Lov om termodynamik: definition, ligninger og eksempler

Den evige pumpe er en af ​​mange maskiner til evig bevægelse, der er designet gennem årene med det formål at producere kontinuerlig bevægelse og ofte som et resultat fri energi. Designet er ret ligetil: Vand strømmer ned fra en hævet platform over et vandhjul, der er fastgjort til gear, som igen driver en pumpe, der trækker vand fra overfladen tilbage op til den hævede platform, hvor processen starter forfra igen.

Når du første gang hører om et design som dette, tror du måske, det er muligt og endda en god idé. Og datidens videnskabsmænd blev enige, indtil termodynamikens love blev opdaget og ødelagde alles håb om evig bevægelse i et øjeblik.

Lovene om termodynamik er nogle af de vigtigste fysiske love. De sigter mod at beskrive energi, herunder hvordan den overføres og konserveres sammen med det afgørende koncept forentropiaf et system, som er den del, der dræber alt håb om evig bevægelse. Hvis du er fysikstuderende, eller bare ønsker at forstå de mange termodynamiske processer, der forekommer overalt omkring dig, er det et afgørende skridt at lære de fire termodynamiske love din rejse.

Termodynamik er en gren af ​​fysik, der studerervarmeenergi og intern energii termodynamiske systemer. Varmeenergi er den energi, der ledes gennem varmeoverførsel, og intern energi kan tænkes på summen af ​​kinetisk energi og potentiel energi for alle partiklerne i et system.

Ved at bruge kinetisk teori som et redskab - som forklarer egenskaberne af stofkroppen ved at studere bevægelserne for dets bestanddele - fysikere har været i stand til at udlede mange vigtige sammenhænge mellem vigtige mængder. Det ville naturligvis være upraktisk at beregne den samlede energi på milliarder atomer i betragtning af deres effektive tilfældighed præcise bevægelser, så de processer, der blev brugt til at udlede forholdene, var bygget op omkring statistisk mekanik og lignende tilgange.

I det væsentlige gav forenkling af antagelser og fokus på den "gennemsnitlige" adfærd over et stort antal molekyler forskere værktøjerne til at analysere systemet som helhed uden at sidde fast i endeløse beregninger for en milliard af atomer.

For at forstå termodynamikens love skal du sørge for at forstå nogle af de vigtigste udtryk.Temperaturer et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi pr. molekyle i et stof - dvs. hvor meget molekylerne bevæger sig rundt (i en væske eller gas) eller vibrerer på plads (i et fast stof). SI-enheden for temperatur er Kelvin, hvor 0 Kelvin er kendt som "absolut nul", hvilket er koldeste mulige temperatur (i modsætning til nul temperatur i andre systemer), hvor al molekylær bevægelse ophører.

​Intern energier den samlede energi af molekylerne i et system, hvilket betyder summen af ​​deres kinetiske energi og potentielle energi. En forskel i temperatur mellem to stoffer tillader varme at strømme, hvilket ertermisk energider overføres fra den ene til den anden.Termodynamisk arbejdeer mekanisk arbejde, der udføres ved hjælp af varmeenergi, som i en varmemotor (undertiden kaldet en Carnot-motor).

​Entropier et begreb, der er vanskeligt at definere klart med ord, men matematisk defineres det som Boltzmann-konstanten (k​ = 1.381 × 10⁻²³ m² kg s⁻¹ K⁻¹) ganget med den naturlige logaritme af antallet af mikrostater i et system. Med ord omtales det ofte som mål for "uorden", men det kan tænkes mere nøjagtigt som graden til hvor tilstanden i et system ikke skelnes fra et stort antal andre tilstande set i makroskopisk niveau.

For eksempel har en sammenfiltret hovedtelefonledning et stort antal specifikke mulige arrangementer, men de fleste ser bare ud lige så ”sammenfiltret” som de andre og har så højere entropi end en tilstand, hvor ledningen er pænt sammenviklet uden sammenfiltring.

Den nul lov af termodynamik får det tal, fordi den første, anden og tredje lov er den mest kendte og bredt undervist, men det er lige så vigtigt, når det kommer til at forstå interaktioner mellem termodynamisk systemer. Nul-loven siger, at hvis termisk system A er i termisk ligevægt med termisk system B, og system B er i termisk ligevægt med system C, så skal system A være i ligevægt med system C.

Dette er let at huske, hvis du tænker over, hvad det betyder for et system at være i ligevægt med et andet. Tænker med hensyn til varme og temperatur: To systemer er i ligevægt med hinanden, når varmen har strømmet som sådan for at bringe dem til den samme temperatur, som den ensartede varme temperatur, du får lidt tid efter at have hældt kogende vand i en kande koldere vand.

Når de er i ligevægt (dvs. ved den samme temperatur), sker der enten ingen varmeoverførsel, eller også fjernes en lille mængde varmestrøm hurtigt af en strøm fra det andet system.

Når man tænker på dette, er det fornuftigt, at hvis man bringer et tredje system ind i denne situation, vil det skifte mod ligevægt med det andet system, og hvis det er i ligevægt, vil det også være i ligevægt med det første systemet også.

