Gesetze der Thermodynamik: Definition, Gleichungen und Beispiele

Die Perpetuum Pump ist eine von vielen Perpetuum Mobile-Maschinen, die im Laufe der Jahre mit dem Ziel entwickelt wurden, kontinuierliche Bewegung und damit oft freie Energie zu erzeugen. Der Aufbau ist recht einfach: Wasser fließt von einer erhöhten Plattform über ein Wasserrad, das an Zahnrädern befestigt ist, die wiederum eine Pumpe betreiben, die Wasser von der Oberfläche zurück auf die erhöhte Plattform zieht, wo der Prozess von vorne beginnt nochmal.

Wenn Sie zum ersten Mal von einem solchen Design hören, denken Sie vielleicht, dass es möglich und sogar eine gute Idee ist. Und die damaligen Wissenschaftler stimmten zu, bis die Gesetze der Thermodynamik entdeckt wurden und alle Hoffnungen auf das Perpetuum mobile auf einen Schlag zunichte machten.

Die Gesetze der Thermodynamik gehören zu den wichtigsten Gesetzen der Physik. Sie zielen darauf ab, Energie zu beschreiben, einschließlich ihrer Übertragung und Erhaltung, zusammen mit dem entscheidenden Konzept derEntropieeines Systems, das der Teil ist, der jede Hoffnung auf Perpetuum mobile tötet. Wenn Sie Physik studieren oder einfach nur die vielen thermodynamischen Prozesse, die überall um Sie herum stattfinden, ist das Erlernen der vier Gesetze der Thermodynamik ein entscheidender Schritt Ihre Reise.

Thermodynamik ist ein Teilgebiet der Physik, das studiertWärmeenergie und innere Energiein thermodynamischen Systemen. Wärmeenergie ist die Energie, die durch die Wärmeübertragung übertragen wird, und die innere Energie kann man sich als Summe der kinetischen Energie und der potentiellen Energie aller Teilchen in einem System vorstellen.

Durch die Verwendung der kinetischen Theorie als Werkzeug – die die Eigenschaften des Materiekörpers durch das Studium der Bewegungen von. erklärt seine Bestandteile – Physiker konnten viele entscheidende Zusammenhänge zwischen wichtigen Mengen. Natürlich wäre es unpraktisch, die Gesamtenergie von Milliarden Atomen zu berechnen, wenn man die effektive Zufälligkeit ihrer präzise Bewegungen, so dass die Prozesse, die zur Ableitung der Beziehungen verwendet wurden, auf statistischer Mechanik und ähnlichem basieren Ansätze.

Im Wesentlichen ergaben vereinfachte Annahmen und eine Konzentration auf das „durchschnittliche“ Verhalten über eine große Anzahl von Molekülen Wissenschaftler die Werkzeuge, um das System als Ganzes zu analysieren, ohne in endlosen Berechnungen für eine von Milliarden stecken zu bleiben von Atomen.

Um die Gesetze der Thermodynamik zu verstehen, müssen Sie einige der wichtigsten Begriffe verstehen.Temperaturist ein Maß für die durchschnittliche kinetische Energie pro Molekül in einem Stoff – d. h. wie stark sich die Moleküle bewegen (in einer Flüssigkeit oder einem Gas) oder an Ort und Stelle (in einem Festkörper) schwingen. Die SI-Einheit für die Temperatur ist Kelvin, wobei 0 Kelvin als „absoluter Nullpunkt“ bekannt ist kälteste mögliche Temperatur (im Gegensatz zur Nulltemperatur in anderen Systemen), bei der alle molekularen Bewegungen hört auf.

​Innere Energieist die Gesamtenergie der Moleküle in einem System, also die Summe ihrer kinetischen und potentiellen Energie. Ein Temperaturunterschied zwischen zwei Stoffen lässt Wärme fließen, dieWärmeenergiedas geht von einem zum anderen über.Thermodynamische Arbeitist mechanische Arbeit, die unter Nutzung von Wärmeenergie verrichtet wird, wie in einer Wärmekraftmaschine (manchmal auch Carnot-Motor genannt).

​Entropieist ein Konzept, das in Worten schwer klar zu definieren ist, aber mathematisch definiert als die Boltzmann-Konstante (k​ = 1.381 × 10⁻²³ ich² kg s⁻¹ K⁻¹) multipliziert mit dem natürlichen Logarithmus der Anzahl der Mikrozustände in einem System. In Worten wird es oft als Maß für „Störung“ bezeichnet, aber es kann genauer als der Grad der der der Zustand eines Systems aus makroskopischer Sicht nicht von einer Vielzahl anderer Zustände zu unterscheiden ist Niveau.

