historiskt viktigt teorem, Clausius olikhet : [ 12 ]. I ett isolerat system kan ingen energi utbytas med omgivningen, alltså kan inget värme passera systemgränsen. Värme flödar spontant från system med en högre temperatur till system med lägre temperatur, dock värmeflöde i motsatt riktning sker inte spontant. Värmeöverföring till en ideal gas vid konstant tryck ökar den inre energin och uträttar gränsarbete, det vill säga möjliggör kompression samt expansion av en gasen, förutsatt att volymen inte är begränsad.
Den inre energin existerar nära kopplad till molekylernas struktur och rörelse och kan betraktas som summan av molekylernas kinetiska och potentiella energi. Latent värme existerar det värme som avges eller absorberas från ett kemiskt ämne eller termodynamiskt system nära en isoterm tillståndsförändring, exempelvis vid fasövergångar såsom smältning av is eller kokning av vätska. De specifika värmekapaciteterna för monatomiska gaser, exempelvis helium , är nästan helt oberoende från gasens temperatur.
Specifik värmekapacitet är en fysikalisk storhet, vilket innebär att den är beroende av vilket ämne som betraktas och dess tillstånd. Inre energi är summan av varenda former av energi i systemet, förutom kurera systemets kinetiska och potentiella energi. Det värme som krävs för att vid konstant volym förändra temperaturen hos den ideala gasen ifrån ursprungstemperaturen T 0 till den slutliga temperaturen T f ges av:.
Ett närliggande term är termisk energi , vilket är löst definierat som den energi hos en lekamen som ökar med dess temperatur. Den skotske fysikern James Clerk Maxwell var, i sitt verk Theory of Heat , en från de första att uttrycka en modern definition på värme:. Benämningar som varmt och kallt är relativa termer som generellt används till att jämföra temperaturen hos ett system tillsammans med ett annat. På samma sätt gäller för att arbete, Δ W , utgör en detaljerad differential för alla adiabatiska processer processer utan värmeöverföring.
För processer som inte involverar någon volymförändring, påverkas av magnetiska fält, eller vid annat sätt påverkas av externa parametrar, utgör emellertid Δ Q en exakt differential. ifall man i första huvudsatsen delar in jobb i gränsarbete och övrigt , exempelvis axelarbete från en turbin, ges:. Den tyske fysikern Rudolf Clausius formulerade i mitten av talet termodynamikens andra huvudsats :.
Detta eftersom inget tryck-volym-arbete uträttas på eller av systemet. då energi i form av värme tillförs en system lagras det i form av kinetisk och potentiell energi hos systemets atomer samt molekyler. Stora delar av den tillämpade termodynamiken handlar om att minimera värmeförluster i verkliga irreversibla processer. Värme är den process var termisk energi flödar från ett system mot ett annat. Värmeöverföringen till en kropp tillsammans samma eller högre temperatur kan endast ske genom att arbete utförs, som med enstaka värmepump.
Vad är värme?
Olikheten innebär för att för samtliga cykelprocesser sker någon form från värmeförlust, förutom i det reversibla fallet då likhet gäller. Sensibelt värme, i motsats mot latent värme, är den värmeöverföring till en termodynamiskt system vilken resulterar i en temperaturförändring hos systemet. Det infinitesimala uttrycket för värme, Δ Q , utgör en inexakt differential för processer som involverar arbete.
Värme är kapabel även ses som den energiöverföring som sker till ett system men som inte existerar i form av arbete. Värme , alternativt värmemängd , är ett begrepp inom termodynamiken som beskriver den energiöverföring som sker mellan två system till följd av en temperaturdifferens , vilket postuleras i termodynamikens nollte huvudsats.
Detta innebär att systemets energi antingen kan förändras genom arbete eller via värmeflöde över systemgränsen. Naturlig värmeöverföring sker endast spontant till den kallare kroppen, i enlighet tillsammans termodynamikens andra huvudsats. Specifik värmekapacitet , alternativt värmekapacitivitet, är definierat som den mängd energi som måste överföras till eller från en ämne per massenhet kilogram eller substansmängd mol för att ämnets temperatur ska stiga enstaka grad.