Adijabatski proces jest termodinamički proces pri kojem nema izmjene topline s okolinom. Toplina ne izlazi iz sustava niti u njega ulazi. Za adijabatski proces vrijedi:
Struja jakosti je struja koja u dvama paralelnim i neizmjerno dugim ravnim vodičima, zanemarivo malih poprečnih presjeka, smještenima u vakuumu i na međusobnoj udaljenosti od , proizvodi silu po jedinici duljine vodiča od .
Sila
je magnetska sila, kojom magnetsko polje djeluje na vodič kojim teče električna struja. Ta sila naziva se Ampereova sila i dana je izrazom
Taj izraz vrijedi za slučaj kad je vodič postavljen okomito prema smjeru magnetskih silnica. U slučaju da je vodič postavljen pod nekim kutom prema silnicama magnetskog polja, vrijedi:
Nasumično gibanje čestica naziva se Brownovo gibanje. Ono je prouzročeno neuređenim termičkim gibanjem molekula plina koje se nasumično sudaraju s česticama plina.
Charlesov zakon za idealni plin kaže da se uz stalan volumen tlak plina proporcionalno mijenja s promjenom termodinamičke temperature. Promjena stanja plina uz stalan volumen naziva se izovolumna ili izohorna promjena stanja plina.
Elektrostatska sila između dvaju točkastih nabijenih tijela razmjerna je umnošku njihovih naboja
i
, a obrnuto razmjerna kvadratu njihove udaljenosti.
Pojava karakteristična za plinove, tekućine i čvrste tvari pri kojoj dolazi do rasprostiranja tvari zbog razlike u njihovoj koncentraciji naziva se difuzija.
Drugo Kirchhoffovo pravilo kaže da je ukupna razlika potencijala koju stvaraju svi naponski izvori u nekoj zatvorenoj petlji jednaka ukupnom padu napona na svim trošilima u istoj petlji.
Efektivna vrijednost izmjenične struje definira se kao vrijednost koju bi imala ona istosmjerna struja stalne jakosti koja bi u određenom vodiču proizvela jednaki toplinski učinak kao i ta izmjenična struja.
Ekvipotencijalne plohe u električnom polju su plohe koje u svakom svom dijelu imaju jednak potencijal.
Otpor metalnog vodiča
ovisan je o njegovoj geometriji (njegovoj duljini i površini poprečnog presjeka) te o materijalu od kojeg je izrađen. Različiti materijali se različito ponašaju pri prolasku struje kroz njih. To svojstvo materijala nazivamo električna otpornost.
Električna potencijalna energija naboja u nekoj točki električnog polja jednaka je radu potrebnom za premještanje tog naboja iz beskonačnosti u zadanu točku.
Električna struja u metalu jest usmjereno gibanje slobodnih elektrona.
Fizikalna veličina kojom se opisuje sposobnost pohranjivanja naboja, a time i energije električnog polja, naziva se električni kapacitet.
Električni kapacitet
kondenzatora
određen je kvocijentom količine naboja
koju se može pohraniti u kondenzatoru
i primijenjenog napona
.
Električni otpor omskih vodiča definira se kao omjer primijenjenog napona
na krajevima omskog vodiča i jakosti struje
koja njime teče.
Električni potencijal promatrane točke električnog polja je po iznosu jednak radu koji treba obaviti nad nabojem kako bismo ga iz beskonačnosti pomaknuli u promatranu točku.
Električno polje je prostor u kojemu se pojavljuje električna sila. Jakost električnog polja definira se kvocijentom električne sile i naboja na koji sila u promatranoj točki djeluje.
Pojava pri kojoj se promjenjivim magnetskim poljem stvara električno polje i električna struja naziva se elektromagnetska indukcija.
Elektromotorni napon izvora definiramo kao energiju koja se iz neelektričnog oblika (npr. iz kemijske energije) pretvara u obavljeni rad po jediničnom naboju koji prolazi izvorom.
Mjerna jedinica za elektromotorni napon izvora je volt,
.