Bei einem verhedderten Kopfhörerkabel gibt es beispielsweise eine Vielzahl von spezifischen Anordnungsmöglichkeiten, aber die meisten sehen einfach nur aus so „verheddert“ wie die anderen und haben daher eine höhere Entropie als ein Zustand, in dem der Draht ordentlich aufgerollt ist, ohne sich zu verheddern.

Der nullte Hauptsatz der Thermodynamik bekommt seine Nummer, weil der erste, zweite und dritte Hauptsatz die bekanntesten sind und Es ist jedoch weit verbreitet, aber genauso wichtig, wenn es darum geht, die Wechselwirkungen der Thermodynamik zu verstehen Systeme. Das nullte Gesetz besagt, dass, wenn das thermische System A mit dem thermischen System B im thermischen Gleichgewicht ist, und System B im thermischen Gleichgewicht mit System C ist, dann muss System A im Gleichgewicht mit System. sein C.

Das kann man sich leicht merken, wenn man darüber nachdenkt, was es bedeutet, dass ein System mit einem anderen im Gleichgewicht ist. Denken in Wärme und Temperatur: Zwei Systeme sind miteinander im Gleichgewicht, wenn die Wärme als solche geflossen ist, um zu bringen sie auf die gleiche Temperatur, wie die gleichmäßige warme Temperatur, die man einige Zeit nach dem Gießen von kochendem Wasser in einen Krug mit kälterem bekommt Wasser.

Wenn sie im Gleichgewicht sind (d. h. bei gleicher Temperatur), findet entweder keine Wärmeübertragung statt oder ein kleiner Wärmestrom wird schnell durch einen Strom aus dem anderen System aufgehoben.

Wenn man darüber nachdenkt, ist es sinnvoll, dass, wenn Sie ein drittes System in diese Situation bringen, es sich in Richtung verschieben wird Gleichgewicht mit dem zweiten System, und wenn es im Gleichgewicht ist, wird es auch mit dem ersten im Gleichgewicht sein System auch.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Änderung der inneren Energie eines Systems (∆U) ist gleich der an das System abgegebenen Wärme (Q) abzüglich der vom System geleisteten Arbeit (W). In Symbolen ist dies:

Dies ist im Wesentlichen eine Aussage des Energieerhaltungssatzes. Das System gewinnt Energie, wenn ihm Wärme zugeführt wird, und verliert sie, wenn es an einem anderen System arbeitet, und der Energiefluss kehrt sich in den entgegengesetzten Situationen um. Wenn man bedenkt, dass Wärme eine Form der Energieübertragung ist und Arbeit die Übertragung mechanischer Energie ist, ist es leicht zu erkennen, dass dieses Gesetz einfach die Energieerhaltung neu ausdrückt.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Gesamtentropie eines geschlossenen Systems (d. h. eines isolierten Systems) niemals abnimmt, sondern zunehmen oder (theoretisch) gleich bleiben kann.

Dies wird oft so interpretiert, dass die „Unordnung“ eines isolierten Systems mit der Zeit zunimmt, aber Wie oben besprochen, ist dies keine genau richtige Art, das Konzept zu betrachten, obwohl es im Großen und Ganzen ist Recht. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt im Wesentlichen, dass zufällige Prozesse zu „Unordnung“ im streng mathematischen Sinne des Wortes führen.

Eine weitere häufige Quelle für Missverständnisse über den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ist die Bedeutung eines „geschlossenen“ System." Dies sollte als von der Außenwelt isoliertes System betrachtet werden, aber ohne diese Isolierung, Entropiekönnenverringern. Zum Beispiel wird ein unordentliches Schlafzimmer, das allein gelassen wird, nie aufgeräumter, aber eskönnenWechsel in einen organisierteren Zustand mit niedrigerer Entropie, wenn jemand eintritt und daran arbeitet (d.h. reinigt).

Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass sich die Entropie des Systems einer Konstanten nähert, wenn sich die Temperatur eines Systems dem absoluten Nullpunkt nähert. Mit anderen Worten, der zweite Hauptsatz lässt die Möglichkeit offen, dass die Entropie eines Systems konstant bleiben kann, der dritte Hauptsatz stellt jedoch klar, dass dies nur bei occurs auftrittAbsoluter Nullpunkt​.

