Νόμοι της Θερμοδυναμικής: Ορισμός, Εξισώσεις & Παραδείγματα

Η αέναη αντλία είναι μία από τις πολλές μηχανές συνεχούς κίνησης που έχουν σχεδιαστεί με την πάροδο των ετών, με σκοπό την παραγωγή συνεχούς κίνησης και συχνά, ως αποτέλεσμα, ελεύθερη ενέργεια. Ο σχεδιασμός είναι αρκετά απλός: Το νερό ρέει κάτω από μια ανυψωμένη πλατφόρμα πάνω από έναν τροχό νερού, ο οποίος συνδέεται με γρανάζια, η οποία με τη σειρά της λειτουργεί μια αντλία που τραβά νερό από την επιφάνεια προς τα πίσω στην ανυψωμένη πλατφόρμα, όπου ξεκινά η διαδικασία πάλι.

Όταν ακούτε για ένα τέτοιο σχέδιο, ίσως νομίζετε ότι είναι δυνατόν και ακόμη και μια καλή ιδέα. Και οι επιστήμονες της εποχής συμφώνησαν, έως ότου οι νόμοι της θερμοδυναμικής ανακαλύφθηκαν και έσπασαν τις ελπίδες όλων για αέναη κίνηση σε μια κίνηση.

Οι νόμοι της θερμοδυναμικής είναι μερικοί από τους πιο σημαντικούς νόμους της φυσικής. Στόχος τους είναι να περιγράψουν την ενέργεια, συμπεριλαμβανομένου του τρόπου με τον οποίο μεταφέρεται και συντηρείται, μαζί με την κρίσιμη έννοια τουεντροπίαενός συστήματος, το οποίο είναι το μέρος που σκοτώνει όλες τις ελπίδες της διαρκούς κίνησης. Εάν είστε φοιτητής φυσικής, ή απλώς ψάχνετε να καταλάβετε τα πολλά θερμοδυναμικά διαδικασίες που συμβαίνουν γύρω σας, η εκμάθηση των τεσσάρων νόμων της θερμοδυναμικής είναι ένα κρίσιμο βήμα το ταξίδι σας.

Η θερμοδυναμική είναι ένας κλάδος της φυσικής που μελετάθερμική ενέργεια και εσωτερική ενέργειασε θερμοδυναμικά συστήματα. Η θερμική ενέργεια είναι η ενέργεια που μεταφέρεται μέσω της μεταφοράς θερμότητας και η εσωτερική ενέργεια μπορεί να θεωρηθεί το άθροισμα της κινητικής ενέργειας και της πιθανής ενέργειας για όλα τα σωματίδια σε ένα σύστημα.

Χρησιμοποιώντας την κινητική θεωρία ως εργαλείο - το οποίο εξηγεί τις ιδιότητες του σώματος της ύλης μελετώντας τις κινήσεις του τα συστατικά του σωματίδια - οι φυσικοί μπόρεσαν να δημιουργήσουν πολλές κρίσιμες σχέσεις μεταξύ σημαντικών ποσότητες. Φυσικά, ο υπολογισμός της συνολικής ενέργειας δισεκατομμυρίων ατόμων θα ήταν ανέφικτος, λαμβάνοντας υπόψη την αποτελεσματική τυχαιότητα αυτών ακριβείς κινήσεις, οπότε οι διαδικασίες που χρησιμοποιήθηκαν για την εξαγωγή των σχέσεων χτίστηκαν γύρω από τη στατιστική μηχανική και παρόμοιες προσεγγίσεις.

Ουσιαστικά, η απλοποίηση των υποθέσεων και η εστίαση στην «μέση» συμπεριφορά σε μεγάλο αριθμό μορίων επιστήμονες τα εργαλεία για την ανάλυση του συστήματος στο σύνολό του, χωρίς να κολλήσουν σε ατελείωτους υπολογισμούς για ένα από τα δισεκατομμύρια ατόμων.

Για να κατανοήσετε τους νόμους της θερμοδυναμικής, πρέπει να βεβαιωθείτε ότι έχετε κατανοήσει μερικούς από τους πιο σημαντικούς όρους.Θερμοκρασίαείναι ένα μέτρο της μέσης κινητικής ενέργειας ανά μόριο σε μια ουσία - δηλ. το πόσο κινούνται τα μόρια (σε υγρό ή αέριο) ή δονείται στη θέση του (σε στερεό). Η μονάδα SI για τη θερμοκρασία είναι Kelvin, όπου το 0 Kelvin είναι γνωστό ως "απόλυτο μηδέν", το οποίο είναι το ψυχρότερη δυνατή θερμοκρασία (σε αντίθεση με τη μηδενική θερμοκρασία σε άλλα συστήματα), όπου όλη η μοριακή κίνηση παύει.