Elektronvolt (eV) često se rabi kao mjerna jedinica za rad, odnosno energiju, u atomskoj i nuklearnoj fizici, kemiji i molekularnoj biologiji. Jedan elektronvolt je rad što ga obavi elektron gibajući se električnim poljem kroz razliku potencijala od
.
Najmanji naboj u prirodi je elementarni naboj i iznosi
.
Elementarni naboj odgovara naboju jednog protona. Mjerna jedinica za naboj je kulon, oznaka je .
Energija električnog polja kondenzatora je .
Električni kapacitet je skalarna fizikalna veličina. Mjerna jedinica za električni kapacitet jest farad, F.
Faradayev zakon elektromagnetske indukcije glasi: napon induciran na krajevima zavojnice proporcionalan je broju navoja i brzini promjene magnetskog toka.
Gaussovim zakonom izražava se proporcionalnost ukupnog toka električnog polja i količine naboja unutar neke zatvorene plohe.
Gay-Lussacov zakon za idealni plin kaže da se, uz stalan tlak, volumen plina proporcionalno mijenja s promjenom temperature. Takva promjena stanja plina naziva se izobarna promjena stanja plina.
Vrlo razrijeđeni plinovi ili plinovi kojima su molekule na vrlo velikim razmacima, ne sudaraju se, a pritom su i dimenzije samih molekula zanemarive u usporedbi s njihovim udaljenostima. Plin s takvim karakteristikama nazivamo idealni plin.
Rezultantni otpor (impedancija) dobiva se vektorskim zbrajanjem omskog i kapacitivnog otpora:
ili
.
Induktivnost zavojnice karakterizira zavojnicu. Ovisi o broju zavoja i njezinim geometrijskim obilježjima i obliku (broju zavoja, presjeku, duljini) te magnetskim svojstvima prostora u kojem se nalazi (ili permeabilnosti sredstva unutar zavojnice):
.
Mjerna jedinica za induktivnost zavojnice je henri,
.
Pravac koji prikazuje izobarnu promjenu stanja plina naziva se izobara.
Pravac koji prikazuje izohornu promjenu stanja plina naziva se izohora.
Izolirani sustav s okolinom ne razmjenjuje ni materiju ni energiju.
Pravac koji prikazuje ovisnost tlaka plina o volumenu plina pri konstantnoj temperaturi naziva se izoterma.
Promjena stanja plina bez promjene temperature naziva se izotermna promjena stanja plina.
Izvori napona mogu biti:
Jakost električnog polja dviju nabijenih metalnih ploča dana je formulom
.
Jakost električnog polja nabijene metalne ploče dana je formulom
.
Ako je u promatranoj točki sredstva magnetska indukcija
tada je jakost magnetskog polja
definirana:
.
Smjer vektora jakosti magnetskog polja podudara se sa smjerom vektora magnetske indukcije.
Mjerna jedinica za jakost magnetskog polja je amper po metru, .
, to jest
.
Koeficijent proporcionalnosti ima stalnu vrijednost i naziva se Boltzmannova konstanta.
Ona iznosi:
.
Kapacitet pločastog kondenzatora ovisi o površini i razmaku između ploča, te o permitivnosti tvari koja se nalazi između ploča.
Kapacitivni se otpor računa formulom
, odnosno
.
Korisnost toplinskog stroja označava se s (grčko slovo eta), a računa pomoću izraza:
.
Toplina koju neka količina tvari mora primiti iz okoline kako bi iz tekućeg agregacijskog stanja prešla u plinovito naziva se latentna toplina isparavanja i dana je formulom:
.
Toplina koju neka količina tvari mora primiti iz okoline kako bi iz čvrstog agregacijskog stanja prešla u tekuće naziva se latentna toplina taljenja.
Promjena duljine uzrokovana zagrijavanjem tijela kojemu je naglašena samo jedna dimenzija dana je formulom
,
gdje
označava koeficijent linearnog termičkog rastezanja,
početnu duljinu, a
,
je početna temperature tijela koje se linearno termički rasteže ili steže, a
konačna temperatura. Promjena temperature jest razlika konačne i početne temperature
.