Das dritte Gesetz impliziert auch, dass (und wird manchmal als) es unmöglich ist, die Temperatur eines Systems mit einer endlichen Anzahl von Operationen auf den absoluten Nullpunkt zu reduzieren. Mit anderen Worten, es ist im Wesentlichen unmöglich, den absoluten Nullpunkt tatsächlich zu erreichen, obwohl es möglich ist, ihm sehr nahe zu kommen und die Entropiezunahme für das System zu minimieren.

Wenn Systeme dem absoluten Nullpunkt sehr nahe kommen, kann es zu ungewöhnlichem Verhalten kommen. Zum Beispiel verlieren viele Materialien nahe dem absoluten Nullpunkt jeglichen Widerstand gegen den elektrischen Stromfluss und gehen in einen Zustand über, der als Supraleitung bezeichnet wird. Dies liegt daran, dass der Stromwiderstand durch die Zufälligkeit der Bewegung der Kerne der erzeugt wird Atome im Leiter – nahe dem absoluten Nullpunkt bewegen sie sich kaum, und so wird der Widerstand minimiert.

Die Gesetze der Thermodynamik und der Energieerhaltungssatz erklären, warum Perpetuum Mobile nicht möglich sind. Es wird immer eine gewisse „Verschwendung“ von Energie im Prozess für jedes beliebige Design entstehen, gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik: Die Entropie des Systems nimmt zu.

Der Energieerhaltungssatz zeigt, dass jede Energie in der Maschine von irgendwoher kommen muss, und die Die Tendenz zur Entropie zeigt, warum die Maschine Energie nicht perfekt von einer Form in die andere überträgt.

Am Beispiel des Wasserrads und der Pumpe aus der Einleitung muss das Wasserrad bewegliche Teile haben (z. B. die Achse und deren Verbindung mit dem Rad und den Zahnrädern, die die Energie auf die Pumpe übertragen), und diese erzeugen Reibung und verlieren etwas Energie, da Hitze.

Dies mag wie ein kleines Problem erscheinen, aber selbst bei einem kleinen Rückgang der Energieabgabe wird die Pumpe nicht in der Lage sein,alledes Wassers zurück auf die erhöhte Oberfläche, wodurch die für den nächsten Versuch verfügbare Energie reduziert wird. Dann wird beim nächsten Mal noch mehr Energie verschwendet und mehr Wasser, das nicht aufgepumpt werden kann, und so weiter. Darüber hinaus kommt es auch zu Energieverlusten durch die Mechanismen der Pumpe.

Wenn Sie über den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik nachdenken, fragen Sie sich vielleicht: Wenn die Entropie eines isolierten System wächst, wie kann es sein, dass ein so hoch „geordnetes“ System wie ein Mensch entstanden ist Sein? Wie nimmt mein Körper ungeordneten Input in Form von Nahrung auf und wandelt ihn in sorgfältig gestaltete Zellen und Organe um? Widersprechen diese Punkte nicht dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik?

Diese Argumente machen beide denselben Fehler: Der Mensch ist kein „geschlossenes System“ (d.h. isoliertes System) im strengen Sinne der Welt, weil man mit der Umgebung interagiert und Energie aus ihr aufnehmen kann Universum.

Als das erste Leben auf der Erde entstand, obwohl sich die Materie von einem Zustand mit höherer Entropie in einen Zustand mit niedrigerer Entropie verwandelte, es gab einen Energieeintrag in das System von der Sonne, und diese Energie ermöglicht es einem System, über niedrigere Entropie zu werden Zeit. Beachten Sie, dass in der Thermodynamik das „Universum“ oft als die Umgebung eines Zustands und nicht als das gesamte kosmische Universum verstanden wird.

Am Beispiel des menschlichen Körpers, der bei der Herstellung von Zellen, Organen und sogar anderen Menschen Ordnung schafft, lautet die Antwort: dasselbe: Sie nehmen Energie von außen auf, und dies ermöglicht Ihnen, einige Dinge zu tun, die dem zweiten Hauptsatz von zu trotzen scheinen Thermodynamik.

Wenn Sie von anderen Energiequellen vollständig abgeschnitten waren und die gesamte gespeicherte Energie Ihres Körpers verbraucht haben, ist es wäre in der Tat wahr, dass Sie keine Zellen produzieren oder irgendeine der Aktivitäten ausführen könnten, die Sie halten Funktion. Ohne Ihre offensichtliche Missachtung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik würden Sie sterben.