12.1 Núllta lögmál varmafræðinnar: Varmajafnvægi

Í lok þessa kafla muntu geta gert eftirfarandi:

• útskýrt núllta lögmál varmafræðinnar

Stuðningur við kennara

Hæfniviðmiðin í þessum kafla hjálpa nemendum að ná tökum á eftirfarandi stöðlum:

• (6) Vísindahugtök. Nemandinn veit að breytingar eiga sér stað innan eðlisfræðilegs kerfis og beitir lögmálum um varðveislu orku og skriðþunga. Ætlast er til að nemandinn greini og útskýri hversdagsleg dæmi sem sýna lögmál varmafræðinnar, þar á meðal lögmálið um varðveislu orku og lögmálið um óreiðu.

Stuðningur við kennara

[BL] [OL] Rifjið upp hugtakið varma sem flutning orku vegna hitamismunar.

[OL] Spyrjið nemendur hver stefna varmaflæðis væri ef ísmoli væri að bráðna í gosi eða ef glasi af heitu vatni væri komið fyrir í herbergi. Nefnið fleiri dæmi. Spyrjið hversu lengi varmaflutningurinn myndi eiga sér stað og hvað veldur því að varmaflutningur á sér stað.

Við lærðum í fyrri kafla að þegar tveir hlutir eða kerfi eru í snertingu hvor við annan flyst varmi frá hlutnum með hærra hitastig til hlutarins með lægra hitastig þar til báðir hafa náð sama hitastigi. Hlutirnir eru þá í varmajafnvægi og engar frekari hitabreytingar verða ef þeir eru einangraðir frá öðrum kerfum. Kerfin víxlverka og breytast vegna þess að hitastig þeirra er mismunandi og breytingarnar stöðvast þegar hitastig þeirra er orðið hið sama. Varmajafnvægi næst þegar tveir hlutir eru í varmasnertingu, það er þegar varmaflutningur getur átt sér stað milli þeirra. Ef tvö kerfi geta ekki skipst frjálst á orku ná þau ekki varmajafnvægi. Það er lán í óláni að tómarúm er milli jarðar og sólar, því varmajafnvægi við sólina væri of heitt fyrir líf á þessari plánetu.

Ef tvö kerfi, A og B, eru í varmajafnvægi hvort við annað og B er í varmajafnvægi við þriðja kerfi, C, þá er A einnig í varmajafnvægi við C. Þessi staðhæfing kann að virðast augljós, því öll þrjú kerfin hafa sama hitastig, en hún er grundvallaratriði í varmafræði. Hún kallast núllta lögmál varmafræðinnar.

Stuðningur við kennara

[AL] Spyrjið nemendur hvernig við fáum orku frá sólinni þótt sólin og jörðin nái aldrei varmajafnvægi.

Núllta lögmál varmafræðinnar er mjög líkt gegnvirkum eiginleika jafna í stærðfræði: ef a = b og b = c, þá er a = c.

Þú gætir velt því fyrir þér hvers vegna lögmálið ber þetta sérkennilega nafn. Ætti það ekki að kallast fyrsta lögmál varmafræðinnar frekar en núllta lögmálið? Skýringin er sú að lögmálið uppgötvaðist á eftir fyrsta og öðru lögmáli varmafræðinnar en er svo grundvallandi að vísindamenn ákváðu að það ætti rökrétt að koma fyrst.

Sem dæmi um núllta lögmálið í verki má nefna nýfædd börn á vökudeildum sjúkrahúsa. Fyrirburum eða veikum nýburum er komið fyrir í sérstökum hitakössum. Börnin hafa lítil klæði eða ábreiður í hitakössunum og áhorfanda gæti virst þau ekki vera nógu hlý. Hitastig loftsins, vöggunnar og barnsins er hins vegar það sama inni í hitakassanum, það er að segja þau eru í varmajafnvægi. Umhverfishitastigið er nákvæmlega nógu hátt til að halda barninu öruggu og láta því líða vel.

Stuðningur við kennara

[OL] [AL] Biðjið nemendur að koma með fleiri hversdagsleg dæmi um varmaflutning sem sýna núllta lögmál varmafræðinnar.