Temperaturna razlika izražena u kelvinima ili Celzijevim stupnjevima prema iznosu je jednaka
.
Za bilo koju električki nabijenu česticu koja se giba brzinom okomito na silnice magnetskog polja indukcije djeluje Lorentzova sila dana izrazom:
.
Magnetska indukcija ravnog vodiča kojim teče struja dana je izrazom:
.
Mjerna jedinica za magnetsku indukciju je tesla,
.
Magnetska indukcija u središtu kružne petlje ili prstena kojim teče struja računa se formulom:
.
Magnetska sila između dvaju paralelnih vodiča kojima teku struje dana je izrazom
.
Veličina je permeabilnost sredstva između žica.
Magnetska indukcija zavojnice
proporcionalna je broju zavoja
i struji
koja teče zavojnicom, a obrnuto proporcionalna je duljini zavojnice
.
Formula koja opisuje magnetsku indukciju zavojnice je
.
Mjerna jedinica za električni otpor je ohm, Otpor metalnog vodiča .
U praksi se često koriste veće mjerne jedinice
i
.
Jakost električne struje je jedna od sedam osnovnih fizikalnih veličina. Mjerna jedinica kojom izražavamo jakost električne struje je amper,
.
Definicija jednog ampera određena je na osnovi magnetskog međudjelovanja dvaju paralelnih ravnih vodiča kojima teku struje stalne jakosti, a uvest ćemo je poslije.
Iz definicije jakosti električne struje može se izraziti mjerna jedinica za količinu naboja.
Kroz poprečni presjek vodiča prolazi količina naboja od jednog kulona
kada njime teče struja jakosti jedan amper.
Uz to što se za rad električne struje koristi mjerna jedinica džul , vrlo se često za rad ili utrošak električne energije koristi mjerna jedinica kilovatsat . To je mjerna jedinica kojom se iskazuju vrijednosti utrošene električne energije. Pretvorba je vrlo jednostavna:
.
Vatsekunda je zapravo džul pa se može pisati:
.
Plin možemo smatrati idealnim ako su ispunjena četiri uvjeta:
Ta četiri uvjeta čine osnovne pretpostavke molekularno-kinetičke teorije idealnog plina.
Mjerni instrumenti koji omogućuju mjerenje struje, napona i otpora nazivaju se multimetri ili unimetri. Na sebi imaju prekidač čijim okretanjem mijenjamo mjerna područja i mjerenu veličinu. Na taj način spajamo dodatne shuntove ili predotpore u strujni krug unutarnjeg otpora instrumenta.
Fizikalna veličina koja odgovara razlici potencijala između točaka polja naziva se napon. Napon između dviju točaka u električnom polju definira se kao kvocijent obavljenog rada
i naboja
pomicanog
između tih točaka električnog polja.
U homogenom električnom polju napon između dviju ekvipotencijalnih ploha jednak je umnošku jakosti električnog polja E i razmaka d između ekvipotencijalnih ploha
.
Ohmov zakon za strujni krug može se definirati kao
,
gdje je
otpor trošila,
unutarnji otpor izvora, a
elektromotorni napon izvora
.
Okolina je sva materija izvan termodinamičkog sustava. Termodinamika se upravo bavi istraživanjem načina na koji je sustav u međudjelovanju s okolinom, odnosno bavi se načinima međudjelovanja više termodinamičkih sustava.
Otpor vodiča ovisi o električnoj otpornosti materijala od kojega je izrađen vodič, duljini vodiča i površini poprečnog presjeka vodiča.
Otvoreni sustav jest termodinamički sustav koji s okolinom izmjenjuje energiju, rad i materiju.
Kod paralelno spojenih kondenzatora kapaciteti svih kondenzatora u spoju zbrajaju se.
U paralelnom spoju dvaju otpornika recipročna vrijednost ukupnog otpora jednaka je zbroju recipročnih vrijednosti pojedinih otpornika spojenih paralelno.
Za n paralelno spojenih otpornika ukupni otpor
nalazimo s pomoću formule:
.
