Leggi della termodinamica: definizione, equazioni ed esempi

La pompa perpetua è una delle tante macchine a moto perpetuo che sono state progettate nel corso degli anni, con l'obiettivo di produrre moto continuo, e spesso, di conseguenza, energia libera. Il design è abbastanza semplice: l'acqua scorre giù da una piattaforma rialzata su una ruota idraulica, che è attaccata agli ingranaggi, che a loro volta azionano una pompa che riporta l'acqua dalla superficie fino alla piattaforma rialzata, dove il processo ricomincia ancora.

Quando senti parlare per la prima volta di un design come questo, potresti pensare che sia possibile e anche una buona idea. E gli scienziati dell'epoca furono d'accordo, fino a quando le leggi della termodinamica furono scoperte e distrussero le speranze di tutti di un moto perpetuo in un colpo solo.

Le leggi della termodinamica sono alcune delle leggi più importanti della fisica. Mirano a descrivere l'energia, compreso il modo in cui viene trasferita e conservata, insieme al concetto cruciale dientropiadi un sistema, che è la parte che uccide ogni speranza di moto perpetuo. Se sei uno studente di fisica, o stai solo cercando di capire le tante termodinamiche processi che si verificano intorno a te, imparare le quattro leggi della termodinamica è un passaggio cruciale step il tuo viaggio.

La termodinamica è una branca della fisica che studiaenergia termica ed energia internanei sistemi termodinamici. L'energia termica è l'energia passata attraverso il trasferimento di calore e l'energia interna può essere pensata come la somma dell'energia cinetica e dell'energia potenziale per tutte le particelle in un sistema.

Usando la teoria cinetica come strumento – che spiega le proprietà del corpo della materia studiando i moti di le sue particelle costituenti - i fisici sono stati in grado di derivare molte relazioni cruciali tra importanti le quantità. Certo, calcolare l'energia totale di miliardi di atomi sarebbe poco pratico, considerando l'effettiva casualità della loro movimenti precisi, quindi i processi utilizzati per derivare le relazioni sono stati costruiti attorno alla meccanica statistica e simili approcci.

In sostanza, ipotesi semplificative e un focus sul comportamento "medio" su un gran numero di molecole hanno dato scienziati gli strumenti per analizzare il sistema nel suo insieme, senza rimanere bloccati in calcoli infiniti per uno dei miliardi di atomi.

Per comprendere le leggi della termodinamica, devi assicurarti di aver compreso alcuni dei termini più importanti.Temperaturaè una misura dell'energia cinetica media per molecola in una sostanza, ovvero quanto le molecole si muovono (in un liquido o gas) o vibrano sul posto (in un solido). L'unità SI per la temperatura è Kelvin, dove 0 Kelvin è noto come "zero assoluto", che è il temperatura più fredda possibile (a differenza della temperatura zero in altri sistemi), dove tutto il movimento molecolare cessa.

​Energia internaè l'energia totale delle molecole in un sistema, ovvero la somma della loro energia cinetica ed energia potenziale. Una differenza di temperatura tra due sostanze permette al calore di fluire, che è ilenergia termicache si trasferisce dall'uno all'altro.Lavoro termodinamicoè un lavoro meccanico che viene eseguito sfruttando l'energia termica, come in un motore termico (a volte chiamato motore di Carnot).

​entropiaè un concetto difficile da definire chiaramente a parole, ma matematicamente è definito come la costante di Boltzmann (K​ = 1.381 × 10⁻²³ m² kg s⁻¹ K⁻¹) moltiplicato per il logaritmo naturale del numero di microstati in un sistema. In parole, è spesso indicato come la misura del "disordine", ma può essere pensato più accuratamente come il grado di quale lo stato di un sistema è indistinguibile da un gran numero di altri stati se visto al macroscopico livello.

Ad esempio, un cavo delle cuffie aggrovigliato ha un gran numero di possibili disposizioni specifiche, ma la maggior parte di esse sembra giusta come "aggrovigliato" come gli altri e quindi hanno un'entropia maggiore rispetto a uno stato in cui il filo è avvolto ordinatamente senza grovigli.

La legge zero della termodinamica ottiene il suo numero perché la prima, la seconda e la terza legge sono le più note e ampiamente insegnato, tuttavia, è altrettanto importante quando si tratta di comprendere le interazioni della termodinamica sistemi. La legge zero afferma che se il sistema termico A è in equilibrio termico con il sistema termico B, e il sistema B è in equilibrio termico con il sistema C, quindi il sistema A deve essere in equilibrio con il sistema c.

