Poznaj trzy zasady termodynamiki

Gałąź nauki o nazwie termodynamika dotyczy systemów, które są w stanie przenieść energia cieplna w co najmniej jedną inną formę energii (mechaniczną, elektryczną itp.) lub do pracy. Prawa termodynamiki zostały opracowane na przestrzeni lat jako jedne z najbardziej podstawowych zasad, które są przestrzegane, gdy układ termodynamiczny przechodzi poprzez jakąś zmianę energii.

Historia termodynamiki zaczyna się od Otto von Guericke, który w 1650 r. Zbudował pierwszą na świecie pompę próżniową i wykazał próżnię za pomocą swoich półkul Magdeburga. Guericke był zmuszony zrobić próżnię, 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, aw 1656 r. We współpracy z angielskim naukowcem Robertem Hooke zbudował pompę powietrzną. Za pomocą tej pompy Boyle i Hooke zauważyli korelację między ciśnieniem, temperaturą i objętością. Z czasem sformułowano Prawo Boyle'a, które stwierdza, że ​​ciśnienie i objętość są odwrotnie proporcjonalne.

The prawa termodynamiki są dość łatwe do stwierdzenia i zrozumienia... tak bardzo, że łatwo nie docenić ich wpływu. Między innymi nakładają ograniczenia na sposób wykorzystania energii we wszechświecie. Bardzo trudno byłoby przecenić znaczenie tej koncepcji. Konsekwencje praw termodynamiki w pewien sposób dotykają prawie każdego aspektu badań naukowych.

Aby zrozumieć prawa termodynamiki, konieczne jest zrozumienie innych związanych z nimi pojęć termodynamicznych.

• Przegląd termodynamiki - przegląd podstawowych zasad z zakresu 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, gdy układ termodynamiczny przechodzi pewien rodzaj transferu energii.

Badanie ciepła jako odrębnej formy energii rozpoczęło się około 1798 r., Kiedy Sir Benjamin Thompson (znany również jako Hrabia Rumford), brytyjski inżynier wojskowy, zauważył, że ciepło może być wytwarzane proporcjonalnie do ilości pracy gotowy... fundamentalna koncepcja, która ostatecznie stałaby się konsekwencją pierwszej zasady termodynamiki.

Francuski fizyk Sadi Carnot po raz pierwszy sformułował podstawową zasadę termodynamiki w 1824 r. Zasady, które Carnot zdefiniował Cykl Carnota silnik cieplny ostatecznie przełoży się na drugą zasadę termodynamiki niemieckiego fizyka Rudolf Clausius, któremu często przypisuje się sformułowanie pierwszego prawa z termodynamika.

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

Prawa termodynamiki nie dotyczą szczególnie tego, jak i dlaczego wymiany ciepła, co ma sens dla praw sformułowanych przed pełnym przyjęciem teorii atomowej. Zajmują się one całkowitą sumą przejść energii i ciepła w systemie i nie uwzględniają specyficznej natury przeniesienia ciepła na poziomie atomowym lub molekularnym.

To prawo zerowe jest rodzajem przechodniości równowagi termicznej. Przechodnia właściwość matematyki mówi, że jeśli A = B i B = C, to A = C. To samo dotyczy układów termodynamicznych, które są w równowadze termicznej.

Jedną z konsekwencji prawa zeroeth jest idea pomiaru temperatura ma jakiekolwiek znaczenie. Aby zmierzyć temperaturę, Równowaga termiczna musi być osiągnięty między termometrem jako całością, rtęcią wewnątrz termometru i mierzoną substancją. To z kolei powoduje, że można dokładnie powiedzieć, jaka jest temperatura substancji.

Prawo to zostało zrozumiane bez wyraźnego stwierdzenia w dużej części historii termodynamiki studium, a dopiero na początku XX wieku zdano sobie sprawę, że było to odrębne prawo stulecie. To był brytyjski fizyk Ralph H. Fowler, który jako pierwszy ukuł termin „prawo zerowe”, opierając się na przekonaniu, że był on bardziej fundamentalny niż inne prawa.

Choć może się to wydawać skomplikowane, jest to naprawdę bardzo prosty pomysł. Jeśli dodasz ciepło do systemu, możesz zrobić tylko dwie rzeczy - zmień energia wewnętrzna systemu lub spowodować, że system zadziała (lub, oczywiście, niektóre kombinacje tych dwóch). Cała energia cieplna musi iść na robienie tych rzeczy.

Fizycy zazwyczaj stosują jednolite konwencje do reprezentowania wielkości w pierwszym prawie termodynamiki. Oni są:

• U1 (lub Ui) = początkowa energia wewnętrzna na początku procesu
• U2 (lub Uf) = końcowa energia wewnętrzna na końcu procesu
• delta-U = U2 - U1 = Zmiana energii wewnętrznej (stosowana w przypadkach, gdy specyfika początkowej i końcowej energii wewnętrznej jest nieistotna)
• Q = ciepło przekazane do (Q > 0) lub poza (Q <0) system
• W. = praca wykonywane przez system (W. > 0) lub w systemie (W. < 0).