​Εσωτερική ενέργειαείναι η συνολική ενέργεια των μορίων σε ένα σύστημα, που σημαίνει το άθροισμα της κινητικής τους ενέργειας και της δυνητικής ενέργειας. Η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ δύο ουσιών επιτρέπει τη ροή της θερμότητας, που είναι ηθερμική ενέργειαπου μεταφέρεται από το ένα στο άλλο.Θερμοδυναμική εργασίαείναι μηχανική εργασία που εκτελείται χρησιμοποιώντας θερμική ενέργεια, όπως σε μια μηχανή θερμότητας (μερικές φορές ονομάζεται κινητήρας Carnot).

​Εντροπίαείναι μια έννοια που είναι δύσκολο να οριστεί με σαφήνεια με λόγια, αλλά μαθηματικά ορίζεται ως η σταθερά Boltzmann (κ​ = 1.381 × 10⁻²³ Μ² κιλά s⁻¹ κ⁻¹πολλαπλασιασμένος επί τον φυσικό λογάριθμο του αριθμού των μικροστατών σε ένα σύστημα. Με άλλα λόγια, αναφέρεται συχνά ως το μέτρο της «διαταραχής», αλλά μπορεί να θεωρηθεί ακριβέστερα ως ο βαθμός η κατάσταση ενός συστήματος δεν μπορεί να διακριθεί από ένα μεγάλο αριθμό άλλων καταστάσεων όταν προβάλλονται στη μακροσκοπική επίπεδο.

Για παράδειγμα, ένα μπερδεμένο καλώδιο ακουστικών έχει μεγάλο αριθμό συγκεκριμένων πιθανών ρυθμίσεων, αλλά τα περισσότερα από αυτά φαίνονται απλά τόσο «μπερδεμένο» όσο οι άλλοι και έτσι έχουν υψηλότερη εντροπία από μια κατάσταση όπου το σύρμα τυλίγεται τακτοποιημένα χωρίς μπλέξιμο.

Ο μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής παίρνει τον αριθμό επειδή ο πρώτος, ο δεύτερος και ο τρίτος νόμος είναι οι πιο γνωστοί και ευρέως διδαγμένο, ωστόσο, είναι εξίσου σημαντικό για την κατανόηση των αλληλεπιδράσεων της θερμοδυναμικής συστήματα. Ο μηδενικός νόμος αναφέρει ότι εάν το θερμικό σύστημα Α βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με το θερμικό σύστημα Β, και Το σύστημα Β βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με το σύστημα C, τότε το σύστημα Α πρέπει να βρίσκεται σε ισορροπία με το σύστημα ΝΤΟ.

Αυτό είναι εύκολο να θυμάστε εάν σκέφτεστε τι σημαίνει για ένα σύστημα να βρίσκεται σε ισορροπία με ένα άλλο. Σκέψη από άποψη θερμότητας και θερμοκρασίας: Δύο συστήματα βρίσκονται σε ισορροπία μεταξύ τους όταν η θερμότητα έχει ρέει ως τέτοια για να φέρει τους στην ίδια θερμοκρασία, όπως η ομοιόμορφη ζεστή θερμοκρασία που παίρνετε λίγο χρόνο μετά την έκχυση βραστό νερό σε μια κανάτα πιο κρύα νερό.

Όταν βρίσκονται σε ισορροπία (δηλαδή στην ίδια θερμοκρασία), είτε δεν συμβαίνει μεταφορά θερμότητας είτε μικρή ποσότητα ροής θερμότητας ακυρώνεται γρήγορα από μια ροή από το άλλο σύστημα.

Εάν το σκεφτείτε αυτό, είναι λογικό ότι εάν φέρετε ένα τρίτο σύστημα σε αυτήν την κατάσταση, θα μετακινηθεί προς ισορροπία με το δεύτερο σύστημα, και εάν βρίσκεται σε ισορροπία, θα είναι επίσης σε ισορροπία με το πρώτο σύστημα σύστημα επίσης.

