Termodinamikos dėsniai: apibrėžimas, lygtys ir pavyzdžiai

Nuolatinis siurblys yra vienas iš daugelio amžinojo judesio aparatų, kurie buvo sukurti per daugelį metų, siekiant sukurti nuolatinį judėjimą ir dažnai dėl to laisvą energiją. Konstrukcija yra gana paprasta: vanduo pakyla nuo pakeltos platformos virš vandens rato, pritvirtinto prie krumpliaračių, kuris savo ruožtu valdo siurblį, kuris ištraukia vandenį iš paviršiaus atgal į pakeltą platformą, kur prasideda procesas vėl.

Pirmą kartą išgirdę apie tokį dizainą, galite pagalvoti, kad tai įmanoma ir net gera idėja. Tuometiniai mokslininkai sutiko, kol buvo atrasti termodinamikos dėsniai ir vienu ypu sužlugdė visų žmonių viltis į amžinąjį judėjimą.

Termodinamikos dėsniai yra vieni svarbiausių fizikos dėsnių. Jie siekia apibūdinti energiją, įskaitant tai, kaip ji perduodama ir išsaugoma, kartu su svarbiausia energijos samprataentropijasistemos dalis, kuri užmuša visą amžinojo judesio viltį. Jei esate fizikos studentas arba tiesiog norite suprasti daugybę termodinamikos dalykų procesų, vykstančių aplink jus, keturių termodinamikos dėsnių mokymasis yra esminis žingsnis tavo kelionė.

Termodinamika yra fizikos šaka, kuri tiriašilumos energijos ir vidinės energijostermodinaminėse sistemose. Šilumos energija yra energija, perduodama perduodant šilumą, o vidinę energiją galima pagalvoti apie visų sistemos dalelių kinetinės energijos ir potencialios energijos sumą.

Naudojant kinetinę teoriją kaip įrankį, kuris paaiškina materijos kūno savybes, tyrinėdamas judesius jos sudedamosios dalelės - fizikai sugebėjo išvesti daug svarbių ryšių tarp svarbių kiekiai. Žinoma, apskaičiuoti bendrą milijardų atomų energiją būtų nepraktiška, atsižvelgiant į efektyvų jų atsitiktinumą tikslūs judesiai, todėl ryšiams išgauti naudojami procesai buvo statomi statistikos mechanikos ir panašiai požiūriai.

Iš esmės supaprastino prielaidas ir sutelkė dėmesį į „vidutinį“ elgesį per daug molekulių mokslininkams įrankiai, skirti analizuoti visą sistemą, neįstrigus nesibaigiančiuose vieno milijardo skaičiavimuose atomų.

Norėdami suprasti termodinamikos dėsnius, turite įsitikinti, kad suprantate keletą svarbiausių terminų.Temperatūrayra vidutinės medžiagos molekulės kinetinės energijos matas, t. y. kiek molekulės juda aplink (skystyje ar dujose) arba vibruoja vietoje (kietojoje medžiagoje). SI temperatūros vienetas yra Kelvinas, kur 0 Kelvino yra žinomas kaip „absoliutus nulis“, tai yra šalčiausia įmanoma temperatūra (skirtingai nuo nulinės temperatūros kitose sistemose), kur visas molekulinis judėjimas nutrūksta.

​Vidinė energijayra bendra molekulių energija sistemoje, reiškianti jų kinetinės energijos ir potencialios energijos sumą. Temperatūros skirtumas tarp dviejų medžiagų leidžia šilumai tekėti, o tai yrašiluminė energijakad perkelia iš vieno į kitą.Termodinaminis darbasyra mechaninis darbas, kuris atliekamas naudojant šilumos energiją, pavyzdžiui, šilumos variklyje (kartais vadinamas Carnot varikliu).

​Entropijayra sąvoka, kurią sunku aiškiai apibrėžti žodžiais, tačiau matematiškai ji apibrėžiama kaip Boltzmanno konstanta (k​ = 1.381 × 10⁻²³ m² kg s⁻¹ K.⁻¹), padaugintą iš natūralaus sistemos mikrovaldžių skaičiaus logaritmo. Žodžiais, tai dažnai vadinama „sutrikimo“ matu, tačiau tiksliau galima galvoti apie laipsnį kurios sistemos būsena neatsiejama nuo daugybės kitų būsenų, žiūrint makroskopu lygiu.