Daje to matematyczną reprezentację pierwszego prawa, które okazuje się bardzo przydatne i można je przepisać na kilka przydatnych sposobów:

Analiza a proces termodynamiczny, przynajmniej w ramach zajęć z fizyki, zazwyczaj obejmuje analizę sytuacji, w której jedna z tych wielkości jest równa 0 lub przynajmniej można ją kontrolować w rozsądny sposób. Na przykład w proces adiabatyczny, przenikanie ciepła (Q) jest równe 0 podczas gdy w proces izochoryczny Praca (W.) jest równe 0.

The pierwsze prawo termodynamiki jest postrzegany przez wielu jako podstawa koncepcji zachowania energii. Mówi w zasadzie, że po drodze energia, która trafia do systemu, nie może zostać utracona, ale musi zostać wykorzystana do zrobienia czegoś... w takim przypadku zmień energię wewnętrzną lub wykonaj pracę.

W tym ujęciu pierwsza zasada termodynamiki jest jedną z najdalej idących odkryć naukowych, jakie kiedykolwiek odkryto.

Druga zasada termodynamiki: druga zasada termodynamiki jest sformułowana na wiele sposobów, co zostanie wkrótce omówione, ale jest to w zasadzie prawo który - w przeciwieństwie do większości innych praw w fizyce - nie zajmuje się tym, jak coś zrobić, ale zajmuje się wyłącznie ograniczeniem tego, co może być gotowy.

Jest to prawo, które mówi, że natura ogranicza nas od osiągania określonych rezultatów bez wkładania w to dużo pracy, i jako taka jest również ściśle związana z koncepcja zachowania energii, podobnie jak pierwsza zasada termodynamiki.

W praktyce zastosowanie tego prawa oznacza, że ​​każdy silnik cieplny lub podobne urządzenie oparte na zasadach termodynamiki nie może, nawet teoretycznie, być w 100% sprawne.

Zasada ta została po raz pierwszy wyjaśniona przez francuskiego fizyka i inżyniera Sadi Carnota, gdy opracował swój Cykl Carnota silnik w 1824 r., a później został sformalizowany jako prawo termodynamiki niemiecki fizyk Rudolf Clausius.

Druga zasada termodynamiki jest chyba najbardziej popularna poza sferą fizyki, ponieważ jest ściśle związana z koncepcją entropia lub zaburzenie powstałe podczas procesu termodynamicznego. Drugie prawo, przeformułowane jako stwierdzenie dotyczące entropii, brzmi:

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

Cykliczna transformacja, której jedynym końcowym rezultatem jest przekształcenie ciepła wydobywanego ze źródła o tej samej temperaturze przez cały czas pracy, jest niemożliwa. - szkocki fizyk William Thompson (Cykliczna transformacja, której jedynym końcowym rezultatem jest przeniesienie ciepła z ciała o danej temperaturze do ciała o wyższej temperaturze, jest niemożliwa. - niemiecki fizyk Rudolf Clausius

Wszystkie powyższe sformułowania drugiej zasady termodynamiki są równoważnymi stwierdzeniami tej samej podstawowej zasady.

Trzecie prawo termodynamiki jest zasadniczo stwierdzeniem o zdolności do tworzenia absolutny skala temperatury, dla której zero absolutne jest punktem, w którym energia wewnętrzna ciała stałego wynosi dokładnie 0.

Różne źródła pokazują następujące trzy potencjalne sformułowania trzeciej zasady termodynamiki:

1. Nie można sprowadzić żadnego systemu do zera absolutnego w skończonej serii operacji.
2. Entropia idealnego kryształu elementu w jego najbardziej stabilnej formie dąży do zera, gdy temperatura zbliża się do zera absolutnego.
3. Gdy temperatura zbliża się do zera absolutnego, entropia układu zbliża się do stałej

Trzecie prawo oznacza kilka rzeczy i znowu wszystkie te sformułowania dają taki sam rezultat w zależności od tego, ile bierzesz pod uwagę:

Formuła 3 zawiera najmniej ograniczeń, jedynie stwierdzając, że entropia przechodzi do stałej. W rzeczywistości ta stała jest zerową entropią (jak stwierdzono w sformułowaniu 2). Jednak z powodu ograniczeń kwantowych dowolnego układu fizycznego zapadnie się w najniższy stan kwantowy, ale nigdy nie będzie w stanie idealnie zredukować do 0 entropii, dlatego nie można zredukować układu fizycznego do zera absolutnego w skończonej liczbie kroków (co daje nam sformułowanie 1).