A termodinamika törvényei: Definíció, egyenletek és példák

Az örök szivattyú egyike a sok örök mozgó gépnek, amelyeket az évek során úgy terveztek, hogy folyamatos mozgást, és ennek eredményeként gyakran szabad energiát termeljenek. A kialakítás meglehetősen egyszerű: A víz egy emelt emelvényről folyik le a fogaskerekekhez rögzített vízikerék felett, amelyek viszont működtetnek egy szivattyút, amely a vizet a felszínről visszahúzza a felemelt emelvényre, ahol a folyamat kezdődik újra.

Amikor először hall egy ilyen dizájnról, azt gondolhatja, hogy lehetséges, sőt jó ötlet. És a kor tudósai beleegyeztek, amíg a termodinamika törvényeit fel nem fedezték, és mindenki egy csapásra szétzilálta az örök mozgás reményeit.

A termodinamika törvényei a fizika legfontosabb törvényei közé tartoznak. Céljuk, hogy leírják az energiát, beleértve annak átadását és megőrzését, valamint az energia kulcsfontosságú koncepciójátentrópiaegy olyan rendszer, amely megöli az örök mozgás minden reményét. Ha fizika hallgató vagy csak a sok termodinamikát szeretné megérteni a termodinamika négy törvényének elsajátítása döntő lépés az utazásod.

A termodinamika a fizika egyik ága, amely tanulmányozzahőenergia és belső energiatermodinamikai rendszerekben. A hőenergia a hőátadás útján áthaladó energia, és a belső energia feltehető a rendszer összes részecskéjének kinetikus energiájának és potenciális energiájának összegében.

A kinetikus elmélet eszközként történő felhasználásával - amely az anyag testének tulajdonságait a mozgásainak tanulmányozásával magyarázza alkotó részecskéi - a fizikusok számos fontos összefüggést tudtak levezetni a fontosak között mennyiségeket. Természetesen az atomok milliárdjainak összenergiájának kiszámítása nem praktikus, ha figyelembe vesszük az atomok tényleges véletlenszerűségét pontos mozgások, így a kapcsolatok levezetésére használt folyamatok statisztikai mechanika és hasonló köré épültek megközelít.

Lényegében a feltételezések leegyszerűsítése és a nagyszámú molekula „átlagos” viselkedésére való összpontosítás adta a tudósok a rendszer egészének elemzéséhez szükséges eszközök, anélkül, hogy elakadnának a végtelen számításokban a milliárdok egyikére atomok.

A termodinamika törvényeinek megértéséhez meg kell győződnie arról, hogy megérti a legfontosabb kifejezéseket.Hőfokaz anyag molekulánként mért átlagos kinetikus energiájának a mértéke - vagyis hogy a molekulák mennyit mozognak (folyadékban vagy gázban) vagy rezegnek a helyükön (szilárd anyagban). A hőmérséklet SI mértékegysége Kelvin, ahol 0 Kelvin „abszolút nulla” néven ismert, ami a a lehető leghidegebb hőmérséklet (ellentétben más rendszerek nulla hőmérsékletével), ahol az összes molekuláris mozgás megszűnik.

​Belső energiaa molekulák teljes energiája egy rendszerben, azaz kinetikus és potenciális energiájuk összege. Két anyag közötti hőmérséklet-különbség lehetővé teszi a hő áramlását, ami ahőenergiahogy egyikről a másikra száll át.Termodinamikai munkaolyan mechanikai munka, amelyet hőenergia felhasználásával végeznek, mint egy hőmotorban (néha Carnot motornak hívják).

​Entrópiaolyan fogalom, amelyet nehéz szavakkal egyértelműen meghatározni, de matematikailag a Boltzmann-állandó (k​ = 1.381 × 10⁻²³ m² kg s⁻¹ K⁻¹) szorozva a rendszerben lévő mikropozíciók számának természetes logaritmusával. Szavakkal gyakran a „rendellenesség” mértékeként emlegetik, de pontosabban fel lehet gondolni, mint a mértékét amelyet egy rendszer állapota makroszkopikusan nézve nem különböztethető meg számos más állapottól szint.