Pavyzdžiui, susivėlęs ausinių laidas turi daugybę konkrečių galimų išdėstymų, tačiau dauguma jų atrodo teisingai tokie pat „susivėlę“ kaip kiti ir todėl turi didesnę entropiją nei būsena, kai viela tvarkingai suvyniota, nesusivėlus.

Nulinis termodinamikos dėsnis gauna jo skaičių, nes pirmasis, antrasis ir trečiasis dėsniai yra labiausiai žinomi ir plačiai mokoma, tačiau tai ne mažiau svarbu suprasti termodinamikos sąveiką sistemas. Nulinis dėsnis teigia, kad jei šiluminė sistema A yra šiluminėje pusiausvyroje su šilumine sistema B, ir B sistema yra šiluminėje pusiausvyroje su C sistema, tada A sistema turi būti pusiausvyroje su sistema C.

Tai lengva atsiminti, jei pagalvotumėte, ką reiškia vienos sistemos pusiausvyra su kita. Mąstymas šilumos ir temperatūros požiūriu: kai šiluma tekėjo kaip tokia, dvi sistemos yra pusiausvyroje. juos į tą pačią temperatūrą, kaip ir vienodą šiltą temperatūrą, kurią gausite užpylę verdančio vandens į ąsotį su šaltesniu vandens.

Kai jie yra pusiausvyroje (t. Y. Toje pačioje temperatūroje), šilumos perdavimas nevyksta arba srautas iš kitos sistemos greitai pašalina bet kokį nedidelį šilumos srautą.

Galvojant apie tai, prasminga, jei į šią situaciją atvesite trečią sistemą, ji pasislinks link pusiausvyra su antrąja sistema, o jei ji yra pusiausvyroje, ji taip pat bus pusiausvyroje su pirmąja sistema taip pat.

Pirmasis termodinamikos dėsnis teigia, kad sistemos vidinės energijos pokytis (∆U) yra lygi į sistemą perduotai šilumai (Klausimas) atėmus sistemos atliktą darbą (W). Simboliuose tai yra:

Iš esmės tai yra energijos išsaugojimo dėsnis. Sistema įgyja energiją, jei į ją perduodama šiluma, ir ją praranda, jei veikia su kita sistema, o energijos srautas yra atvirkštinis priešingose ​​situacijose. Prisimenant, kad šiluma yra energijos perdavimo forma, o darbas yra mechaninės energijos perdavimas, nesunku pastebėti, kad šis dėsnis tiesiog pakartoja energijos išsaugojimą.

Antrasis termodinamikos dėsnis teigia, kad bendra uždaros sistemos (t. Y. Izoliuotos sistemos) entropija niekada nesumažėja, tačiau ji gali padidėti arba (teoriškai) išlikti ta pati.

Tai dažnai aiškinama taip, kad bet kurios izoliuotos sistemos „sutrikimas“ laikui bėgant didėja, tačiau kaip buvo aptarta aukščiau, tai nėra griežtai tikslus būdas pažvelgti į sąvoką, nors ir plačiai teisingai. Antrasis termodinamikos dėsnis iš esmės teigia, kad atsitiktiniai procesai sukelia „netvarką“ griežta matematine šio termino prasme.

Kitas įprastas klaidingos nuomonės apie antrąjį termodinamikos dėsnį šaltinis yra „uždaro“ reikšmė sistema “. Tai turėtų būti laikoma sistema, izoliuota nuo išorinio pasaulio, tačiau be šios izoliacijos, entropijagalimažinti. Pavyzdžiui, savaime paliktas netvarkingas miegamasis niekada netaps tvarkingesnis, bet taipgalipereiti į labiau organizuotą žemesnės entropijos būseną, jei kas nors įeina ir ją dirba (t. y. valo).

Trečiasis termodinamikos dėsnis teigia, kad sistemos temperatūrai artėjant prie absoliutaus nulio, sistemos entropija artėja prie konstantos. Kitaip tariant, antrasis dėsnis palieka atvirą galimybę, kad sistemos entropija gali likti pastovi, tačiau trečiasis dėsnis paaiškina, kad tai įvyksta tikabsoliutus nulis​.

