Zákony termodynamiky
Marccophoto/Getty Images
Vedecký odbor tzv termodynamika sa zaoberá systémami, ktoré sú schopné prenášať termálna energia do aspoň jednej inej formy energie (mechanickej, elektrickej atď.) alebo do práce. Zákony termodynamiky boli vyvinuté v priebehu rokov ako niektoré z najzákladnejších pravidiel, ktoré sa dodržiavajú, keď ide termodynamický systém prostredníctvom nejakej zmeny energie .
História termodynamiky
História termodynamiky začína Ottom von Guericke, ktorý v roku 1650 zostrojil prvú vákuovú pumpu na svete a demonštroval vákuum pomocou svojich magdeburských hemisfér. Guericke bol nútený vytvoriť vákuum, aby vyvrátil Aristotelov dlhotrvajúci predpoklad, že „príroda si vákuum nenávidí“. Krátko po Guerickeovi sa anglický fyzik a chemik Robert Boyle dozvedel o Guerickeho návrhoch av roku 1656 v koordinácii s anglickým vedcom Robertom Hookom zostrojil vzduchové čerpadlo. Pomocou tejto pumpy si Boyle a Hooke všimli koreláciu medzi tlakom, teplotou a objemom. Časom bol sformulovaný Boyleov zákon, ktorý hovorí, že tlak a objem sú nepriamo úmerné.
Dôsledky zákonov termodynamiky
Thezákony termodynamikymajú tendenciu byť pomerne ľahko vyjadriteľné a pochopiteľné... až do takej miery, že je ľahké podceniť ich vplyv. Okrem iného obmedzujú spôsob využitia energie vo vesmíre. Bolo by veľmi ťažké zdôrazniť, aký významný je tento koncept. Dôsledky zákonov termodynamiky sa nejakým spôsobom dotýkajú takmer každého aspektu vedeckého bádania.
Kľúčové pojmy pre pochopenie zákonov termodynamiky
Na pochopenie zákonov termodynamiky je nevyhnutné porozumieť niektorým ďalším termodynamickým pojmom, ktoré s nimi súvisia.
- Prehľad termodynamiky - prehľad základných princípov z oblasti termodynamiky
- Tepelná energia - základná definícia tepelnej energie
- Teplota- základná definícia teploty
- Úvod do prenosu tepla - vysvetlenie rôznych spôsobov prenosu tepla.
- Termodynamické procesy - zákony termodynamiky sa väčšinou vzťahujú na termodynamické procesy, keď termodynamický systém prechádza akýmsi energetickým prenosom.
Vývoj zákonov termodynamiky
Štúdium tepla ako osobitnej formy energie sa začalo približne v roku 1798, keď sir Benjamin Thompson (tiež známy ako gróf Rumford), britský vojenský inžinier, si všimol, že teplo sa môže vytvárať úmerne množstvu vykonanej práce... pojem, ktorý by sa v konečnom dôsledku stal dôsledkom prvého zákona termodynamiky.
Francúzsky fyzik Sadi Carnot prvýkrát sformuloval základný princíp termodynamiky v roku 1824. Princípy, ktoré Carnot použil na definovanie svojich Carnotov cyklus tepelný motor by sa nakoniec premietol do druhého termodynamického zákona od nemeckého fyzika Rudolfa Clausiusa, ktorému sa často pripisuje aj formulácia prvého termodynamického zákona.
Jedným z dôvodov rýchleho rozvoja termodynamiky v devätnástom storočí bola potreba vyvinúť účinné parné stroje počas priemyselnej revolúcie.
Kinetická teória a zákony termodynamiky
Zákony termodynamiky sa zvlášť nezaoberajú tým, ako a prečo prenosu tepla , čo dáva zmysel pre zákony, ktoré boli sformulované pred úplným prijatím atómovej teórie. Zaoberajú sa súčtom prechodov energie a tepla v rámci systému a nezohľadňujú špecifický charakter prenosu tepla na atómovej alebo molekulárnej úrovni.
Nultý zákon termodynamiky
Toto nulový zákon je akousi prechodnou vlastnosťou tepelnej rovnováhy. Tranzitívna vlastnosť matematiky hovorí, že ak A = B a B = C, potom A = C. To isté platí pre termodynamické systémy, ktoré sú v tepelnej rovnováhe.
Jedným z dôsledkov nultého zákona je myšlienka, že meranieteplotamá akýkoľvek význam. Ak chcete merať teplotu, tepelná rovnováha musí byť dosiahnuté medzi teplomerom ako celkom, ortuťou vo vnútri teplomera a meranou látkou. To zase vedie k tomu, že je možné presne povedať, aká je teplota látky.
Tento zákon bol pochopený bez toho, aby bol explicitne vyjadrený počas veľkej časti histórie termodynamického štúdia, a že to bol zákon sám o sebe, sa zistilo až na začiatku 20. storočia. Bol to britský fyzik Ralph H. Fowler, kto prvýkrát vytvoril termín „zákon nuly“ na základe presvedčenia, že je ešte zásadnejší ako ostatné zákony.
Prvý zákon termodynamiky
Aj keď to môže znieť zložito, je to skutočne veľmi jednoduchý nápad. Ak do systému pridáte teplo, môžete urobiť len dve veci – zmeniť vnútornej energie systému alebo spôsobiť, že systém bude fungovať (alebo, samozrejme, nejaká kombinácia týchto dvoch). Všetka tepelná energia musí ísť do týchto vecí.