Nije moguće konstruirati stroj koji bi nakon izvođenja kružnog procesa bez promjene unutarnje energije proizveo rad uz , odnosno ne postoji stroj koji bi davao rad bez utroška energije.
Kad bi postojao takav stroj, nazvali bismo ga perpetuum mobile prve vrste.
Površinska gustoća naboja određena je količinom naboja po jedinici površine
.
Mjerna jedinica za površinsku gustoću naboja je
.
Promjena entropije definira se izrazom , pri čemu je razlika topline koju sustav izmjenjuje s okolinom, a temperatura sustava. Mjerna jedinica za entropiju jest .
Katkad je potrebno instrumentu proširiti mjerno područje. Za proširenje mjernog područja ampermetra koristi se metoda dodavanja paralelnog otpora, šanta ili shunta u krug s unutarnjim otporom instrumenta.
Prvi zakon termodinamike kaže da se dovedena toplina iz okoline dijelom utroši na povećanje unutarnje energije plina, a dijelom sustavu daje sposobnost obavljanja rada.
Dogovor je da strujama koje ulaze u čvor dodjeljujemo pozitivan predznak, a strujama koje iz čvora izlaze negativan predznak.
Rad električne struje definiran je formulom
gdje je količina naboja koja prođe strujnim krugom kojim teče struja jakosti tijekom određenog vremena .
Mjerna jedninica za rad električne struje je džul, .
Rad plina pri izobarnom procesu jednak je umnošku tlaka plina i promjene volumena plina .
Pojava pri kojoj RLC strujnim krugom poteče najveća struja naziva se električna rezonancija. To se može postići mijenjanjem frekvencije f ili pojedinih otpora, odnosno Frekvencija f pri kojoj se to postiže naziva se rezonantna frekvencija.
Richmannovo pravilo kaže da je količina topline koju tijelo niže temperature primi od tijela više temperature jednaka količini topline koju tijelo više temperature preda tijelu niže temperature.
Recipročna vrijednost ukupnog kapaciteta kod serijskog spoja kondenzatora jednaka je zbroju pojedinačnih recipročnih vrijednosti kapaciteta svakog kondenzatora u spoju.
Dva serijski spojena otpornika s otporima i djeluju u strujnom krugu na isti način kao da je umjesto njih u strujni krug uključen jedan otpornik s otporom koji nazivamo ukupni ili ekvivalentni otpor.
Dakle, kada serijski spojimo n otpornika s otporima
,
,
...
, njihov je ukupni otpor jednak zbroju pojedinačnih otpornika.
Električno polje se može zorno predočiti silnicama. Silnice električnog polja su zamišljene linije kojima pokazujemo jakost i smjer električnog polja.
Smjer električne struje u vodičima je smjer kojim se gibaju pozitivno nabijeni električni naboji.
Smjer električne struje poklapa se sa smjerom električnog polja u vodiču (koje je usmjereno od pozitivnog pola izvora prema negativnom).
Dogovor fizičara jest da se smjer magnetskog polja u točki definira tako da u tu točku stavimo jedan probni magnet. Smjer magnetskog polja u toj točki odgovara smjeru koji pokazuje sjeverni pol magneta.
Snaga električne struje jednaka je umnošku napona i jakosti električne struje.
Specifična latentna toplina isparavanja jest energija potrebna kako bi masa
neke tekućine pri stalnom tlaku i temperaturi u potpunosti isparila.
Specifična latentna toplina taljenja jest energija potrebna da masa čvrste tvari pri stalnom tlaku i temperaturi u potpunosti prijeđe u tekućinu.
Specifični toplinski kapacitet fizikalna je veličina kojom se iskazuje koliku je količinu topline potrebno dovesti jediničnoj masi neke tvari
kako bi joj se temperatura povećala za jedinicu temperature
Izmjerni podatci za jakost struje i pripadajući napon iz prethodno opisanih mjerenja mogu se prikazati grafički. Dobiva se strujno-naponska karakteristika ( , karakteristika) za dani vodič, odnosno , dijagram.
Jakost struje I razmjerna je primijenjenom naponu,
.
Temperatura se označava s
, a mjerna jedinica za temperaturu je kelvin
.