Varmafræðiverkfræðingur

Varmafræðiverkfræðingar beita lögmálum varmafræðinnar á vélræn kerfi til að búa til eða prófa vörur sem byggjast á víxlverkun varma, vinnu, þrýstings, hitastigs og rúmmáls. Slík vinna fer oft fram í flug- og geimferðaiðnaði, efnaframleiðslu, iðnaðarframleiðslu, orkuverum, hjá vélaframleiðendum eða rafeindafyrirtækjum.

Þörfin fyrir orku skapar talsverða eftirspurn eftir varmafræðiverkfræðingum, því bæði hefðbundin orkufyrirtæki og sprotafyrirtæki í grænni orku treysta á víxlverkun varma og vinnu og þurfa því sérfræðiþekkingu þeirra. Hefðbundin orkufyrirtæki nota aðallega kjarnorku og orku frá brennslu jarðefnaeldsneytis, svo sem kola. Græn orka finnur nýjar leiðir til að beisla endurnýjanlega og oft aðgengilegri orkugjafa, svo sem sól, vatn, vind og líforku.

Varmafræðiverkfræðingur í orkuiðnaði getur fundið hagkvæmustu leiðina til að breyta brennslu lífeldsneytis eða jarðefnaeldsneytis í orku, geyma orkuna fyrir tíma þegar hennar er mest þörf eða finna hvernig best er að flytja orkuna frá framleiðslustað til notkunarstaðar: á heimilum, í verksmiðjum og fyrirtækjum. Hann eða hún gæti einnig hannað mengunarvarnabúnað til að fjarlægja skaðleg mengunarefni úr reyknum sem myndast sem aukaafurð við brennslu eldsneytis. Til dæmis gæti varmafræðiverkfræðingur þróað leið til að fjarlægja kvikasilfur úr reyk frá brennslu kola í kolaorkuveri.

Varmafræðiverkfræði er vaxandi svið. Samkvæmt bandarísku vinnumálastofnuninni var búist við að atvinnutækifærum fjölgaði um allt að 27 prósent á árunum 2012 til 2022. Til að verða varmafræðiverkfræðingur þarftu háskólagráðu í efnaverkfræði, vélaverkfræði, umhverfisverkfræði, flug- og geimverkfræði, byggingarverkfræði eða lífverkfræði, eftir því hvaða starfsferil þú vilt fylgja, með námskeiðum í eðlisfræði og eðlisefnafræði sem leggja áherslu á varmafræði.

Spurning 1. Hvað væri dæmi um eitthvað sem varmafræðiverkfræðingur myndi gera í flugiðnaði?

1. prófa eldsneytisnýtingu þotuhreyfils
2. prófa virkni lendingarbúnaðar
3. prófa virkni lyftistjórnunarbúnaðar
4. prófa sjálfstýringaraðgerðir

Stuðningur við kennara

Notaðu þessar spurningar til að meta árangur nemenda gagnvart hæfniviðmiðum kaflans. Ef nemendur eiga í erfiðleikum með tiltekið markmið hjálpa spurningarnar til við að greina vandann og beina nemendum að viðeigandi efni.

Spurning 2. Hvað er varmajafnvægi?

1. Þegar tveir hlutir í snertingu hvor við annan eru við sama þrýsting eru þeir sagðir vera í varmajafnvægi.
2. Þegar tveir hlutir í snertingu hvor við annan eru við mismunandi hitastig eru þeir sagðir vera í varmajafnvægi.
3. Þegar tveir hlutir í snertingu hvor við annan eru við sama hitastig eru þeir sagðir vera í varmajafnvægi.
4. Þegar tveir hlutir sem eru ekki í snertingu hvor við annan eru við sama þrýsting eru þeir sagðir vera í varmajafnvægi.

Spurning 3. Hvað er núllta lögmál varmafræðinnar?

1. Orka getur hvorki myndast né eyðst í efnahvarfi.
2. Ef tvö kerfi, A og B, eru í varmajafnvægi hvort við annað og B er í varmajafnvægi við þriðja kerfi, C, þá er A einnig í varmajafnvægi við C.
3. Óreiða sérhvers einangraðs kerfis sem ekki er í varmajafnvægi eykst alltaf.
4. Óreiða kerfis nálgast fast gildi þegar hitastig nálgast alkul.