Zakoni termodinamike: definicija, jednadžbe i primjeri

Vječna pumpa jedan je od mnogih strojeva za vječni pokret koji su dizajnirani tijekom godina s ciljem stvaranja kontinuiranog kretanja, a često i kao rezultat toga, besplatne energije. Dizajn je sasvim jednostavan: voda se s podignutog perona spušta preko vodenog kotača koji je pričvršćen na zupčanike, koje zauzvrat pokreću pumpu koja izvlači vodu s površine natrag na podignutu platformu, gdje postupak započinje ispočetka opet.

Kad prvi put čujete za ovakav dizajn, mogli biste pomisliti da je to moguće, pa čak i dobra ideja. I znanstvenici toga vremena složili su se, sve dok zakoni termodinamike nisu otkriveni i u jednom mahu srušili nade svih u vječno kretanje.

Zakoni termodinamike su neki od najvažnijih zakona fizike. Cilj im je opisati energiju, uključujući kako se ona prenosi i čuva, zajedno s ključnim konceptom energijeentropijasustava, koji je dio koji ubija svaku nadu u vječno kretanje. Ako ste student fizike ili samo želite razumjeti mnoge termodinamičke procesa koji se događaju oko vas, učenje četiri zakona termodinamike presudan je korak naprijed svoje putovanje.

Termodinamika je grana fizike koja proučavatoplinska energija i unutarnja energijau termodinamičkim sustavima. Toplinska energija je energija koja prolazi kroz prijenos topline, a unutarnja energija može se smatrati zbrojem kinetičke energije i potencijalne energije za sve čestice u sustavu.

Korištenjem kinetičke teorije kao alata - koji objašnjava svojstva tijela materije proučavanjem kretanja njegove sastavne čestice - fizičari su uspjeli izvesti mnoge ključne veze između važnih količine. Naravno, izračunavanje ukupne energije milijardi atoma bilo bi nepraktično s obzirom na njihovu učinkovitu slučajnost precizni pokreti, pa su se procesi korišteni za dobivanje odnosa gradili oko statističke mehanike i slično pristupa.

U osnovi su dali pojednostavljivanje pretpostavki i usredotočenost na "prosječno" ponašanje velikog broja molekula znanstvenicima alati za analizu sustava u cjelini, bez zaglavljivanja u nepreglednim proračunima za jednu od milijardi atoma.

Da biste razumjeli zakone termodinamike, morate biti sigurni da razumijete neke od najvažnijih pojmova.Temperaturaje mjera prosječne kinetičke energije po molekuli u tvari - tj. koliko se molekule kreću (u tekućini ili plinu) ili vibriraju na mjestu (u krutini). SI jedinica za temperaturu je Kelvin, gdje je 0 Kelvina poznato kao "apsolutna nula", što je najhladnija moguća temperatura (za razliku od nulte temperature u drugim sustavima), gdje je sve molekularno kretanje prestaje.

​Unutarnja energijaje ukupna energija molekula u sustavu, što znači zbroj njihove kinetičke energije i potencijalne energije. Razlika u temperaturi između dvije tvari omogućuje protok topline, što jeTermalna energijakoja prelazi s jednog na drugoga.Termodinamički radje mehanički rad koji se izvodi korištenjem toplinske energije, kao u toplinskom stroju (koji se ponekad naziva Carnotovim motorom).

​Entropijaje koncept koji je teško jasno definirati riječima, ali matematički se definira kao Boltzmannova konstanta (k​ = 1.381 × 10⁻²³ m² kg s⁻¹ K⁻¹) pomnoženo s prirodnim logaritmom broja mikrodržava u sustavu. Riječima se to često naziva mjerom "poremećaja", ali preciznije se može smatrati stupnjem koje se stanje sustava ne razlikuje od velikog broja drugih stanja kada se gleda na makroskopsko nivo.

Na primjer, zapetljana žica za slušalice ima velik broj specifičnih mogućih aranžmana, ali većina ih izgleda samo jednako "zapetljani" kao i ostali i tako imaju veću entropiju od stanja u kojem je žica uredno smotana bez zapetljavanja.

Nulti zakon termodinamike dobiva svoj broj jer su prvi, drugi i treći zakon najpoznatiji i široko poučavan, međutim, jednako je važan i kada je u pitanju razumijevanje interakcija termodinamike sustavima. Nulti zakon kaže da ako je toplinski sustav A u toplinskoj ravnoteži s toplinskim sustavom B, i sustav B je u toplinskoj ravnoteži sa sustavom C, tada sustav A mora biti u ravnoteži sa sustavom C.

To je lako zapamtiti ako razmislite što znači jedan sustav biti u ravnoteži s drugim. Razmišljanje u smislu topline i temperature: Dva su sustava u ravnoteži jedan s drugim kad je toplina tekla kao takva da dovede ih na istu temperaturu, poput jednolike tople temperature koju dobijete neko vrijeme nakon ulijevanja kipuće vode u vrč hladnijeg voda.

Kad su u ravnoteži (tj. Na istoj temperaturi), ili ne dolazi do prijenosa topline ili se protok iz drugog sustava brzo poništava bilo koja mala količina protoka topline.

Razmišljajući o ovome, logično je da ako dovedete treći sustav u ovu situaciju, on će se pomaknuti prema ravnoteža s drugim sustavom, a ako je u ravnoteži, bit će u ravnoteži i s prvim sustavom sustav također.