Matematické znázornenie prvého zákona
Fyzici zvyčajne používajú jednotné konvencie na reprezentáciu veličín v prvom termodynamickom zákone. Oni sú:
- IN 1 (príp IN i) = počiatočná vnútorná energia na začiatku procesu
- IN 2 (príp IN f) = konečná vnútorná energia na konci procesu
- delta- IN = IN dva - IN 1 = Zmena vnútornej energie (používa sa v prípadoch, keď sú špecifiká počiatočných a konečných vnútorných energií irelevantné)
- Q = teplo prenesené do ( Q > 0) alebo mimo ( Q <0) the system
- In = práca vykonáva systém ( In > 0) alebo v systéme ( In <0).
Výsledkom je matematická reprezentácia prvého zákona, ktorá sa ukazuje ako veľmi užitočná a môže byť prepísaná niekoľkými užitočnými spôsobmi:
Analýza a termodynamický proces , prinajmenšom v rámci situácie v triede fyziky, vo všeobecnosti zahŕňa analýzu situácie, v ktorej je jedna z týchto veličín buď 0, alebo je aspoň regulovateľná rozumným spôsobom. Napríklad v an adiabatický proces prenos tepla ( Q ) sa rovná 0 v an izochorický proces práca ( In ) sa rovná 0.
Prvý zákon a zachovanie energie
The prvý zákon Termodynamika je mnohými vnímaná ako základ koncepcie zachovania energie. V podstate hovorí, že energia, ktorá ide do systému, sa nemôže stratiť na ceste, ale musí sa použiť na niečo ... v tomto prípade buď zmeniť vnútornú energiu, alebo vykonať prácu.
Z tohto pohľadu je prvý zákon termodynamiky jedným z najrozsiahlejších vedeckých konceptov, aké boli kedy objavené.
Druhý zákon termodynamiky
Druhý termodynamický zákon: Druhý termodynamický zákon je formulovaný mnohými spôsobmi, ako sa o ňom budeme čoskoro venovať, ale v podstate ide o zákon, ktorý sa – na rozdiel od väčšiny iných fyzikálnych zákonov – nezaoberá tým, ako niečo urobiť, ale zaoberá sa výlučne umiestnením. obmedzenie toho, čo možno urobiť.
Je to zákon, ktorý hovorí, že príroda nás obmedzuje v dosahovaní určitých druhov výsledkov bez toho, aby sme tomu venovali veľa práce, a ako taký je tiež úzko spojený s koncepcia zachovania energie , ako je prvý zákon termodynamiky.
V praktických aplikáciách tento zákon znamená, že akékoľvek tepelný motor alebo podobné zariadenie založené na princípoch termodynamiky nemôže byť ani teoreticky 100% účinné.
Tento princíp prvýkrát objasnil francúzsky fyzik a inžinier Sadi Carnot, keď vyvinul svoj Carnotov cyklus motor v roku 1824 a neskôr bol formalizovaný ako zákon termodynamiky od nemeckého fyzika Rudolfa Clausiusa.
Entropia a druhý zákon termodynamiky
Druhý termodynamický zákon je možno najpopulárnejší mimo sféry fyziky, pretože úzko súvisí s pojmom entropia alebo porucha vytvorená počas termodynamického procesu. Druhý zákon, preformulovaný ako vyhlásenie o entropii, znie:
V akomkoľvek uzavretom systéme, inými slovami, zakaždým, keď systém prechádza termodynamickým procesom, systém sa nikdy nemôže úplne vrátiť presne do rovnakého stavu, v akom bol predtým. Toto je jedna definícia používaná pre šípka času pretože entropia vesmíru sa bude časom vždy zvyšovať podľa druhého termodynamického zákona.
Iné formulácie druhého zákona
Cyklická transformácia, ktorej jediným konečným výsledkom je premena tepla získaného zo zdroja, ktorý má po celú dobu rovnakú teplotu, na prácu, je nemožná. - Škótsky fyzik William Thompson (Cyklická transformácia, ktorej jediným konečným výsledkom je prenos tepla z telesa pri danej teplote na teleso s vyššou teplotou je nemožné. - Nemecký fyzik Rudolf Clausius
Všetky vyššie uvedené formulácie druhého zákona termodynamiky sú ekvivalentnými tvrdeniami rovnakého základného princípu.
Tretí zákon termodynamiky
Tretí zákon termodynamiky je v podstate výrokom o schopnosti vytvárať absolútne teplotná stupnica, pre ktorú absolútna nula je bod, v ktorom je vnútorná energia pevnej látky presne 0.
Rôzne zdroje ukazujú nasledujúce tri potenciálne formulácie tretieho zákona termodynamiky:
- Je nemožné zredukovať akýkoľvek systém na absolútnu nulu v konečnej sérii operácií.
- Entropia dokonalého kryštálu prvku v jeho najstabilnejšej forme má tendenciu k nule, keď sa teplota blíži k absolútnej nule.
- Keď sa teplota blíži k absolútnej nule, entropia systému sa blíži ku konštante
Čo znamená tretí zákon
Tretí zákon znamená niekoľko vecí a opäť všetky tieto formulácie vedú k rovnakému výsledku v závislosti od toho, do akej miery beriete do úvahy:
Formulácia 3 obsahuje najmenšie obmedzenia, iba uvádza, že entropia ide do konštanty. V skutočnosti je táto konštanta nulová entropia (ako je uvedené vo formulácii 2). Kvôli kvantovým obmedzeniam na akomkoľvek fyzickom systéme sa však zrúti do svojho najnižšieho kvantového stavu, ale nikdy nebude schopný dokonale znížiť entropiu na 0, preto nie je možné znížiť fyzikálny systém na absolútnu nulu v konečnom počte krokov (čo nám dáva formuláciu 1).