Temperatura na kojoj teorijski gotovo nema termičkoga gibanja ili temperatura na kojoj je brzina gibanja molekula bliska nuli naziva se apsolutna nula. U praksi je nemoguće postići temperaturu , apsolutnu nulu.
Kad se u tekućinu mase
temperature
, koja se nalazi u kalorimetru, umiješa neka druga tekućina (ili se u nju uroni neka čvrsta tvar) mase
i temperature
, dolazi do prijelaza topline s tvari više temperature na tvar niže temperature sve dok ne dođe do toplinske ravnoteže.
Zajednička temperatura naziva se temperatura smjese
.
Zanemarimo li prijelaz topline u okolinu (gubitke), tada vrijedi Richmannovo pravilo ili metoda smjese.
Temperatura pri kojoj voda prelazi iz čvrstog agregacijskog stanja u tekuće, odnosno temperatura pri kojoj se led pretvara u vodu naziva se temperatura tališta.
Temperatura pri kojoj voda prelazi iz tekućeg agregacijskog stanja u plinovito, odnosno temperatura pri kojoj se voda pretvara u vodenu paru naziva se temperatura vrelišta.
Općenito, neka je otpor pri temperaturi ; tada će pri temperaturi otpor biti dan izrazom:
, gdje je .
Poseban slučaj je kada je početna temperatura
tada je
otpor vodiča mjeren pri temperaturi
. Razlika temperatura tada je jednaka konačnoj temperatri
.
Otpor vodiča pri nekoj temperaturi iskazanoj u stupnjevima dan je formulom:
Apsolutna nula, odnosno temperatura od , u Celzijevoj temperaturnoj ljestvici iznosi . Temperatura iskazana u kelvinima naziva se Kelvinova temperatura ili termodinamička temperatura. Označava se s , a mjerna joj je jedinica kelvin ( ).
Termodinamički proces jest prijelaz iz jednog ravnotežnog stanja u drugo, pri čemu se događa promjena veličina koje opisuju stanje plina unutar termodinamičkog sustava.
Naprava za mjerenje temperature naziva se termometar.
Magnetsko polje ima magnetsku indukciju
ako to polje djeluje silom
na vodič duljine
kad njime prolazi struja jakosti
, pri čemu je vodič postavljen okomito na silnice magnetskog polja.
Fizikalna veličina koja opisuje djelovanje sile okomito na površinu nekog tijela nazivamo tlak. Oznaka za tlak je
, a mjerna jedinica paskal,
.
Tok homogenog električnog polja kroz ravnu plohu ploštine
koja je okomita na silnice električnog polja
određen je umnoškom iznosa jakosti električnog polja
i iznosa
vektora površine
Toplina je energija koja spontano prelazi s tijela koje ima višu temperaturu na tijelo koje ima nižu temperaturu dok im se temperature ne izjednače, odnosno dok se ne izjednače njihove unutarnje energije.
Prijelaz topline odvija se među tijelima koja su u termičkom kontaktu.
Toplinski kapacitet kvocijent je topline dovedene tijelu i povećanja temperature koju je toplina prouzročila.
Omjer transformacija glasi
.
Molekule u toplinskom gibanju imaju kinetičku energiju, a zbog međusobnih privlačenja, odnosno odbijanja, imaju i potencijalnu energiju. Ukupan zbroj kinetičkih i potencijalnih energija molekula nekog čvrstog tijela, tekućine ili plina naziva se unutarnja energija .
Unutarnja energija jednoatomnog idealnog plina jednaka je zbroju kinetičkih energija svih molekula u plinu i izračunava se pomoću formule:
.
Mjerna jedinica za potencijal je džul po kulonu
, ili
. Ta jedinica nazvana je volt,
Zbroj svih električnih naboja u izoliranom sustavu je stalan.
Naboj nije moguće stvoriti niti uništiti.
Zatvoreni sustav jest termodinamički sustav koji s okolinom izmjenjuje energiju, odnosno toplinu i rad, a pritom nema izmjene materije preko granice kojom su razdijeljeni sustav i okolina.