Trečiasis įstatymas taip pat reiškia, kad (ir kartais teigiama kaip) neįmanoma sumažinti sistemos temperatūros iki absoliutaus nulio atliekant bet kokį baigtinį operacijų skaičių. Kitaip tariant, iš tikrųjų neįmanoma pasiekti absoliutaus nulio, nors įmanoma priartėti prie jo ir sumažinti sistemos entropijos padidėjimą.

Kai sistemos priartėja prie absoliutaus nulio, gali atsirasti neįprastas elgesys. Pavyzdžiui, esant beveik absoliučiam nuliui, daugelis medžiagų praranda visą atsparumą elektros srovės srautui, pereidamos į būseną, vadinamą superlaidumu. Taip yra todėl, kad atsparumą srovei sukuria atsitiktinis judesio branduolių judėjimas atomai laidininke - arti absoliutaus nulio, jie vos juda, todėl varža yra kuo mažesnė.

Termodinamikos ir energijos išsaugojimo dėsniai paaiškina, kodėl amžinojo judesio mašinos nėra įmanomos. Procese visada atsiras tam tikra „švaistoma“ energija bet kokiam jūsų pasirinktam dizainui pagal antrąjį termodinamikos dėsnį: Padidės sistemos entropija.

Energijos išsaugojimo dėsnis rodo, kad bet kokia energija mašinoje turi būti iš kažkur, ir polinkis į entropiją parodo, kodėl mašina neperduos energijos iš vienos formos į kitą.

Naudojant vandens ratą ir iš įvado pateiktą siurblio pavyzdį, vandens ratas turi turėti judančias dalis (pavyzdžiui, ašį ir jos ratą ir pavaras, kurios perduoda energiją siurbliui), ir tai sukels trintį, prarandant tam tikrą energiją, šilumos.

Tai gali atrodyti nedidelė problema, tačiau net ir šiek tiek sumažėjus energijos kiekiui, siurblys negalės jo gautivisivandens atgal į pakeltą paviršių, tokiu būdu sumažinant energiją, kurią galima gauti kitam bandymui. Tada kitą kartą bus dar daugiau švaistomos energijos ir daugiau vandens nebus galima išpumpuoti ir t. T. Be to, taip pat bus prarandama energijos iš siurblio mechanizmų.

Galvodami apie antrąjį termodinamikos dėsnį, galite susimąstyti: Jei izoliuoto entropija sistema gali padidėti, kaip gali būti, kad atsirado tokia labai „tvarkinga“ sistema kaip žmogus būti? Kaip mano kūnas ima netvarkingą maistą ir paverčia jį kruopščiai suprojektuotomis ląstelėmis ir organais? Ar šie punktai neprieštarauja antram termodinamikos dėsniui?

Šie argumentai daro tą pačią klaidą: žmonės nėra „uždara sistema“ (t. Y. Izoliuota sistema) griežta pasaulio prasme, nes jūs bendraujate ir galite pasisemti energijos iš aplinkinių visata.

Kai gyvybė pirmą kartą atsirado Žemėje, nors materija transformavosi iš aukštesnės entropijos į žemesnės entropijos būseną, energija į sistemą pateko iš saulės, ir ši energija suteikia sistemai galimybę tapti mažesne entropija laikas. Atkreipkite dėmesį, kad termodinamikoje „visata“ dažnai reiškia aplinką, supančią valstybę, o ne visą kosminę visatą.

Pavyzdžiui, žmogaus organizmas kuria tvarką ląstelių, organų ir net kitų žmonių kūrimo procese, atsakymas yra tas pats: Jūs pasisemiate energijos iš išorės, ir tai leidžia jums atlikti kai kuriuos dalykus, kurie, atrodo, neatitinka antrojo dėsnio termodinamika.

Jei buvote visiškai atitrūkęs nuo kitų energijos šaltinių ir išnaudojote visą savo organizme sukauptą energiją, tai iš tiesų būtų tiesa, kad negalėtumėte gaminti ląstelių ar atlikti jokios veiklos, kuri jus palaiko veikiantis. Be akivaizdaus jūsų nepaisymo antrojo termodinamikos dėsnio, jūs numirtumėte.