Studies of heat energy and its transformation into or from other forms of energy.

Normally the transformation is accompanied by a change of temperature or even phase of a system.

An important aim of thermodynamic studies is to find out ways to improve the efficiency of the process of an energy transformation.

Examples: How a steam engine move mechanically, How a refrigerator is able to cool its contents, What happens to the kinetic energy of an object as it comes to a rest.

Thermodynamics

The principles and laws of thermodynamics are empirical, based on observation and experience (experiment)

They are concerned with the macroscopic properties such pressure and temperature.

The macroscopic properties are the average effect caused by the change of the energy state of the system.

At the microscopic scale, the energy of the particles in the system follows a certain distribution: Statistical consideration Theory kinetic

Thermodynamics systemsA thermodynamic system is a part of the universe enclosed by a boundary.Boundary – real or imaginary

Three types of system:(a)Isolated system – no interaction with other system(b)Closed system – no material can flow into or out of the system(c)Open system – material can flow into or out of the system

The state of the system

Defined by the properties of systems such as 

temperature, pressure, volume and others

2 types of properties:(a)Extensive property – will change if the mass of the system is changed.

e.g. total volume; total energy(a)Intensive property – will not change even if the mass of the system is changed.

e.g. temperature; pressure; density

Two objects are in thermal contact with each other if energy can be exchanged between them.

The exchange of energy will be in the form of heat (vibrations of atoms/molecules), flow of fluid or electromagnetic radiation. 

The energy is exchanged due to a temperature difference. 

Thermal equilibrium is a situation in which two objects would not have net exchange of the energy if they were placed in thermal contact. 

Thermodynamic equilibrium

Besides Thermal Equilibrium, a system can also be at:Mechanical Equilibrium – all elements in the system have weights that balance the force acting on them due to pressure.Chemical Equilibrium – if the system consists of reactive components, either the reactions have stopped or for reversible reactions, reactions in both directions occur at equal rates.System that has achieved all three equilibrium is said to be at Thermodynamic Equilibrium.

Thermodynamic Processes

If the properties of a system is changing, the system is said to be undergoing a certain process.If the piston is pushed rapidly, the process is non‐quasistatic ‐ equilibrium is disturbed.If the piston is pushed very slowly so that the system is maintained at equilibrium, the process is said to be quasistatic.If the quasistatic process is reversible, it is a reversible process (if no energy is loss during the process).

If objects A and B are separately in thermal 

equilibrium with a third object C, then A and B are 

in thermal equilibrium with each other.

Let object C be the thermometer,

Since they are in thermal equilibrium with each 

other, there is no energy exchanged among them.

Zeroth law of thermodynamic

Example 1:

Object C (thermometer) is placed in contact with A until they achieve thermal equilibrium. The reading on C is recorded. 

Object C is then placed in contact with object B until they achieve thermal equilibrium.  The reading on C is recorded again. 

If the two readings are the same, we can conclude that A and B are in thermal equilibrium with each other. 

Temperature Temperature is a fundamental 

physical parameter. It is an experimental fact that many properties of an object depend on temperature.

For example, the resistance of a conductor. In the upper figure we plot the resistivity,  of copper as a function of T. We can use R or any other parameter that depends on T to pin down the concept of temperature. 

Temperature can be thought of as the property that determines whether an object is in thermal equilibrium with other objects. 

Two objects in thermal equilibrium with each other are at the same temperature. 

If two objects have different temperatures, they are not in thermal equilibrium with each other. 

Temperature is something that determines whether or not energy will transfer between two objects in thermal contact. 

Example 2: Absolute temperatures

A thermometer is a device that is used to measure the temperature of a system.

Thermometers are based on the principle that some physical property of a system changes as the system’s temperature changes.

These properties includes: The volume of a liquid The dimensions of a solid The pressure of a gas at a constant volume The volume of a gas at a constant pressure The electric resistance of a conductor  A temperature scale can be established on the basis of 

any of these physics properties.

Thermometers

Type of thermometers(a) Common thermometer

Expansion of mercury or some liquidLength of column (volume) indicates level of temperature

(b) Gas thermometer

Gas law:                        m is constant

If P is constant, thenIf V is constant, thenP, V are called thermometric properties

P V m ,T

V TP T

Constant P, level A indicates temperature.

Constant V: Level B adjusted to zero level, then level A 

indicates temperature.

Absolute zero

For the pressure extrapolates to zero at a temperature point at ‐273.15C, called absolute zero (0K).

The size of the degree on the absolute scale is the same as the size of the degree on the Celsius scale.

Relation between Kelvin scale and Celsius scale:  

273 15KK CT T .

Celsius scale and Fahrenheit scale have different sized degrees and different starting points.

Relation between Fahrenheit scale and Celsius scale:  

o9 32 F5F CT T

Ice‐point temperatures

0oC = 273.15K = 32oF 

Steam‐point temperatures

100oC = 373.15K = 212oF 

Example 3:

Give the temperature point of 50C in K scale and oF scale. 

(c) Resistive thermometer

Resistance 

and  are temperature coefficients,Ro is resistance at T = 0oC

21oR R T T

(d) Thermocouple

emf produced between the two junctions of Cu‐Fe, one which is at ice point (C)

Reference temperatures

Pressure Ps is that at the normal boiling point of water (the steam point).

The graph shows all the curves extrapolated at a common point called empirical gas temperature Ts as: 

3 303 limg

P V

PT T ,P

V indicating that the pressures are measured at constant volume.

Example 4:Calibration on the thermometer scale

Reference points (pure water) at atmospheric pressure

The steam point, Ts

The ice point, Ti

Using the constant volume gas thermometer,

Obtain Ps and Pi

Choose Ts – Ti = 100 

From experiment, Ps/Pi=1.3661

Ti = 273.15K and Ts = 373.15K

i i

s s V

T PT P

100 100

1i i

iss i

i

P PTPP P

P