Zákony termodynamiky: Definice, rovnice a příklady

Perpetual pump je jedním z mnoha strojů s permanentním pohybem, které byly navrženy v průběhu let s cílem produkovat nepřetržitý pohyb a často ve výsledku volnou energii. Design je celkem přímočarý: Voda stéká ze zvednuté plošiny přes vodní kolo, které je připevněno k ozubeným kolům, které zase provozují čerpadlo, které táhne vodu z povrchu zpět na vyvýšenou plošinu, kde proces začíná znovu znovu.

Když poprvé uslyšíte o takovém designu, možná si myslíte, že je to možné a dokonce i dobrý nápad. A tehdejší vědci souhlasili, dokud nebyly objeveny zákony termodynamiky a jedním nárazem zmařily naděje všech na neustálý pohyb.

Zákony termodynamiky jsou jedny z nejdůležitějších zákonů fyziky. Jejich cílem je popsat energii, včetně toho, jak je přenášena a konzervována, spolu s klíčovým konceptem energieentropiesystému, což je ta část, která zabíjí veškerou naději na věčný pohyb. Pokud jste studentem fyziky nebo jen chcete porozumět mnoha termodynamickým vlastnostem procesům, které se vyskytují všude kolem vás, je učení se čtyřem zákonům termodynamiky zásadním krokem vaše cesta.

Termodynamika je obor fyziky, který studujetepelná energie a vnitřní energiev termodynamických systémech. Tepelná energie je energie procházející přenosem tepla a vnitřní energii lze považovat za součet kinetické energie a potenciální energie pro všechny částice v systému.

Použitím kinetické teorie jako nástroje - který vysvětluje vlastnosti tělesa hmoty studiem pohybů jeho základní částice - fyzikům se podařilo odvodit mnoho zásadních vztahů mezi důležitými množství. Samozřejmě, výpočet celkové energie miliard atomů by byl nepraktický, vzhledem k jejich efektivní náhodnosti přesné pohyby, takže procesy použité k odvození vztahů byly postaveny na statistické mechanice a podobně přístupy.

V podstatě to zjednodušující předpoklady a zaměření na „průměrné“ chování u velkého počtu molekul poskytly vědci nástroje pro analýzu systému jako celku, aniž by se zasekli v nekonečných výpočtech pro jednu z miliard atomů.

Abyste porozuměli zákonům termodynamiky, musíte se ujistit, že rozumíte některým nejdůležitějším pojmům.Teplotaje míra průměrné kinetické energie na molekulu v látce - tj. kolik se molekuly pohybují (v kapalině nebo plynu) nebo vibrují na místě (v pevné látce). Jednotkou SI pro teplotu je Kelvin, kde 0 Kelvinů se označuje jako „absolutní nula“, což je nejchladnější možná teplota (na rozdíl od nulové teploty v jiných systémech), kde je veškerý molekulární pohyb přestává.

​Vnitřní energieje celková energie molekul v systému, což znamená součet jejich kinetické energie a potenciální energie. Rozdíl teplot mezi dvěma látkami umožňuje proudění tepla, kterým jeTermální energiekterý přenáší z jednoho do druhého.Termodynamická práceje mechanická práce prováděná s využitím tepelné energie, jako v tepelném motoru (někdy nazývaném Carnotův motor).

​Entropieje pojem, který je obtížné jasně definovat slovy, ale matematicky je definován jako Boltzmannova konstanta (k​ = 1.381 × 10⁻²³ m² kg s⁻¹ K.⁻¹) vynásobený přirozeným logaritmem počtu mikrostavů v systému. Řečeno slovy, často se označuje jako míra „poruchy“, ale lze ji přesněji považovat za míru který stav systému je nerozeznatelný od velkého množství jiných stavů při pohledu na makroskopický úroveň.

Například zamotaný drát pro sluchátka má velké množství konkrétních možných uspořádání, ale většina z nich vypadá jen stejně „zamotané“ jako ostatní a mají tak vyšší entropii než stav, kdy je drát úhledně stočený bez zamotání.

Nulový zákon termodynamiky získá své číslo, protože první, druhý a třetí zákon jsou nejznámější a široce vyučovaný, je však stejně důležité, pokud jde o porozumění termodynamickým interakcím systémy. Nulový zákon říká, že pokud je tepelný systém A v tepelné rovnováze s tepelným systémem B, a systém B je v tepelné rovnováze se systémem C, pak systém A musí být v rovnováze se systémem C.

To si snadno zapamatujete, pokud přemýšlíte o tom, co znamená, že je jeden systém v rovnováze s druhým. Uvažování z hlediska tepla a teploty: Dva systémy jsou navzájem v rovnováze, když teplo proudí jako takové, aby je na stejnou teplotu, jako je stejnoměrná teplá teplota, kterou získáte nějaký čas po nalití vroucí vody do džbánu s chladnějším voda.

Když jsou v rovnováze (tj. Při stejné teplotě), nedojde k žádnému přenosu tepla nebo se malé množství tepelného toku rychle zruší tokem z jiného systému.

Když o tom přemýšlíte, dává smysl, že pokud do této situace vnesete třetí systém, posune se to směrem rovnováha s druhým systémem, a pokud je v rovnováze, bude také v rovnováze s prvním systém taky.