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής αναφέρει ότι η αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας για ένα σύστημα (ΔΕ) είναι ίση με τη θερμότητα που μεταφέρεται στο σύστημα (Ερμείον την εργασία που έχει γίνει από το σύστημα (Δ). Σε σύμβολα, αυτό είναι:

Αυτή είναι ουσιαστικά μια δήλωση του νόμου για τη διατήρηση της ενέργειας. Το σύστημα κερδίζει ενέργεια εάν η θερμότητα μεταφέρεται σε αυτό και την χάνει εάν λειτουργεί σε άλλο σύστημα και η ροή ενέργειας αντιστρέφεται στις αντίθετες καταστάσεις. Να θυμόμαστε ότι η θερμότητα είναι μια μορφή μεταφοράς ενέργειας και η εργασία είναι η μεταφορά μηχανικής ενέργειας, είναι εύκολο να δούμε ότι αυτός ο νόμος επαναλαμβάνει απλώς την εξοικονόμηση ενέργειας.

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής αναφέρει ότι η συνολική εντροπία ενός κλειστού συστήματος (δηλαδή ένα απομονωμένο σύστημα) δεν μειώνεται ποτέ, αλλά μπορεί να αυξηθεί ή (θεωρητικά) να παραμείνει η ίδια.

Αυτό ερμηνεύεται συχνά ως έννοια ότι η «διαταραχή» οποιουδήποτε απομονωμένου συστήματος αυξάνεται με την πάροδο του χρόνου, αλλά όπως συζητήθηκε παραπάνω, αυτός δεν είναι ένας αυστηρά ακριβής τρόπος να δούμε την ιδέα, αν και είναι γενικά σωστά. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής αναφέρει ουσιαστικά ότι οι τυχαίες διεργασίες οδηγούν σε «διαταραχή» με την αυστηρή μαθηματική έννοια του όρου.

Μια άλλη κοινή πηγή εσφαλμένης αντίληψης για το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής είναι η έννοια του «κλειστού Σύστημα." Αυτό πρέπει να θεωρηθεί ως ένα σύστημα απομονωμένο από τον έξω κόσμο, αλλά χωρίς αυτήν την απομόνωση, εντροπίαμπορώμείωση. Για παράδειγμα, μια ακατάστατη κρεβατοκάμαρα που αφήνεται από μόνη της δεν θα πάρει ποτέ πιο τακτοποιημένη, αλλάμπορώμεταβείτε σε μια πιο οργανωμένη κατάσταση χαμηλότερης εντροπίας εάν κάποιος εισέλθει και εργάζεται σε αυτό (δηλαδή το καθαρίζει).

Ο τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι καθώς η θερμοκρασία ενός συστήματος πλησιάζει το απόλυτο μηδέν, η εντροπία του συστήματος πλησιάζει μια σταθερά. Με άλλα λόγια, ο δεύτερος νόμος αφήνει ανοιχτή την πιθανότητα η εντροπία ενός συστήματος να παραμείνει σταθερή, αλλά ο τρίτος νόμος διευκρινίζει ότι αυτό συμβαίνει μόνο σεαπόλυτο μηδενικό​.

Ο τρίτος νόμος υπονοεί επίσης ότι (και μερικές φορές αναφέρεται ως) είναι αδύνατο να μειωθεί η θερμοκρασία ενός συστήματος στο απόλυτο μηδέν με οποιονδήποτε πεπερασμένο αριθμό λειτουργιών. Με άλλα λόγια, είναι ουσιαστικά αδύνατο να φτάσει κανείς στο απόλυτο μηδέν, αν και είναι δυνατόν να πλησιάσουμε πολύ κοντά του και να ελαχιστοποιήσουμε την αύξηση της εντροπίας για το σύστημα.

Όταν τα συστήματα πλησιάζουν το απόλυτο μηδέν, μπορεί να προκύψει ασυνήθιστη συμπεριφορά. Για παράδειγμα, σχεδόν στο απόλυτο μηδέν, πολλά υλικά χάνουν όλη την αντίσταση στη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος, μετατοπίζοντας την κατάσταση που ονομάζεται υπεραγωγιμότητα. Αυτό συμβαίνει επειδή η αντίσταση στο ρεύμα δημιουργείται από την τυχαιότητα της κίνησης των πυρήνων του άτομα στον αγωγό - κοντά στο απόλυτο μηδέν, κινούνται μόλις και έτσι η αντίσταση ελαχιστοποιείται.

