Lämpöfysiikka
Lämpöfysiikka on termodynamiikan, tilastollisen mekaniikan ja kineettisen teorian yhdistettyä tutkimusta. Tämä sateenvarjo-oppiaine on tyypillisesti tarkoitettu fysiikan opiskelijoille, ja sen tehtävänä on antaa yleinen johdatus kuhunkin kolmesta lämpöön liittyvästä ydinaineesta. Toiset kirjoittajat määrittelevät kuitenkin lämpöfysiikan löyhästi vain termodynamiikan ja tilastollisen mekaniikan yhteenvedoksi.
Bose-Einsteinin kondensaatti - lämpöfysiikan edustava kuva.
Yleiskatsaus
Lämpöfysiikka on yleisesti ottaen fysikaalisten järjestelmien tilastollisen luonteen tutkimista energeettisestä näkökulmasta. Lämpöfysiikka lähtee liikkeelle lämmön ja lämpötilan perusasioista ja analysoi termodynamiikan ensimmäistä ja toista lakia tilastollisesta näkökulmasta eli tiettyä makrotilaa vastaavien mikrotilojen lukumäärän kannalta. Lisäksi entropian käsitettä tutkitaan kvanttiteorian avulla.
Lämpöfysiikan keskeinen aihe on kanoninen todennäköisyysjakauma. Tutkitaan fotonien ja fononien sähkömagneettista luonnetta, mikä osoittaa, että sähkömagneettisten kenttien ja kideristikoiden värähtelyillä on paljon yhteistä. Aallot muodostavat perustan molemmille, jos niihin sisällytetään kvanttiteoria.
Muita lämpöfysiikan aiheita ovat kemiallinen potentiaali, ideaalikaasun kvanttiluonne eli fermionit ja bosonit, Bose-Einsteinin kondensaatio, Gibbsin vapaa energia, Helmholtzin vapaa energia, kemiallinen tasapaino, faasitasapaino, tasaerotuksen teoreema, entropia absoluuttisessa nollapisteessä ja kuljetusprosessit, kuten keskimääräinen vapaa matka, viskositeetti ja johtuminen.
Termodynaamiset välineet
Termodynaamisia mittareita on kahta tyyppiä: mittari ja säiliö. Termodynaaminen mittari on laite, joka mittaa termodynaamisen järjestelmän mitä tahansa parametria. Joissakin tapauksissa termodynaaminen parametri määritellään itse asiassa idealisoidun mittalaitteen avulla. Esimerkiksi nollalain mukaan, jos kaksi kappaletta on termodynaamisessa tasapainossa kolmannen kappaleen kanssa, ne ovat myös termodynaamisessa tasapainossa keskenään. Tämän James Maxwellin vuonna 1872 toteaman periaatteen mukaan lämpötilaa on mahdollista mitata. Ideaalilämpömittari on vakiopaineessa olevan ideaalikaasun näyte.
Termodynaaminen säiliö on järjestelmä, joka on niin suuri, että sen tilaparametrit eivät muutu tuntuvasti, kun se joutuu kosketuksiin testijärjestelmän kanssa.
On tärkeää, että nämä kaksi välinetyyppiä erotetaan toisistaan. Mittari ei hoida tehtäväänsä tarkasti, jos se käyttäytyy kuin sen tilamuuttujan säiliö, jota se yrittää mitata. Jos esimerkiksi lämpömittari toimisi lämpötilasäiliönä, se muuttaisi mitattavan järjestelmän lämpötilaa ja lukema olisi virheellinen. Ihanteelliset mittarit eivät vaikuta mitattavan järjestelmän tilamuuttujiin.
