Termodünaamika seadused: definitsioon, võrrandid ja näited

Püsiv pump on üks paljudest aastate jooksul välja töötatud igiliikuritest, mille eesmärk on toota pidevat liikumist ja sellest tulenevalt sageli ka vaba energiat. Disain on üsna sirgjooneline: vesi voolab ülestõstetud platvormilt alla veeratta külge, mis on kinnitatud hammasrataste külge, mis omakorda juhivad pumpa, mis tõmbab vett pinnalt tagasi üles tõstetud platvormile, kus protsess algab uuesti.

Sellisest kujundusest esimest korda kuuldes võite arvata, et see on võimalik ja isegi hea idee. Ja tolle aja teadlased nõustusid, kuni avastati termodünaamika seadused ja purustasid kõigi lootused igaveseks liikumiseks ühe hoobiga.

Termodünaamika seadused on ühed olulisemad füüsikaseadused. Nende eesmärk on kirjeldada energiat, sealhulgas selle ülekandmist ja säilitamist, ning energia ülitähtsat mõistetentroopiasüsteemi, mis on osa, mis tapab igavese liikumise lootuse. Kui olete füüsikaüliõpilane või soovite lihtsalt mõista paljusid termodünaamikaid protsesside ümber, on termodünaamika nelja seaduse õppimine ülitähtis samm edasi oma teekonda.

Termodünaamika on füüsika haru, mis uuribsoojusenergia ja siseenergiatermodünaamilistes süsteemides. Soojusenergia on soojusülekande kaudu läbitav energia ja siseenergiat võib mõelda süsteemi kõigi osakeste kineetilise energia ja potentsiaalse energia summast.

Kasutades kineetilist teooriat tööriistana - mis seletab aine keha omadusi, uurides liikumisi selle koostisosakesed - füüsikud on suutnud tuletada oluliste seoste vahel mitmeid üliolulisi seoseid kogused. Muidugi oleks miljardite aatomite koguenergia arvutamine ebapraktiline, arvestades nende efektiivset juhuslikkust täpsed liikumised, nii et seoste saamiseks kasutatud protsessid olid üles ehitatud statistilise mehaanika jms ümber lähenemisviise.

Põhimõtteliselt andis eelduste lihtsustamine ja keskendumine "keskmisele" käitumisele paljude molekulide puhul teadlased tööriistad süsteemi kui terviku analüüsimiseks, ilma et jääksite lõpututesse arvutustesse ühe miljardi jaoks aatomite arv.

Termodünaamika seaduste mõistmiseks peate kindlasti mõistma mõnda olulisemat terminit.Temperatuuron aine keskmise kineetilise energia mõõt molekuli kohta - see tähendab, kui palju molekulid ringi liiguvad (vedelikus või gaasis) või vibreerivad paigas (tahkes olekus). Temperatuuri SI ühik on Kelvin, kus 0 Kelvinit nimetatakse absoluutseks nulliks, mis on võimalikult külm temperatuur (erinevalt nulltemperatuurist teistes süsteemides), kus kogu molekulaarne liikumine lakkab.

​Sisemine energiaon molekulide koguenergia süsteemis, mis tähendab nende kineetilise energia ja potentsiaalse energia summat. Temperatuuri erinevus kahe aine vahel võimaldab soojusel voolata, mis onsoojusenergiamis kandub ühest teise.Termodünaamiline tööon mehaaniline töö, mis tehakse soojusenergiat kasutades, nagu soojusmootoris (mõnikord nimetatakse seda ka Carnoti mootoriks).

​Entroopiaon mõiste, mida on raske sõnadega selgelt määratleda, kuid matemaatiliselt on see määratletud kui Boltzmanni konstant (k​ = 1.381 × 10⁻²³ m² kg s⁻¹ K⁻¹) korrutatuna süsteemi mikropositsioonide arvu loodusliku logaritmiga. Sõnades nimetatakse seda sageli "häire" näitajaks, kuid seda võib täpsemini mõelda kui astet mida süsteemi olek ei erine makroskoopiliselt vaadates paljudest teistest olekutest tasemel.

