Закони на термодинамиката: дефиниция, уравнения и примери

Постоянната помпа е една от многото машини за вечно движение, които са проектирани през годините с цел да произвеждат непрекъснато движение и често в резултат на това безплатна енергия. Дизайнът е съвсем ясен: водата се стича от повдигната платформа над водно колело, което е прикрепено към зъбни колела, които от своя страна задействат помпа, която изтегля вода от повърхността обратно до повдигнатата платформа, където процесът започва отначало отново.

Когато чуете за пръв път за подобен дизайн, може би си мислите, че е възможно и дори е добра идея. И тогавашните учени се съгласиха, докато законите на термодинамиката бяха открити и унищожиха надеждите на всички за вечно движение с един замах.

Законите на термодинамиката са едни от най-важните закони на физиката. Те имат за цел да опишат енергията, включително как тя се пренася и съхранява, заедно с ключовата концепция заентропияна система, която е частта, която убива всяка надежда за вечно движение. Ако сте студент по физика или просто искате да разберете многото термодинамични процеси, протичащи навсякъде около вас, изучаването на четирите закона на термодинамиката е решаваща стъпка вашето пътуване.

Термодинамиката е клон на физиката, който изучаватоплинна енергия и вътрешна енергияв термодинамични системи. Топлинната енергия е енергията, предадена чрез пренос на топлина, а вътрешната енергия може да се разглежда като сбор от кинетичната енергия и потенциалната енергия за всички частици в системата.

Използвайки кинетичната теория като инструмент - който обяснява свойствата на тялото на материята чрез изучаване на движенията на съставните му частици - физиците са успели да извлекат много решаващи връзки между важните количества. Разбира се, изчисляването на общата енергия на милиарди атоми би било непрактично, като се има предвид ефективната случайност на техните прецизни движения, така че процесите, използвани за извличане на връзките, са изградени около статистическа механика и подобни подходи.

По същество, опростяването на предположенията и фокусът върху „средното” поведение при голям брой молекули даваха учените инструментите за анализ на системата като цяло, без да се забиват в безкрайни изчисления за един от милиардите на атомите.

За да разберете законите на термодинамиката, трябва да сте сигурни, че разбирате някои от най-важните термини.Температурае мярка за средната кинетична енергия на молекула в дадено вещество - т.е. колко молекулите се движат (в течност или газ) или вибрират на място (в твърдо вещество). SI единицата за температура е Келвин, където 0 Келвин е известен като „абсолютна нула“, което е възможно най-студената температура (за разлика от нулевата температура в други системи), където всички молекулни движения престава.

​Вътрешна енергияе общата енергия на молекулите в системата, което означава сумата от тяхната кинетична енергия и потенциална енергия. Разликата в температурата между две вещества позволява на топлината да тече, което еТермална енергияче прехвърля от единия към другия.Термодинамична работае механична работа, която се извършва с използване на топлинна енергия, като в топлинен двигател (понякога наричан двигател на Карно).

​Ентропияе понятие, което е трудно да се определи ясно с думи, но математически се определя като константа на Болцман (к​ = 1.381 × 10⁻²³ м² kg s⁻¹ К⁻¹), умножено по естествения логаритъм на броя на микросъстоянията в дадена система. С думи, често се нарича мярка за „разстройство“, но може да се мисли по-точно като степента което състоянието на дадена система не се различава от голям брой други състояния, когато се гледа при макроскопично ниво.

Например, заплетеният проводник за слушалки има голям брой специфични възможни подредби, но повечето от тях изглеждат просто толкова „заплетени“, колкото и останалите, и така имат по-висока ентропия от състояние, при което жицата е добре навита, без да се заплита.

Нулевият закон на термодинамиката получава число, защото първият, вторият и третият закон са най-известните и широко преподавани, обаче е също толкова важно, когато става въпрос за разбиране на взаимодействията на термодинамиката системи. Нулевият закон гласи, че ако топлинната система А е в топлинно равновесие с топлинна система В, и система Б е в топлинно равновесие със система С, тогава система А трябва да е в равновесие със системата ° С.

Това е лесно да се запомни, ако се замислите какво означава една система да бъде в равновесие с друга. Мислене по отношение на топлината и температурата: Две системи са в равновесие помежду си, когато топлината тече като такава, за да донесе ги до същата температура, подобно на равномерната топла температура, която получавате известно време, след като излеете вряла вода в кана с по-студено вода.

Когато те са в равновесие (т.е. при една и съща температура), или не се извършва пренос на топлина, или малко количество топлинен поток бързо се отменя от поток от другата система.

Мислейки за това, има смисъл, че ако въведете трета система в тази ситуация, тя ще се измести към равновесие с втората система и ако тя е в равновесие, тя също ще бъде в равновесие с първата система също.