Prvi zakon termodinamike kaže da promjena unutarnje energije za sustav (∆U) jednaka je toplini prenesenoj u sustav (P) minus rad sustava koji je obavio (W). U simbolima je ovo:

Ovo je u osnovi izjava zakona o očuvanju energije. Sustav dobiva energiju ako mu se prenese toplina i gubi je ako radi na drugom sustavu, a protok energije obrnut je u suprotnim situacijama. Sjećajući se da je toplina oblik prijenosa energije, a rad prijenos mehaničke energije, lako je vidjeti da ovaj zakon jednostavno ponovno navodi očuvanje energije.

Drugi zakon termodinamike kaže da se ukupna entropija zatvorenog sustava (tj. Izoliranog sustava) nikada ne smanjuje, ali se može povećati ili (teoretski) ostati ista.

To se često tumači kao da se "poremećaj" bilo kojeg izoliranog sustava s vremenom povećava, ali kao što je gore spomenuto, ovo nije strogo točan način na koji se može sagledati koncept, iako je široko pravo. Drugi zakon termodinamike u osnovi kaže da slučajni procesi dovode do "poremećaja" u strogom matematičkom smislu izraza.

Sljedeći uobičajeni izvor zablude o drugom zakonu termodinamike je značenje "zatvorenog sustav." Ovo treba smatrati sustavom izoliranim od vanjskog svijeta, ali bez te izolacije, entropijalimenkasmanjenje. Primjerice, neuredna spavaća soba ostavljena sama od sebe nikada neće biti urednija, ali jestlimenkaprebaciti se na uređenije stanje s nižom entropijom ako netko uđe i radi na njemu (tj. očisti ga).

Treći zakon termodinamike kaže da kako se temperatura sustava približava apsolutnoj nuli, entropija sustava približava se konstanti. Drugim riječima, drugi zakon ostavlja mogućnost da entropija sustava može ostati konstantna, ali treći zakon pojašnjava da se to događa tek uapsolutna nula​.

Treći zakon također implicira da je (i ponekad se navodi kao) nemoguće smanjiti temperaturu sustava na apsolutnu nulu s bilo kojim konačnim brojem operacija. Drugim riječima, u biti je nemoguće postići apsolutnu nulu, iako joj se moguće jako približiti i minimizirati povećanje entropije za sustav.

Kada se sustavi približe apsolutnoj nuli, može doći do neobičnog ponašanja. Na primjer, blizu apsolutne nule, mnogi materijali gube sav otpor protoku električne struje, prelazeći u stanje koje se naziva supravodljivost. To je zato što se otpor struji stvara slučajnošću gibanja jezgri atomi u vodiču - blizu apsolutne nule, jedva se pomiču, pa je otpor minimaliziran.

Zakoni termodinamike i zakon očuvanja energije objašnjavaju zašto trajni strojevi za kretanje nisu mogući. Uvijek će se stvoriti neka „otpadna“ energija u bilo kojem dizajnu koji biste odabrali, u skladu s drugim zakonom termodinamike: Entropija sustava će se povećati.

Zakon očuvanja energije pokazuje da bilo koja energija u stroju mora dolaziti odnekud, a tendencija prema entropiji pokazuje zašto stroj neće savršeno prenijeti energiju iz jednog oblika u drugi.

Koristeći primjer vodećeg kotača i pumpe iz uvoda, vodeni kotač mora imati pokretne dijelove (na primjer, osovina i njezin spoj s kotačem i zupčanici koji prenose energiju na pumpu), a oni će stvoriti trenje, gubeći nešto energije kao toplina.

To bi se moglo činiti malim problemom, ali čak i s malim padom u izlaznoj energiji, pumpa neće moći dobitisvivode natrag na podignutu površinu, smanjujući tako energiju dostupnu za sljedeći pokušaj. Tada će sljedeći put biti izgubljeno više energije i više vode koja se neće moći pumpati, i tako dalje. Uz to, doći će i do gubitka energije iz mehanizama pumpe.

Razmišljajući o drugom zakonu termodinamike, mogli biste se zapitati: je li entropija izolirane sustav se povećava, kako bi uopće moglo biti da je došao do tako visoko "uređenog" sustava poput čovjeka biti? Kako moje tijelo uzima poremećeni unos u obliku hrane i pretvara ga u pažljivo dizajnirane stanice i organe? Ne sukobljavaju li se ove točke s drugim zakonom termodinamike?

Ova dva argumenta čine istu grešku: Ljudska bića nisu "zatvoreni sustav" (tj. Izolirani sustav) u strogom smislu svijeta, jer komunicirate i možete uzimati energiju iz okoline svemir.

Kad se život prvi put pojavio na Zemlji, iako se materija transformirala iz više entropije u stanje niže entropije, u sustav je ulazila energija sunca i ta energija omogućuje sustavu da postane niža entropija vrijeme. Imajte na umu da se u termodinamici pod "svemirom" često podrazumijeva okoliš koji okružuje državu, a ne cijeli kozmički svemir.

Na primjeru ljudskog tijela koje stvara red u procesu stvaranja stanica, organa, pa čak i drugih ljudi, odgovor je isto: Uzimate energiju izvana, a to vam omogućuje da radite neke stvari koje kao da prkose drugom zakonu termodinamika.

Ako ste bili potpuno odsječeni od drugih izvora energije i potrošili ste svu pohranjenu energiju svog tijela, to doista bi bila istina da niste mogli proizvoditi stanice ili izvoditi bilo koji niz aktivnosti koje vas zadržavaju funkcioniranje. Bez vašeg očitog prkošenja drugom zakonu termodinamike, umrli biste.