Näiteks on sassis kõrvaklappide traadil palju konkreetseid võimalikke korraldusi, kuid enamik neist näeb välja lihtsalt sama „sassis“ nagu teised ja nii on ka suurem entroopia kui olekus, kus traat on korralikult kokku keeratud ilma sassis.

Termodünaamika nullist seadus saab selle arvu, sest esimene, teine ​​ja kolmas seadus on kõige tuntumad ja laialt õpetatud, on see aga sama oluline ka termodünaamiliste koostoimete mõistmisel süsteemid. Nullseadus ütleb, et kui termosüsteem A on termilise tasakaaluga termosüsteemiga B, ja süsteem B on süsteemiga C termilises tasakaalus, siis süsteem A peab olema süsteemiga tasakaalus C.

Seda on lihtne meeles pidada, kui mõelda, mida tähendab, et üks süsteem on teisega tasakaalus. Mõeldes kuumusele ja temperatuurile: kaks süsteemi on omavahel tasakaalus, kui soojus on sellisena voolanud need samale temperatuurile, nagu ühtlane soe temperatuur, mille saate mõnda aega pärast keeva vee valamist külmemasse kannu vesi.

Kui nad on tasakaalus (s.o samal temperatuuril), ei toimu soojusülekannet või tühistatakse teisest süsteemist tulev vool kiiresti mis tahes väikese koguse soojusvoogu.

Sellele mõeldes on mõistlik, et kui tuua sellesse olukorda kolmas süsteem, siis see nihkub tasakaalu teise süsteemiga ja kui see on tasakaalus, on see tasakaalus ka esimese süsteemiga süsteem ka.

Termodünaamika esimene seadus ütleb, et süsteemi siseenergia muutus (∆U) võrdub süsteemi ülekantava soojusega (Q) miinus süsteemi tehtud töö (W). Sümbolites on see:

See on sisuliselt energia jäävuse seaduse avaldus. Süsteem saab energiat, kui soojus talle üle kandub, ja kaotab selle, kui see töötab mõnes teises süsteemis, ning vastupidises olukorras on energiavoog vastupidine. Pidades meeles, et soojus on energia ülekandmise vorm ja töö on mehaanilise energia ülekandmine, on lihtne mõista, et see seadus lihtsalt ütleb energia säästmise uuesti.

Termodünaamika teine ​​seadus ütleb, et suletud süsteemi (st eraldatud süsteemi) kogu entroopia ei vähene kunagi, kuid see võib suureneda või (teoreetiliselt) jääda samaks.

Seda tõlgendatakse sageli nii, et mis tahes isoleeritud süsteemi "häire" aja jooksul suureneb, kuid nagu eespool arutletud, ei ole see kontseptsiooni vaatamiseks täpselt täpne viis, kuigi see on üldjoontes nii eks. Termodünaamika teine ​​seadus väidab sisuliselt, et juhuslikud protsessid viivad termini "matemaatilises mõttes" häireni.

Teine levinud eksiarvamus termodünaamika teise seaduse kohta on „suletud” tähendus süsteem. ” Seda tuleks mõelda kui välismaailmast isoleeritud süsteemi, kuid ilma selle isolatsioonita entroopiasaabvähenemine. Näiteks omaette jäetud räpane magamistuba ei saa kunagi korralikumaks, aga nii saabsaablülituge madalama entroopia organiseeritud olekusse, kui keegi siseneb selle kallale ja teeb sellega tööd (st puhastab seda).

Termodünaamika kolmas seadus ütleb, et kui süsteemi temperatuur läheneb absoluutsele nullile, läheneb süsteemi entroopia konstandile. Teisisõnu, teine ​​seadus jätab lahtiseks võimaluse, et süsteemi entroopia võib püsida konstantsena, kuid kolmas seadus selgitab, et see toimub allesabsoluutne null​.

