Termodynamik är det vetenskapsområde som inkluderar förhållandet mellan värme och andra typer av energi. Termodynamik upptäcktes och studerades med början på 1800-talet. På den tiden var den kopplad till och fick betydelse på grund av användningen av ångmaskiner.
Termodynamik kan delas upp i fyra lagar. Även om den läggs till termodynamikens lagar efter de andra tre lagarna, diskuteras vanligtvis den nollte lagen först. Den säger att om två system är i termisk jämvikt med ett tredje system, så är de i termisk jämvikt med varandra. Med andra ord, om två system har samma temperatur som ett tredje system, då är alla tre samma temperaturer.
Termodynamikens första lag säger att den totala energin i ett system förblir konstant, även om det omvandlas från en form till en annan. Till exempel omvandlas kinetisk energi – den energi som ett föremål har när det rör sig – till värmeenergi när en förare trycker på bromsarna på bilen för att sakta ner den. Det finns ofta slagfraser som hjälper människor att komma ihåg termodynamikens första lag: ”Arbete är värme och värme är arbete.” I grund och botten är arbete och värme likvärdiga.
Termodynamikens andra lag är en av vetenskapens mest grundläggande lagar. Den säger att värme inte kan strömma till ett system vid en högre temperatur från ett system med en lägre temperatur av egen vilja. För att en sådan åtgärd ska inträffa måste arbete utföras. Om en isbit placeras i en kopp varmt vatten smälter isbiten när värmen från vattnet rinner in i den. Slutresultatet är en kopp vatten som är något svalare. Isbitar kan bara bildas om energi används.
Ett annat exempel på att den andra lagen endast fungerar med tillsats av energi kan ses med ett äldre kylskåp. I så fall värmer kylningen av insidan av kylskåpet utsidan av det. Så, arbetet är gjort och arbetet gör värme. Arbetet slutförs av kylens pump.
Termodynamikens andra lag säger också att saker kan slitas ut. Till exempel, om ett tegelhus lämnas ovårdat kommer det så småningom att falla sönder av vind, regn, kyla och andra väderförhållanden. Men om en hög med tegelstenar lämnas utan tillsyn kommer den aldrig att bilda ett hus, om inte arbete läggs till blandningen.
Termodynamikens tredje lag säger att förändringen i entropi av ett system när det konverterar från en form till en annan blir nära noll när dess temperatur närmar sig noll på Kelvin-skalan. Noll på Kelvin-skalan är den absoluta nedre gränsen för temperatur – när atomer och molekyler har minsta möjliga energi. Entropi definieras som tillgången på ett systems energi för att utföra arbete. Så det följer att det finns en absolut skala av entropi. Följaktligen kan inget riktigt system någonsin nå noll grader på Kelvin-skalan.