Termodynamiikan lait: Määritelmä, yhtälöt ja esimerkit

Jatkuva pumppu on yksi monista ikuisista liikkeistä, jotka on suunniteltu vuosien varrella jatkuvan liikkeen ja usein sen seurauksena vapaan energian tuottamiseksi. Suunnittelu on melko suoraviivaista: Vesi virtaa alas nostetulta alustalta vesipyörän yli, joka on kiinnitetty hammaspyöriin, joka puolestaan ​​käyttää pumppua, joka vetää vettä pinnalta takaisin ylös nostetulle alustalle, josta prosessi alkaa uudelleen.

Kun kuulet ensimmäisen kerran tällaisesta suunnittelusta, saatat ajatella, että se on mahdollista ja jopa hyvä idea. Päivän tiedemiehet olivat yhtä mieltä, kunnes termodynamiikan lait löydettiin ja hävitettiin kaikkien toiveet ikuisesta liikkeestä yhdellä pyyhkäisyllä.

Termodynamiikan lait ovat tärkeimpiä fysiikan lakeja. He pyrkivät kuvaamaan energiaa, mukaan lukien miten se siirtyy ja säilyy, sekä energian ratkaiseva käsitehajejärjestelmän osa, joka tappaa kaiken toivon ikuisesta liikkeestä. Jos olet fysiikan opiskelija tai haluat vain ymmärtää monia termodynaamisia ympärilläsi tapahtuvissa prosesseissa, termodynamiikan neljän lain oppiminen on tärkeä askel eteenpäin matkasi.

Termodynamiikka on fysiikan osa, joka tutkiilämpöenergia ja sisäinen energiatermodynaamisissa järjestelmissä. Lämpöenergia on lämmönsiirron kautta kulkeva energia, ja sisäinen energia voidaan ajatella kineettisen energian ja kaikkien järjestelmän hiukkasten potentiaalienergian summasta.

Käyttämällä kineettistä teoriaa työkaluna - joka selittää aineen rungon ominaisuudet tutkimalla sen liikkeitä sen sisältämät hiukkaset - fyysikot ovat kyenneet johtamaan monia tärkeitä suhteita tärkeiden välillä määrät. Miljardien atomien kokonaisenergian laskeminen olisi tietysti epäkäytännöllistä, kun otetaan huomioon niiden atomien tehollinen satunnaisuus tarkat liikkeet, joten suhteiden johtamiseen käytettävät prosessit rakennettiin tilastomekaniikan ja vastaavien ympärille lähestymistapoja.

Pohjimmiltaan oletusten yksinkertaistaminen ja keskittyminen "keskimääräiseen" käyttäytymiseen useiden molekyylien suhteen antoi tutkijat työkalut järjestelmän koko analysointiin, juuttumatta loputtomiin laskelmiin yhdestä miljardista atomien.

Termodynamiikan lakien ymmärtämiseksi sinun on varmistettava, että ymmärrät joitain tärkeimpiä termejä.Lämpötilaon aineen keskimääräisen kineettisen energian mitta molekyyliä kohti - ts. kuinka paljon molekyylit liikkuvat (nesteessä tai kaasussa) tai tärisevät paikallaan (kiinteässä aineessa). Lämpötilan SI-yksikkö on Kelvin, missä 0 Kelvin tunnetaan nimellä "absoluuttinen nolla", mikä on kylmin mahdollinen lämpötila (toisin kuin nollalämpötila muissa järjestelmissä), jossa kaikki molekyyliliikkeet loppuu.

​Sisäinen energiaon molekyylien kokonaisenergia järjestelmässä, mikä tarkoittaa niiden kineettisen energian ja potentiaalienergian summaa. Kahden aineen välinen lämpötilaero sallii lämmön virtaamisen, mikä onlämpöenergiajoka siirtyy yhdeltä toiselle.Termodynaaminen työon mekaanista työtä, joka suoritetaan lämpöenergian avulla, kuten lämpömoottorissa (joskus kutsutaan Carnot-moottoriksi).

​Hajeon käsite, jota on vaikea määritellä selkeästi sanoin, mutta matemaattisesti se määritellään Boltzmannin vakiona (k​ = 1.381 × 10⁻²³ m² kg s⁻¹ K⁻¹) kerrottuna järjestelmän mikrotilojen lukumäärän luonnollisella logaritmilla. Sanalla sanotaan usein "häiriön" mittariksi, mutta sitä voidaan ajatella tarkemmin kuin astetta jonka järjestelmän tilaa ei voida erottaa suuresta joukosta muita tiloja makroskooppisesti tarkasteltuna taso.