Kolmas seadus viitab ka sellele, et (ja mõnikord öeldakse seda) on võimatu piirata süsteemi temperatuuri absoluutse nullini mis tahes piiratud arvu toimingutega. Teisisõnu, absoluutse nulli saavutamine on sisuliselt võimatu, kuigi on võimalik sellele väga lähedale jõuda ja süsteemi entroopia kasvu minimeerida.

Kui süsteemid jõuavad absoluutse nulli lähedale, võib tulemuseks olla ebatavaline käitumine. Näiteks absoluutse nulli lähedal kaotavad paljud materjalid igasuguse vastupanu elektrivoolu voolule, siirdudes ülijuhtivuse seisundisse. Seda seetõttu, et vastupanu voolule tekitab tuumade liikumise juhuslikkus juhid aatomid - absoluutse nulli lähedal, nad vaevu liiguvad ja nii on takistus minimeeritud.

Termodünaamika seadused ja energia jäävuse seadus selgitavad, miks igiliikurid pole võimalikud. Vastavalt termodünaamika teisele seadusele tekib protsessi käigus alati mõni „raisk“ energia mis tahes kujunduse jaoks, mille võite valida: süsteemi entroopia suureneb.

Energia jäävuse seadus näitab, et mis tahes energia masinas peab tulema kuskilt ja kalduvus entroopia poole näitab, miks masin ei edasta energiat ideaalselt ühest vormist teise.

Kasutades sissejuhatusest pärit veeratast ja pumba näidet, peab veerattal olema liikuvad osad (näiteks telg ja selle telg) ühendus ratta ja hammasratastega, mis edastavad energiat pumbale) ja need tekitavad hõõrdumist, kaotades osa energiast kuumus.

See võib tunduda väikese probleemina, kuid isegi väikese energiaväljalanguse korral ei saa pump seda kättekõikvett tagasi üles tõstetud pinnale, vähendades seeläbi järgmiseks katseks saadaolevat energiat. Siis järgmisel korral on veel rohkem raisatud energiat ja rohkem vett, mida pole võimalik üles pumbata jne. Lisaks sellele toimub ka pumba mehhanismide energiakadu.

Mõeldes termodünaamika teisele seadusele, võite mõelda: kui isoleeritud entroopia kuidas süsteem võib suureneda, kuidas see võib juhtuda, et sellise kõrgelt "korrastatud" süsteemini nagu inimene jõuti olema? Kuidas võtab minu keha toidu kujul korratut sisendit ja muudab selle hoolikalt kavandatud rakkudeks ja elunditeks? Kas need punktid pole vastuolus termodünaamika teise seadusega?

Need argumendid teevad mõlemad sama vea: Inimesed ei ole „suletud süsteem“ (s.o isoleeritud süsteem) maailma ranges tähenduses, kuna suhtlete ümbritseva energiaga ja saate sellest energiat võtta universum.

Kui elu esmakordselt Maal tekkis, ehkki aine muutus kõrgema entroopia alt madalama entroopia olekusse, energiasisend oli süsteemis päikeselt ja see energia võimaldab süsteemil muutuda madalamaks entroopiaks aeg. Pange tähele, et termodünaamikas peetakse “universumi” all silmas sageli olekut ümbritsevat keskkonda, mitte kogu kosmilist universumit.

Näiteks inimkeha, mis rakkude, elundite ja isegi teiste inimeste loomise protsessis korda loob, on vastus sama: võtate energiat väljastpoolt ja see võimaldab teil teha mõningaid asju, mis näivad trotsivat teise seadust termodünaamika.

Kui te olete täielikult eraldatud muudest energiaallikatest ja te kasutate kogu oma keha salvestatud energiat, siis see oleks tõsi, et te ei saanud rakke toota ega teha ühtegi teist tegevust, mis teid hoiab toimivad. Ilma teie ilmse trotsimiseta termodünaamika teise seaduse vastu sureksite.