Prawa termodynamiki

Marccophoto/Getty Images

Dziedzina nauki zwana termodynamika zajmuje się systemami, które są w stanie przenosić energia cieplna w co najmniej jedną inną formę energii (mechaniczną, elektryczną itp.) lub w pracę. Prawa termodynamiki zostały opracowane przez lata jako jedne z najbardziej fundamentalnych zasad, które są przestrzegane, gdy układ termodynamiczny idzie przez jakąś zmianę energii .

Historia termodynamiki

Historia termodynamiki zaczyna się od Otto von Guericke, który w 1650 roku zbudował pierwszą na świecie pompę próżniową i zademonstrował próżnię przy użyciu swoich półkul magdeburskich. Guericke został zmuszony do stworzenia próżni, aby obalić długo utrzymywane przypuszczenie Arystotelesa, że ​​„natura nie znosi próżni”. Krótko po Guericke, angielski fizyk i chemik Robert Boyle dowiedział się o projektach Guericke iw 1656 roku, we współpracy z angielskim naukowcem Robertem Hooke, zbudował pompę powietrza. Używając tej pompy, Boyle i Hooke zauważyli korelację między ciśnieniem, temperaturą i objętością. Z czasem sformułowano Prawo Boyle'a, które mówi, że ciśnienie i objętość są odwrotnie proporcjonalne.

Konsekwencje Zasad Termodynamiki

Theprawa termodynamikiwydają się być dość łatwe do określenia i zrozumienia ... tak bardzo, że łatwo jest nie docenić wpływu, jaki wywierają. Między innymi nakładają ograniczenia na wykorzystanie energii we wszechświecie. Bardzo trudno byłoby przecenić znaczenie tego pojęcia. Konsekwencje praw termodynamiki dotykają w jakiś sposób prawie każdego aspektu badań naukowych.

Kluczowe koncepcje zrozumienia praw termodynamiki

Aby zrozumieć prawa termodynamiki, konieczne jest zrozumienie kilku innych pojęć termodynamiki, które się z nimi wiążą.

• Przegląd termodynamiki – przegląd podstawowych zasad z dziedziny termodynamiki
• Energia cieplna - podstawowa definicja energii cieplnej
• Temperatura- podstawowa definicja temperatury
• Wprowadzenie do wymiany ciepła - wyjaśnienie różnych metod wymiany ciepła.
• Procesy termodynamiczne - prawa termodynamiki dotyczą głównie procesów termodynamicznych, kiedy układ termodynamiczny przechodzi pewien rodzaj transferu energii.

Rozwój praw termodynamiki

Badanie ciepła jako odrębnej formy energii rozpoczęło się około 1798 roku, kiedy sir Benjamin Thompson (znany również jako Count Rumford), brytyjski inżynier wojskowy, zauważył, że ciepło może być wytwarzane proporcjonalnie do ilości wykonanej pracy… koncepcja, która ostatecznie stanie się konsekwencją pierwszej zasady termodynamiki.

Francuski fizyk Sadi Carnot po raz pierwszy sformułował podstawową zasadę termodynamiki w 1824 roku. Cykl Carnota silnik cieplny ostatecznie przełożyłby się na drugą zasadę termodynamiki przez niemieckiego fizyka Rudolfa Clausiusa, któremu często przypisuje się sformułowanie pierwszej zasady termodynamiki.

Jednym z powodów szybkiego rozwoju termodynamiki w XIX wieku była potrzeba opracowania wydajnych silników parowych w okresie rewolucji przemysłowej.

Teoria kinetyczna i prawa termodynamiki

Prawa termodynamiki nie dotyczą szczególnie tego, jak i dlaczego wymiany ciepła , co ma sens w przypadku praw sformułowanych przed pełnym przyjęciem teorii atomowej. Zajmują się sumą przemian energetycznych i cieplnych w układzie i nie uwzględniają specyfiki przenoszenia ciepła na poziomie atomowym czy molekularnym.

Zerowe prawo termodynamiki

Ten zerowe prawo jest rodzajem przechodniej własności równowagi termicznej. Przechodnia własność matematyki mówi, że jeśli A = B i B = C, to A = C. To samo dotyczy układów termodynamicznych znajdujących się w równowadze termicznej.

Jedną z konsekwencji prawa zerowego jest idea, że ​​pomiartemperaturama jakiekolwiek znaczenie. W celu pomiaru temperatury, Równowaga termiczna musi być osiągnięty pomiędzy termometrem jako całością, rtęcią wewnątrz termometru i mierzoną substancją. To z kolei skutkuje możliwością dokładnego określenia temperatury substancji.

Prawo to było rozumiane bez wyraźnego sformułowania przez większą część historii badań termodynamiki, a dopiero na początku XX wieku zdano sobie sprawę, że jest to prawo samo w sobie. To brytyjski fizyk Ralph H. Fowler jako pierwszy ukuł termin „prawo zerowe”, opierając się na przekonaniu, że jest ono bardziej fundamentalne niż inne prawa.

Pierwsza zasada termodynamiki

Choć może to brzmieć skomplikowanie, to naprawdę bardzo prosty pomysł. Jeśli dodasz ciepło do systemu, możesz zrobić tylko dwie rzeczy – zmienić energia wewnętrzna systemu lub spowodować, że system zacznie działać (lub, oczywiście, jakaś kombinacja tych dwóch). Cała energia cieplna musi zostać wykorzystana na robienie tych rzeczy.