Esimerkiksi sotkeutuneessa kuulokeliitännässä on paljon erityisiä mahdollisia järjestelyjä, mutta suurin osa niistä näyttää hyvältä yhtä "sotkeutunut" kuin muut, ja niillä on suurempi entropia kuin tilassa, jossa lanka on kääritty siististi ilman takertumista.

Termodynamiikan nulllaki saa sen numeron, koska ensimmäinen, toinen ja kolmas laki ovat tunnetuimpia ja laajasti opetettu, se on kuitenkin yhtä tärkeää termodynaamisen vuorovaikutuksen ymmärtämisessä järjestelmät. Zeroth-lain mukaan, jos lämpöjärjestelmä A on lämpö tasapainossa lämpöjärjestelmän B kanssa, ja järjestelmä B on termisessä tasapainossa järjestelmän C kanssa, sitten järjestelmän A on oltava tasapainossa järjestelmän kanssa C.

Tämä on helppo muistaa, jos ajattelet, mitä yhden järjestelmän on olla tasapainossa toisen kanssa. Ajattelu lämmön ja lämpötilan suhteen: Kaksi järjestelmää on tasapainossa toistensa kanssa, kun lämpö on virtaanut sellaisenaan ne samaan lämpötilaan, kuten tasainen lämmin lämpötila, jonka saat jonkin aikaa kaadettuasi kiehuvaa vettä kylmempään kannuun vettä.

Kun ne ovat tasapainossa (ts. Samassa lämpötilassa), joko lämmönsiirtoa ei tapahdu tai pieni määrä lämpövirtaa poistuu nopeasti toisesta järjestelmästä tulevalla virtauksella.

Kun ajattelen tätä, on järkevää, että jos tuot kolmannen järjestelmän tähän tilanteeseen, se siirtyy kohti tasapainossa toisen järjestelmän kanssa, ja jos se on tasapainossa, se on myös tasapainossa ensimmäisen myös järjestelmä.

Ensimmäisessä termodynamiikan laissa todetaan, että järjestelmän sisäisen energian muutos (∆U) on yhtä suuri kuin järjestelmään siirretty lämpö (Q) miinus järjestelmän tekemä työ (W). Symboleissa tämä on:

Tämä on pohjimmiltaan lausunto energiansäästölaista. Järjestelmä saa energiaa, jos lämpö siirtyy siihen, ja menettää sen, jos se toimii toisessa järjestelmässä, ja energian virtaus muuttuu päinvastaisissa tilanteissa. Muistaen, että lämpö on eräänlainen energiansiirto ja työ on mekaanisen energian siirtämistä, on helppo nähdä, että tämä laki yksinkertaisesti ilmoittaa energiansäästön.

Termodynamiikan toisessa laissa todetaan, että suljetun järjestelmän (eli eristetyn järjestelmän) kokonaisentropia ei koskaan vähene, mutta se voi kasvaa tai (teoreettisesti) pysyä samana.

Tämän tulkitaan usein tarkoittavan, että minkä tahansa eristetyn järjestelmän "häiriö" lisääntyy ajan myötä, mutta kuten edellä keskusteltiin, tämä ei ole aivan tarkka tapa tarkastella käsitettä, vaikka se onkin laajasti oikein. Termodynamiikan toinen laki sanoo olennaisesti, että satunnaiset prosessit johtavat "häiriöön" sanan tiukassa matemaattisessa merkityksessä.

Toinen yleinen väärinkäsityksen lähde termodynamiikan toisesta laista on "suljetun" merkitys järjestelmä. " Tätä pitäisi ajatella järjestelmästä, joka on eristetty ulkomaailmasta, mutta ilman tätä eristystä, hajevoilasku. Esimerkiksi itsestään jätetty sotkuinen makuuhuone ei koskaan tule siistemmäksi, mutta sevoivaihda alemman entropian järjestäytyneempään tilaan, jos joku tulee siihen ja tekee sitä (eli puhdistaa sen).

Kolmannessa termodynamiikan laissa todetaan, että kun järjestelmän lämpötila lähestyy absoluuttista nollaa, järjestelmän entropia lähestyy vakiota. Toisin sanoen toinen laki jättää avoimeksi mahdollisuuden, että järjestelmän entropia voi pysyä vakiona, mutta kolmas laki selventää, että tämä tapahtuu vainabsoluuttinen nolla​.