Például egy kusza fejhallgató-vezetéknek számos speciális lehetséges elrendezése van, de a legtöbbjük csak úgy néz ki ugyanolyan „kusza”, mint a többiek, és ennél magasabb az entrópiája, mint egy olyan állapotban, amikor a huzat rendesen fel van tekerve, kusza nélkül.

A termodinamika nulladik törvénye megkapja a számát, mert az első, a második és a harmadik törvény a legismertebb és széles körben tanított, ugyanakkor ugyanolyan fontos, amikor megértjük a termodinamikai kölcsönhatásokat rendszerek. A nulladik törvény kimondja, hogy ha az A hőrendszer hőegyensúlyban van a B hőrendszerrel, és A B rendszer hőegyensúlyban van a C rendszerrel, akkor az A rendszernek egyensúlyban kell lennie a rendszerrel C.

Erre könnyű emlékezni, ha belegondol, mit jelent az, hogy az egyik rendszer egyensúlyban van a másikkal. Hő és hőmérséklet szempontjából gondolkodni: Két rendszer egyensúlyban van egymással, amikor a hő önmagában áramlik, hogy ugyanarra a hőmérsékletre, mint az egyenletes meleg hőmérséklet, amelyet egy idő után elér, miután forró vizet öntött egy hidegebb kancsóba víz.

Ha egyensúlyban vannak (vagyis ugyanazon a hőmérsékleten), vagy nem történik hőátadás, vagy bármilyen kis mennyiségű hőáramot gyorsan megszüntet a másik rendszer áramlása.

Ezen gondolkodva van értelme, hogy ha egy harmadik rendszert hoz be ebbe a helyzetbe, akkor az felé tolódik egyensúlyban van a második rendszerrel, és ha egyensúlyban van, akkor az elsővel is egyensúlyban lesz rendszer is.

A termodinamika első törvénye kimondja, hogy a rendszer belső energiájának változása (∆U) egyenlő a rendszerbe továbbított hővel (Q) mínusz a rendszer által végzett munka (W). A szimbólumokban ez:

Ez lényegében az energiamegmaradás törvényének megállapítása. A rendszer energiát nyer, ha a hő átadódik rá, és elveszíti, ha más rendszeren működik, és az energiaáramlás ellentétes helyzetekben megfordul. Emlékeztetve arra, hogy a hő az energiaátadás egyik formája, a munka pedig a mechanikai energia átadása, könnyen belátható, hogy ez a törvény egyszerűen újból kimondja az energia megőrzését.

A termodinamika második törvénye kimondja, hogy a zárt rendszer (azaz egy elszigetelt rendszer) teljes entrópiája soha nem csökken, de növekedhet vagy (elméletileg) ugyanaz maradhat.

Ezt gyakran úgy értelmezik, hogy bármely izolált rendszer „rendellenessége” idővel növekszik, de amint a fentiekben tárgyaltuk, ez nem szigorúan pontos módja a koncepciónak, bár nagyjából így van jobb. A termodinamika második törvénye lényegében kimondja, hogy a véletlenszerű folyamatok a szó szoros matematikai értelmében vett „rendellenességhez” vezetnek.

A termodinamika második törvényével kapcsolatos tévhit másik gyakori forrása a „zárt” jelentése rendszer." Ezt úgy kell elképzelni, mint a külvilágtól elszigetelt rendszert, de anélkül, hogy ez az elszigeteltség lenne, entrópiatudcsökken. Például egy önmagában hagyott rendetlen hálószoba soha nem lesz rendesebb, de mégistudváltson alacsonyabb entrópiájú, szervezettebb állapotra, ha valaki belép és dolgozik rajta (azaz megtisztítja).

A termodinamika harmadik törvénye kimondja, hogy amint egy rendszer hőmérséklete az abszolút nullához közelít, a rendszer entrópiája konstanshoz közelít. Más szavakkal, a második törvény nyitva hagyja annak lehetőségét, hogy egy rendszer entrópiája állandó maradjon, de a harmadik törvény tisztázza, hogy ez csakabszolút nulla​.