První zákon termodynamiky říká, že změna vnitřní energie pro systém (∆U) se rovná teplu přenesenému do systému (Q) minus práce odvedená systémem (Ž). V symbolech to je:

Jedná se v zásadě o vyjádření zákona zachování energie. Systém získává energii, pokud je do ní přenášeno teplo, a ztrácí ji, pokud pracuje na jiném systému, a tok energie je v opačných situacích obrácen. Pamatujte si, že teplo je forma přenosu energie a práce je přenos mechanické energie, takže je snadné pochopit, že tento zákon jednoduše znovu uvádí zachování energie.

Druhý zákon termodynamiky uvádí, že celková entropie uzavřeného systému (tj. Izolovaného systému) nikdy neklesá, ale může se zvyšovat nebo (teoreticky) zůstat stejná.

To se často interpretuje v tom smyslu, že „porucha“ jakéhokoli izolovaného systému se časem zvyšuje, ale jak bylo diskutováno výše, nejde o striktně přesný způsob pohledu na tento koncept, i když je široce že jo. Druhý zákon termodynamiky v podstatě říká, že náhodné procesy vedou k „neuspořádanosti“ v přísném matematickém smyslu tohoto pojmu.

Dalším běžným zdrojem mylných představ o druhém zákonu termodynamiky je význam „uzavřeného“ Systém." To by mělo být považováno za systém izolovaný od vnějšího světa, ale bez této izolace, entropieumětpokles. Například špinavá ložnice ponechaná sama o sobě nikdy nebude pořádnější, ale je to takumětpřepnout do organizovanějšího stavu s nižší entropií, pokud někdo vstoupí a bude na něm pracovat (tj. vyčistí jej).

Třetí zákon termodynamiky říká, že když se teplota systému blíží absolutní nule, entropie systému se blíží konstantě. Jinými slovy, druhý zákon ponechává otevřenou možnost, že entropie systému může zůstat konstantní, ale třetí zákon objasňuje, že k tomu dochází pouze přiabsolutní nula​.

Třetí zákon také naznačuje, že (a někdy se o něm říká, že) je nemožné snížit teplotu systému na absolutní nulu pomocí konečného počtu operací. Jinými slovy, je v podstatě nemožné dosáhnout absolutní nuly, i když je možné se k ní přiblížit a minimalizovat nárůst entropie systému.

Když se systémy přiblíží k absolutní nule, může dojít k neobvyklému chování. Například téměř na absolutní nule ztrácí mnoho materiálů veškerý odpor vůči toku elektrického proudu a přechází do stavu zvaného supravodivost. Je to proto, že odpor vůči proudu je vytvářen náhodností pohybu jader jádra atomy ve vodiči - blízko absolutní nuly, stěží se pohybují, a tak je odpor minimalizován.

Zákony termodynamiky a zákon zachování energie vysvětlují, proč stroje s permanentním pohybem nejsou možné. V procesu vždy vznikne nějaká „odpadní“ energie pro jakýkoli design, který si vyberete, v souladu s druhým zákonem termodynamiky: Entropie systému se zvýší.

Zákon zachování energie ukazuje, že jakákoli energie ve stroji musí pocházet odněkud a tendence k entropii ukazuje, proč stroj nebude dokonale přenášet energii z jedné formy do druhé.

Na příkladu vodního kola a čerpadla od úvodu musí mít vodní kolo pohyblivé části (například nápravu a její) spojení s kolem a ozubená kola, která přenášejí energii na čerpadlo), a ta vytvoří tření a ztratí určitou energii teplo.

Může se to zdát jako malý problém, ale ani při malém poklesu energetického výdeje se čerpadlo nedostaneVšechnovody zpět na vyvýšený povrch, čímž se sníží energie dostupná pro další pokus. Pak příště bude ještě více zbytečné energie a více vody, které se nedají odčerpat, atd. Kromě toho dojde také ke ztrátě energie z mechanismů čerpadla.

Když přemýšlíte o druhém zákonu termodynamiky, mohlo by vás zajímat: Pokud je entropie izolovaného systém se zvětšuje, jak je možné, že k tak vysoce „uspořádanému“ systému, jako je člověk, došlo být? Jak moje tělo přijímá neuspořádaný vstup ve formě jídla a přeměňuje ho na pečlivě navržené buňky a orgány? Nejsou tyto body v rozporu s druhým zákonem termodynamiky?

Oba tyto argumenty dělají stejnou chybu: Lidské bytosti nejsou „uzavřený systém“ (tj. Izolovaný systém) v užším slova smyslu světa, protože komunikujete s okolním světem a můžete jej odebírat vesmír.

Když se na Zemi poprvé objevil život, přestože se hmota transformovala ze stavu vyšší entropie do stavu nižší entropie, do systému byl vstup energie ze slunce a tato energie umožňuje, aby se systém stal nižší entropií čas. Všimněte si, že v termodynamice se „vesmírem“ často rozumí prostředí obklopující stát, spíše než celý vesmírný vesmír.

Na příklad lidského těla, které vytváří řád v procesu výroby buněk, orgánů a dokonce i dalších lidí, je odpověď stejné: Přijímáte energii zvenčí, a to vám umožňuje dělat některé věci, které se zdají vzdorovat druhému zákonu termodynamika.

Pokud jste byli úplně odříznuti od jiných zdrojů energie a spotřebovali jste veškerou energii uloženou v těle, pak byla by skutečně pravda, že byste nemohli produkovat buňky nebo provádět jakoukoli z řady činností, které vás udržují fungující. Bez vašeho zjevného vzdoru vůči druhému zákonu termodynamiky byste zemřeli.