Οι νόμοι της θερμοδυναμικής και ο νόμος της εξοικονόμησης ενέργειας εξηγούν γιατί οι μηχανές αέναης κίνησης δεν είναι δυνατές. Θα υπάρχει πάντα κάποια "σπατάλη" ενέργεια που δημιουργείται στη διαδικασία για όποιο σχέδιο θα επιλέξετε, σύμφωνα με το δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής: Η εντροπία του συστήματος θα αυξηθεί.

Ο νόμος της εξοικονόμησης ενέργειας δείχνει ότι οποιαδήποτε ενέργεια στο μηχάνημα πρέπει να προέρχεται από κάπου, και το Η τάση προς εντροπία δείχνει γιατί το μηχάνημα δεν θα μεταδώσει τέλεια ενέργεια από τη μία μορφή στην άλλη.

Χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του τροχού νερού και της αντλίας από την εισαγωγή, ο τροχός νερού πρέπει να έχει κινούμενα μέρη (για παράδειγμα, τον άξονα και τον σύνδεση με τον τροχό, και τα γρανάζια που μεταδίδουν την ενέργεια στην αντλία), και αυτά θα δημιουργήσουν τριβή, χάνοντας κάποια ενέργεια καθώς θερμότητα.

Αυτό μπορεί να φαίνεται σαν ένα μικρό πρόβλημα, αλλά ακόμη και με μια μικρή πτώση στην παραγωγή ενέργειας, η αντλία δεν θα μπορεί να πάρειόλατου νερού πίσω στην ανυψωμένη επιφάνεια, μειώνοντας έτσι την διαθέσιμη ενέργεια για την επόμενη προσπάθεια. Στη συνέχεια, την επόμενη φορά, θα υπάρχει ακόμη περισσότερη σπατάλη ενέργειας και περισσότερο νερό που δεν μπορεί να αντληθεί και ούτω καθεξής. Εκτός από αυτό, θα υπάρξει επίσης απώλεια ενέργειας από τους μηχανισμούς της αντλίας.

Όταν σκέφτεστε τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής, ίσως αναρωτιέστε: Εάν η εντροπία ενός απομονωμένου το σύστημα αυξάνεται, πώς θα μπορούσε να είναι ένα τόσο «διατεταγμένο» σύστημα όπως ένας άνθρωπος είναι? Πώς παίρνει το σώμα μου άτακτη είσοδο με τη μορφή τροφής και το μετατρέπει σε προσεκτικά σχεδιασμένα κύτταρα και όργανα; Δεν έρχονται σε σύγκρουση αυτά τα σημεία με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής;

Αυτά τα επιχειρήματα αμφότερα κάνουν το ίδιο λάθος: Τα ανθρώπινα όντα δεν είναι «κλειστό σύστημα» (δηλαδή απομονωμένο σύστημα) με την αυστηρή έννοια του κόσμου επειδή αλληλεπιδράτε και μπορείτε να πάρετε ενέργεια από τον περιβάλλοντα χώρο σύμπαν.

Όταν η ζωή εμφανίστηκε για πρώτη φορά στη Γη, αν και το θέμα μετατράπηκε από μια κατάσταση υψηλότερης εντροπίας σε κατάσταση χαμηλότερης εντροπίας, Υπήρχε μια είσοδος ενέργειας στο σύστημα από τον ήλιο, και αυτή η ενέργεια επιτρέπει σε ένα σύστημα να γίνει χαμηλότερη εντροπία χρόνος. Σημειώστε ότι στη θερμοδυναμική, το «σύμπαν» θεωρείται συχνά το περιβάλλον που περιβάλλει μια κατάσταση και όχι ολόκληρο το κοσμικό σύμπαν.

Για το παράδειγμα του ανθρώπινου σώματος που δημιουργεί τάξη στη διαδικασία δημιουργίας κυττάρων, οργάνων και ακόμη και άλλων ανθρώπων, η απάντηση είναι η ίδιο: Παίρνετε ενέργεια από έξω, και αυτό σας επιτρέπει να κάνετε κάποια πράγματα που φαίνεται να αψηφούν τον δεύτερο νόμο του θερμοδυναμική.

Εάν είχατε αποκοπεί εντελώς από άλλες πηγές ενέργειας και καταναλώσατε όλη την αποθηκευμένη ενέργεια του σώματός σας, αυτό θα ήταν πράγματι αλήθεια ότι δεν θα μπορούσατε να δημιουργήσετε κελιά ή να εκτελέσετε οποιαδήποτε από τις διάφορες δραστηριότητες που σας κρατούν λειτουργεί. Χωρίς την προφανή παραβίαση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής, θα πεθαίνατε.