A harmadik törvény azt is magában foglalja, hogy (és néha úgy mondják) lehetetlen véges számú művelettel csökkenteni a rendszer hőmérsékletét abszolút nullára. Más szavakkal, lényegében lehetetlen elérni az abszolút nullát, bár lehet nagyon közel kerülni hozzá, és minimalizálni az entrópia növekedését a rendszer számára.

Ha a rendszerek nagyon közel kerülnek az abszolút nullához, szokatlan viselkedést eredményezhet. Például az abszolút nullához közeli állapotban sok anyag elveszíti minden ellenállását az elektromos áram áramlásával szemben, szupravezetésnek nevezett állapotba kapcsolva. Ennek oka, hogy az árammal szembeni ellenállást a magok mozgásának véletlenszerűsége hozza létre atomok a vezetőben - az abszolút nulla közelében, alig mozognak, és így az ellenállás minimálisra csökken.

A termodinamika és az energiamegmaradás törvényei magyarázzák, miért nem lehetségesek az örökmozgók. A termodinamika második törvényének megfelelően a folyamat során mindig keletkezik valamilyen „pazarló” energia a választott tervezéshez. A rendszer entrópiája növekszik.

Az energiamegmaradás törvénye azt mutatja, hogy a gépben lévő energiának valahonnan kell származnia, és a Az entrópia iránti tendencia megmutatja, hogy a gép miért nem fogja tökéletesen továbbítani az energiát az egyik formáról a másikra.

A bevezetőből származó vízikerék és a szivattyú példája alapján a vízikeréknek mozgó részekkel kell rendelkeznie (például a tengely és annak tengelye) csatlakozás a kerékhez, és a hajtóművek, amelyek továbbítják az energiát a szivattyúhoz), és ezek súrlódást okoznak, hő.

Ez kis problémának tűnhet, de még az energiamennyiség kis csökkenése esetén sem lesz képes a szivattyúmindena víz visszafelé a megemelt felületre, ezzel csökkentve a következő kísérlethez rendelkezésre álló energiát. Aztán legközelebb még több elpazarolt energia és több víz nem pumpálható fel, és így tovább. Ezen felül a szivattyú mechanizmusaiból származó energiaveszteség is bekövetkezik.

A termodinamika második törvényére gondolva elgondolkodhat: Ha egy izol entrópiája a rendszer növekszik, hogyan lehet, hogy egy ilyen erősen „rendezett” rendszer jött létre, mint egy ember lenni? Hogyan veszi testem a rendezetlen táplálékot, és hogyan alakítja át gondosan megtervezett sejtekké és szervekké? Ezek a pontok nem ütköznek a termodinamika második törvényével?

Ezek az érvek egyaránt ugyanazt a hibát követik el: Az emberek nem „zárt rendszer” (azaz elszigetelt rendszer) a világ szoros értelmében, mert kölcsönhatásba lépsz a környezettől, és energiát tudsz venni a környezőből világegyetem.

Amikor az élet először megjelent a Földön, bár az anyag átalakult egy magasabb entrópiából egy alacsonyabb entrópia állapotba, a napból energiát vezettek be a rendszerbe, és ez az energia lehetővé teszi, hogy egy rendszer alacsonyabb entrópiává váljon idő. Vegye figyelembe, hogy a termodinamikában az „univerzum” gyakran egy állapotot körülvevő környezetet jelenti, nem pedig az egész kozmikus univerzumot.

Például arra, hogy az emberi test rendet teremt a sejtek, szervek és akár más emberek előállításának folyamatában is, a válasz az ugyanaz: kívülről veszel be energiát, és ez lehetővé teszi néhány olyan dolog elvégzését, amelyek látszólag szembeszegülnek a második törvényével termodinamika.

Ha teljesen elzárkózott más energiaforrásoktól, és felhasználta testének összes tárolt energiáját, akkor azt valóban igaz lenne, hogy nem tudna sejteket előállítani, és nem végezhet semmilyen olyan tevékenységet, amely megtart működő. A termodinamika második törvényének nyilvánvaló ellenszegülése nélkül meghalna.