Първият закон на термодинамиката гласи, че промяната във вътрешната енергия на дадена система (∆U) е равно на топлината, предадена на системата (Въпрос:) минус работата, извършена от системата (W). В символите това е:

Това по същество е изявление на закона за запазване на енергията. Системата печели енергия, ако топлината се прехвърля към нея и я губи, ако работи върху друга система, а енергийният поток се обръща в обратните ситуации. Спомняйки си, че топлината е форма на енергиен трансфер, а работата е трансфер на механична енергия, лесно е да се види, че този закон просто преформулира запазването на енергията.

Вторият закон на термодинамиката гласи, че общата ентропия на затворена система (т.е. изолирана система) никога не намалява, но може да се увеличи или (теоретично) да остане същата.

Това често се тълкува в смисъл, че „разстройството“ на всяка изолирана система се увеличава с течение на времето, но както беше обсъдено по-горе, това не е строго точен начин да се разгледа концепцията, въпреки че е широко нали. Вторият закон на термодинамиката гласи по същество, че случайните процеси водят до „разстройство” в строгия математически смисъл на термина.

Друг често срещан източник на погрешно схващане за втория закон на термодинамиката е значението на „затворен система." Това трябва да се разглежда като система, изолирана от външния свят, но без тази изолация, ентропиямоганамаляване. Например, разхвърляна спалня, оставена сама, никога няма да стане по-подредена, но тямогапревключете към по-организирано състояние с по-ниска ентропия, ако някой влезе и работи върху него (т.е. го почисти).

Третият закон на термодинамиката гласи, че когато температурата на системата се приближава до абсолютната нула, ентропията на системата се приближава до константа. С други думи, вторият закон оставя отворена възможността ентропията на дадена система да остане постоянна, но третият закон пояснява, че това се случва само приабсолютна нула​.

Третият закон също така предполага, че (и понякога се посочва като) е невъзможно да се намали температурата на системата до абсолютна нула с краен брой операции. С други думи, по същество е невъзможно да се достигне абсолютна нула, въпреки че е възможно да се доближите много до нея и да сведете до минимум увеличаването на ентропията за системата.

Когато системите се доближат много до абсолютната нула, може да се получи необичайно поведение. Например, в близост до абсолютната нула, много материали губят всякакво съпротивление на потока от електрически ток, преминавайки в състояние, наречено свръхпроводимост. Това е така, защото устойчивостта на ток се създава от случайността на движението на ядрата на атоми в проводника - близо до абсолютната нула, те едва се движат и така съпротивлението е сведено до минимум.

Законите на термодинамиката и законът за запазване на енергията обясняват защо вечните машини за движение не са възможни. Винаги в процеса ще се създаде „отпадъчна“ енергия за какъвто и дизайн да изберете, в съответствие с втория закон на термодинамиката: Ентропията на системата ще се увеличи.

Законът за запазване на енергията показва, че всяка енергия в машината трябва да идва от някъде и тенденцията към ентропия показва защо машината няма да предава перфектно енергията от една форма в друга.

Използвайки примера за водно колело и помпа от въведението, водното колело трябва да има движещи се части (например оста и нейните връзка с колелото и зъбни колела, които предават енергията на помпата), и те ще създадат триене, губейки малко енергия като топлина.

Това може да изглежда като малък проблем, но дори и с малко потапяне в енергията, помпата няма да може да получивсичкоот водата обратно на повдигнатата повърхност, като по този начин намалява наличната енергия за следващия опит. След това, следващия път, ще има още по-загубена енергия и повече вода, която не може да бъде изпомпана и т.н. В допълнение към това ще има и загуба на енергия от механизмите на помпата.

Когато мислите за втория закон на термодинамиката, може да се чудите: дали ентропията на изолиран системата се увеличава, как е възможно да се стигне до такава силно „подредена“ система като човешко същество бъда? Как тялото ми приема нередно постъпване под формата на храна и го трансформира в внимателно проектирани клетки и органи? Не противоречат ли тези точки с втория закон на термодинамиката?

И тези аргументи правят една и съща грешка: Човешките същества не са „затворена система“ (т.е. изолирана система) в строгия смисъл на света, защото вие си взаимодействате и можете да вземете енергия от околните вселена.

Когато животът се появи за пръв път на Земята, въпреки че материята се трансформира от по-висша ентропия в състояние на по-ниска ентропия, в системата е вложена енергия от слънцето и тази енергия позволява на системата да се превърне в по-ниска ентропия време. Обърнете внимание, че в термодинамиката „вселена“ често се приема като среда, заобикаляща дадено състояние, а не цялата космическа вселена.

За примера на човешкото тяло, създаващо ред в процеса на създаване на клетки, органи и дори други хора, отговорът е същото: Вие приемате енергия отвън и това ви позволява да правите някои неща, които изглежда се противопоставят на втория закон на термодинамика.

Ако сте били напълно откъснати от други източници на енергия и сте изразходвали цялата съхранена енергия на тялото си, тя наистина би било вярно, че не бихте могли да произвеждате клетки или да извършвате някоя от гамата от дейности, които ви държат функциониране. Без вашето очевидно нарушаване на втория закон на термодинамиката, вие ще умрете.