Den første lov om termodynamik siger, at ændringen i intern energi til et system (∆U) er lig med varmen, der overføres til systemet (Spørgsmål) minus systemets arbejde (W). I symboler er dette:

Dette er i det væsentlige en erklæring om loven om bevarelse af energi. Systemet vinder energi, hvis der overføres varme til det og mister det, hvis det fungerer på et andet system, og energistrømmen vendes i de modsatte situationer. Når man husker, at varme er en form for energioverførsel, og arbejde er overførsel af mekanisk energi, er det let at se, at denne lov blot gentager bevarelsen af ​​energi.

Den anden lov om termodynamik siger, at et lukket systems samlede entropi (dvs. et isoleret system) aldrig falder, men det kan øges eller (teoretisk) forblive det samme.

Dette fortolkes ofte som at "uorden" i ethvert isoleret system øges over tid, men som diskuteret ovenfor er dette ikke en strengt nøjagtig måde at se på konceptet, selvom det er bredt ret. Den anden termodynamiske lov siger i det væsentlige, at tilfældige processer fører til "uorden" i den stramme matematiske betydning af udtrykket.

En anden almindelig kilde til misforståelse om termodynamikens anden lov er betydningen af ​​en ”lukket system." Dette skal betragtes som et system isoleret fra omverdenen, men uden denne isolation, entropikanformindske. For eksempel bliver et rodet soveværelse, der efterlades alene, aldrig mere ryddeligt, men detkanskift til en mere organiseret tilstand med lavere entropi, hvis nogen kommer ind og arbejder på den (dvs. renser den).

Den tredje lov om termodynamik siger, at når et systems temperatur nærmer sig absolut nul, nærmer systemets entropi en konstant. Med andre ord efterlader den anden lov muligheden for, at et systems entropi kan forblive konstant, men den tredje lov præciserer, at dette kun sker vedabsolut nul​.

Den tredje lov indebærer også, at (og undertiden er angivet som) det er umuligt at reducere temperaturen i et system til absolut nul med et endeligt antal operationer. Med andre ord er det i det væsentlige umuligt at nå absolut nul, selvom det er muligt at komme meget tæt på det og minimere stigningen i entropi for systemet.

Når systemer kommer meget tæt på absolut nul, kan der opstå usædvanlig adfærd. For eksempel, tæt på absolut nul, mister mange materialer al modstand mod strømmen af ​​elektrisk strøm og skifter til en tilstand kaldet superledningsevne. Dette skyldes, at modstand mod strøm er skabt af tilfældigheden af ​​bevægelsen af ​​kernerne i atomer i lederen - tæt på absolut nul, de bevæger sig næppe, og modstanden minimeres derfor.

Loven om termodynamik og loven om energibesparelse forklarer, hvorfor maskiner til evig bevægelse ikke er mulige. Der vil altid være noget ”spild” energi skabt i processen for det design, du måtte vælge, i overensstemmelse med termodynamikens anden lov: Systemets entropi vil stige.

Loven om energibesparelse viser, at enhver energi i maskinen skal komme et eller andet sted fra tendens til entropi viser, hvorfor maskinen ikke perfekt overfører energi fra den ene form til den anden.

Ved hjælp af vandhjul og pumpeeksempel fra introduktionen skal vandhjulet have bevægelige dele (for eksempel akslen og dens forbindelse til hjulet og gearene, der overfører energien til pumpen), og disse vil skabe friktion og miste noget energi som varme.

Dette kan virke som et lille problem, men selv med en lille nedgang i energiproduktionen kan pumpen ikke fåalleaf vandet tilbage op på den hævede overflade, hvilket reducerer den tilgængelige energi til næste forsøg. Derefter, næste gang, vil der være endnu mere spildt energi og mere vand, der ikke kan pumpes op osv. Derudover vil der også være energitab fra pumpens mekanismer.

Når du tænker på den anden lov om termodynamik, kan du undre dig: Hvis entropien til en isoleret systemforøgelser, hvordan kan det muligvis være, at et sådant meget ”ordnet” system som et menneske kom til være? Hvordan tager min krop uordnet input i form af mad og omdanner det til omhyggeligt designede celler og organer? Er disse punkter ikke i konflikt med den anden lov om termodynamik?

Disse argumenter begår begge den samme fejltagelse: Mennesker er ikke et "lukket system" (dvs. isoleret system) i den strenge forstand af verden, fordi du interagerer med og kan tage energi fra det omgivende univers.

Da livet først opstod på Jorden, skønt sagen ændrede sig fra en højere entropi til en lavere entropistilstand, der var en energiindgang i systemet fra solen, og denne energi gør det muligt for et system at blive lavere entropi over tid. Bemærk, at i termodynamikken betegnes ”universet” ofte som miljøet omkring en tilstand snarere end hele det kosmiske univers.

For eksempel på, at den menneskelige krop skaber orden i processen med at skabe celler, organer og endda andre mennesker, er svaret svaret det samme: Du optager energi udefra, og dette gør det muligt for dig at gøre nogle ting, der ser ud til at trodse den anden lov af termodynamik.

Hvis du var helt afskåret fra andre energikilder, og du brugte al din krops lagrede energi op, det ville faktisk være sandt, at du ikke kunne producere celler eller udføre nogen af ​​de forskellige aktiviteter, der holder dig fungerer. Uden din tilsyneladende trods mod den anden lov om termodynamik ville du dø.