Varmafræði

Varmafræði er sú grein eðlisfræðinnar sem fjallar um flutning á orku á milli kerfa. Hiti er grundvallarstærð í varmafræði, en einnig er fengist við hugtök eins og orku, vermi, óreiðu, varma og vinnu til að lýsa kerfum og hvernig þau víxlverka. Varmafræði er nátengd safneðlisfræði, sem er oft notuð til að leiða út varmafræðileg sambönd. Lögmál varmafræðinnar eru grundvallarlögmál í eðlisfræði og eru fjögur talsins.

Varmafræði fjallar einungis um hvort hlutir séu komnir í varmafræðilegt jafnvægi eða ekki, en ekki hvernig orka færist á milli hluta. Tveir hlutir sem eru að flytja varma á milli sín eru ekki í varmafræðilegu jafnvægi. Því er sagt að varmafræði sé tímáóháð.

 Lögmál varmafræðinnar 

Varmafræðin hefur tvö grundvallarlögmál, það 1. og 2., en síðar var bætt við s.k. 0. og 3. lögmáli. 

Núllta lögmálið fjallar um varmafræðilegt jafnvægi en tvö kerfi eru sögð í jafnvægi ef enginn heildarflutningur á varma er á milli þeirra. Lögmálið segir að ef kerfi A er í jafnvægi við kerfi B og kerfi B í jafnvægi við kerfi C þá er kerfi A í jafnvægi við kerfi C.

Fyrsta lögmálið er leitt af varðveislu orkunnar. Hvert kerfi inniheldur innri orku (U) sem tengist hreyfi- og stöðuorku sameindanna sem mynda kerfið. Innri orkan getur aðeins breyst með flutningi varma (Q) inn og út úr kerfinu og með vinnu (W) sem kerfið beitir á umhverfið eða öfugt. Í stærðfræðilegum búningi er fyrsta lögmálið því: 

(Í jöfnunni er Q skilgreint sem jákvætt ef varminn berst inn í kerfið og W jákvætt ef kerfið beitir vinnu.)

Annað lögmál varmafræðinnar setur skorður á það hvernig orka getur breytt um form. Það er til í mörgum útgáfum sem allar eru jafngildar. Sem dæmi má nefna útgáfu Clausiusar sem segir að varmi geti ekki borist af sjálfu sér frá kaldari hlut til heitari hlutar og útgáfu Kelvins og Plancks sem segir að ómögulegt sé að breyta varma að öllu leyti í vinnu. Almennasta orðalag annars lögmáls er að óreiða geti aldrei minnkað í lokuðu kerfi, sem ekki skiptir á varma við umhverfi sitt, eða stærðfræðilega
 d S ≥ 0,
þar sem S táknar óreiðu í lokuðu kerfi.

Þriðja lögmálið segir að ómögulegt sé að kæla kerfi niður í alkul, eða
 T ≠ 0,
þar sem T táknar hita kerfis í kelvín, en útilokar ekki neikvæðan hita.