Kolmas laki viittaa myös siihen, että järjestelmän lämpötilaa on mahdotonta alentaa absoluuttiseen nollaan millä tahansa rajallisella määrällä operaatioita (ja joskus sanotaan näin). Toisin sanoen, on käytännössä mahdotonta saavuttaa absoluuttista nollaa, vaikka on mahdollista päästä hyvin lähelle sitä ja minimoida järjestelmän entropian lisääntyminen.

Kun järjestelmät lähestyvät absoluuttista nollaa, seurauksena voi olla epätavallinen käyttäytyminen. Esimerkiksi lähellä absoluuttista nollaa monet materiaalit menettävät kaiken vastuksen sähkövirran virtaukselle siirtymällä suprajohtavuudeksi kutsuttuun tilaan. Tämä johtuu siitä, että resistenssi virralle syntyy ytimen liikkeen satunnaisuudesta johtimen atomit - lähellä absoluuttista nollaa, ne tuskin liikkuvat, ja siten vastus on minimoitu.

Termodynamiikan lait ja energiansäästölait selittävät, miksi ikuiset liikekoneet eivät ole mahdollisia. Prosessissa syntyy aina jonkin verran "hukka" energiaa valitsemallesi suunnittelulle termodynamiikan toisen lain mukaisesti: Järjestelmän entropia kasvaa.

Energiansäästölaki osoittaa, että koneen kaiken energian täytyy tulla jostain, ja taipumus entropiaan osoittaa, miksi kone ei välitä täydellisesti energiaa muodosta toiseen.

Käyttämällä vesipyörää ja pumpun esimerkkiä johdannosta vesipyörällä on oltava liikkuvia osia (esimerkiksi akseli ja sen osat) kytkentä pyörään ja hammaspyörät, jotka välittävät energian pumpulle), ja ne aiheuttavat kitkaa, menettää jonkin verran energiaa lämpöä.

Tämä saattaa tuntua pieneltä ongelmalta, mutta jopa pienellä energiankulutuksella pumppu ei pysty saamaankaikkiveden takaisin ylös kohotetulle pinnalle, mikä vähentää seuraavaa yritystä varten käytettävissä olevaa energiaa. Sitten ensi kerralla on vielä enemmän hukkaan menevää energiaa ja enemmän vettä, jota ei voida pumpata ylös ja niin edelleen. Tämän lisäksi pumpun mekanismeista aiheutuu energiahäviöitä.

Kun ajatellaan termodynamiikan toista lakia, saatat ihmetellä: Jos eristetyn entropia systeemi kasvaa, kuinka se voisi olla, että sellainen erittäin "järjestetty" järjestelmä kuin ihminen tuli olla? Kuinka ruumiini ottaa häiriötöntä ruokaa ruoan muodossa ja muuttaa sen huolellisesti suunnitelluiksi soluiksi ja elimiksi? Eivätkö nämä kohdat ole ristiriidassa termodynamiikan toisen lain kanssa?

Nämä väitteet tekevät molemmat saman virheen: Ihmiset eivät ole "suljettu järjestelmä" (eli eristetty järjestelmä) maailman tiukassa merkityksessä, koska olet vuorovaikutuksessa ympäröivän kanssa ja voit ottaa siitä energiaa maailmankaikkeus.

Kun elämä ilmestyi ensimmäisen kerran maapallolle, vaikka asia muuttui korkeammasta entropiasta alemman entropian tilaan, aurinkoon syötettiin energiaa järjestelmään, ja tämä energia antaa järjestelmän tulla alemmaksi entropiaksi aika. Huomaa, että termodynamiikassa "universumilla" tarkoitetaan usein tilaa ympäröivää ympäristöä eikä koko kosmistä universumia.

Esimerkiksi ihmiskehon luomassa järjestystä solujen, elinten ja jopa muiden ihmisten valmistusprosessissa vastaus on sama: Otat energiaa ulkopuolelta, ja tämä antaa sinulle mahdollisuuden tehdä joitain asioita, jotka näyttävät olevan ristiriidassa toisen lain kanssa termodynamiikka.

Jos sinut erotettiin kokonaan muista energialähteistä ja käytit kaiken kehosi varastoidun energian, se olisi totta, ettet voinut tuottaa soluja tai suorittaa mitään toimintoja, jotka pitävät sinua toiminta. Ilman ilmeistä termodynamiikan toisen lain vastustamista kuolet.