Matematyczna reprezentacja pierwszego prawa

Fizycy zazwyczaj stosują jednolite konwencje do przedstawiania wielkości w pierwszej zasadzie termodynamiki. Oni są:

• W 1 (lub W i) = początkowa energia wewnętrzna na początku procesu
• W 2 (lub W f) = końcowa energia wewnętrzna na końcu procesu
• delta- W = W dwa - W 1 = Zmiana energii wewnętrznej (używana w przypadkach, gdy specyfika początkowych i końcowych energii wewnętrznych jest nieistotna)
• Q = ciepło przekazywane do ( Q > 0) lub z ( Q <0) the system
• W = praca wykonywane przez system ( W > 0) lub w systemie ( W <0).

Daje to matematyczną reprezentację pierwszego prawa, która okazuje się bardzo przydatna i może być przepisana na kilka użytecznych sposobów:

Analiza proces termodynamiczny , przynajmniej w sytuacji na lekcjach fizyki, zazwyczaj obejmuje analizę sytuacji, w której jedna z tych wielkości jest 0 lub przynajmniej można ją kontrolować w rozsądny sposób. Na przykład w an proces adiabatyczny , wymiana ciepła ( Q ) jest równe 0, gdy w an proces izochoryczny Praca ( W ) jest równe 0.

Pierwsze prawo i zachowanie energii

The pierwsze prawo termodynamiki jest przez wielu postrzegana jako podstawa koncepcji zachowania energii. Zasadniczo mówi, że energia, która trafia do systemu, nie może zostać utracona po drodze, ale musi zostać wykorzystana do zrobienia czegoś… w tym przypadku albo zmienić energię wewnętrzną, albo wykonać pracę.

Z tego punktu widzenia, pierwsza zasada termodynamiki jest jedną z najbardziej dalekosiężnych koncepcji naukowych, jakie kiedykolwiek odkryto.

Druga zasada termodynamiki

Drugie prawo termodynamiki: Drugie prawo termodynamiki jest sformułowane na wiele sposobów, o czym pokrótce zostanie omówione, ale zasadniczo jest to prawo, które - w przeciwieństwie do większości innych praw fizyki - nie dotyczy tego, jak coś zrobić, ale raczej dotyczy wyłącznie umieszczania ograniczenie tego, co można zrobić.

Jest to prawo, które mówi, że natura ogranicza nas do uzyskiwania pewnych wyników bez wkładania w to wiele pracy, i jako taka jest również ściśle związana z koncepcja zachowania energii , podobnie jak pierwsza zasada termodynamiki.

W praktycznych zastosowaniach prawo to oznacza, że ​​każdy silnik cieplny lub podobne urządzenie oparte na zasadach termodynamiki nie może, nawet w teorii, być w 100% sprawne.

Zasada ta została po raz pierwszy wyjaśniona przez francuskiego fizyka i inżyniera Sadi Carnota, gdy opracował Cykl Carnota silnik w 1824 roku, a później został sformalizowany jako prawo termodynamiki przez niemieckiego fizyka Rudolfa Clausiusa.

Entropia i druga zasada termodynamiki

Druga zasada termodynamiki jest prawdopodobnie najbardziej popularna poza dziedziną fizyki, ponieważ jest ściśle związana z koncepcją entropia lub zaburzenie powstałe podczas procesu termodynamicznego. Przeformułowane jako stwierdzenie dotyczące entropii, drugie prawo brzmi:

Innymi słowy, w każdym systemie zamkniętym, za każdym razem, gdy system przechodzi przez proces termodynamiczny, system nigdy nie może całkowicie powrócić do dokładnie tego samego stanu, w jakim był wcześniej. To jest jedna definicja używana dla strzałka czasu ponieważ entropia wszechświata zawsze będzie wzrastać w czasie zgodnie z drugą zasadą termodynamiki.

Inne sformułowania drugiego prawa

Cykliczna transformacja, której jedynym końcowym rezultatem jest przekształcenie ciepła pobieranego ze źródła o tej samej temperaturze przez cały czas w pracę, jest niemożliwa. - Fizyk szkocki William Thompson ( Cykliczna transformacja, której jedynym końcowym rezultatem jest przeniesienie ciepła z ciała o określonej temperaturze do ciała o wyższej temperaturze jest niemożliwe. - Niemiecki fizyk Rudolf Clausius

Wszystkie powyższe sformułowania Drugiej Zasady Termodynamiki są równoważnymi stwierdzeniami tej samej fundamentalnej zasady.

Trzecia zasada termodynamiki

Trzecia zasada termodynamiki jest zasadniczo stwierdzeniem o zdolności do tworzenia absolutny skala temperatury, dla której zero absolutne to punkt, w którym energia wewnętrzna ciała stałego wynosi dokładnie 0.

Różne źródła pokazują następujące trzy potencjalne sformułowania trzeciej zasady termodynamiki:

1. Niemożliwe jest zredukowanie jakiegokolwiek systemu do zera absolutnego w skończonej serii operacji.
2. Entropia idealnego kryształu pierwiastka w jego najbardziej stabilnej postaci dąży do zera, gdy temperatura zbliża się do zera absolutnego.
3. Gdy temperatura zbliża się do zera bezwzględnego, entropia układu zbliża się do stałej

Co oznacza trzecie prawo?

Trzecie prawo oznacza kilka rzeczy i znowu wszystkie te sformułowania dają ten sam wynik w zależności od tego, ile weźmiesz pod uwagę:

Formuła 3 zawiera najmniej ograniczeń, stwierdzając jedynie, że entropia osiąga stałą. W rzeczywistości ta stała jest zerową entropią (jak stwierdzono w sformułowaniu 2). Jednak ze względu na ograniczenia kwantowe w dowolnym układzie fizycznym, zapadnie się on do swojego najniższego stanu kwantowego, ale nigdy nie będzie w stanie idealnie zredukować entropii do 0, dlatego niemożliwe jest zredukowanie układu fizycznego do zera absolutnego w skończonej liczbie kroków (co daje nam formułę 1).