Questo è facile da ricordare se si pensa a cosa significa per un sistema essere in equilibrio con un altro. Pensando in termini di calore e temperatura: due sistemi sono in equilibrio tra loro quando il calore è fluito come tale per portare li alla stessa temperatura, come la temperatura calda uniforme che si ottiene un po' di tempo dopo aver versato dell'acqua bollente in una brocca più fredda acqua.

Quando sono in equilibrio (cioè alla stessa temperatura), non si verifica alcun trasferimento di calore o qualsiasi piccola quantità di flusso di calore viene rapidamente annullata da un flusso dall'altro sistema.

Pensando a questo, ha senso che se porti un terzo sistema in questa situazione, si sposterà verso equilibrio con il secondo sistema, e se è in equilibrio, sarà anche in equilibrio con il primo anche il sistema.

La prima legge della termodinamica afferma che la variazione di energia interna per un sistema (∆tu) è uguale al calore ceduto al sistema (Q) meno il lavoro svolto dal sistema (W). In simboli, questo è:

Questa è essenzialmente un'affermazione della legge di conservazione dell'energia. Il sistema guadagna energia se gli viene trasferito calore e la perde se funziona su un altro sistema, e il flusso di energia viene invertito nelle situazioni opposte. Ricordando che il calore è una forma di trasferimento di energia, e il lavoro è il trasferimento di energia meccanica, è facile vedere che questa legge semplicemente riafferma la conservazione dell'energia.

La seconda legge della termodinamica afferma che l'entropia totale di un sistema chiuso (cioè un sistema isolato) non diminuisce mai, ma può aumentare o (teoricamente) rimanere la stessa.

Questo è spesso interpretato nel senso che il "disordine" di qualsiasi sistema isolato aumenta nel tempo, ma come discusso sopra, questo non è un modo strettamente accurato di guardare il concetto, sebbene lo sia ampiamente giusto. La seconda legge della termodinamica afferma essenzialmente che i processi casuali portano al “disordine” nel senso strettamente matematico del termine.

Un'altra fonte comune di fraintendimenti sulla seconda legge della termodinamica è il significato di "chiuso" sistema." Questo dovrebbe essere pensato come un sistema isolato dal mondo esterno, ma senza questo isolamento, entropiapuòdiminuire. Ad esempio, una camera da letto disordinata lasciata da sola non diventerà mai più ordinata, ma...puòpassa a uno stato più organizzato a bassa entropia se qualcuno entra e ci lavora (cioè lo pulisce).

La terza legge della termodinamica afferma che quando la temperatura di un sistema si avvicina allo zero assoluto, l'entropia del sistema si avvicina a una costante. In altre parole, la seconda legge lascia aperta la possibilità che l'entropia di un sistema possa rimanere costante, ma la terza legge chiarisce che ciò avviene solo azero Assoluto​.

La terza legge implica anche che (ed è talvolta affermato come) è impossibile ridurre la temperatura di un sistema a zero assoluto con un numero finito di operazioni. In altre parole, è sostanzialmente impossibile raggiungere effettivamente lo zero assoluto, sebbene sia possibile avvicinarsi molto e minimizzare l'aumento di entropia per il sistema.

Quando i sistemi si avvicinano molto allo zero assoluto, possono verificarsi comportamenti insoliti. Ad esempio, vicino allo zero assoluto, molti materiali perdono tutta la resistenza al flusso di corrente elettrica, passando a uno stato chiamato superconduttività. Questo perché la resistenza alla corrente è creata dalla casualità del moto dei nuclei del atomi nel conduttore: vicini allo zero assoluto, si muovono a malapena e quindi la resistenza è ridotta al minimo.

Le leggi della termodinamica e la legge della conservazione dell'energia spiegano perché le macchine a moto perpetuo non sono possibili. Ci sarà sempre dell'energia di "spreco" creata nel processo per qualunque progetto tu scelga, in accordo con la seconda legge della termodinamica: l'entropia del sistema aumenterà.

La legge di conservazione dell'energia mostra che qualsiasi energia nella macchina deve provenire da qualche parte, e il and la tendenza all'entropia mostra perché la macchina non trasmetterà perfettamente energia da una forma all'altra.

Utilizzando l'esempio della ruota idraulica e della pompa dall'introduzione, la ruota idraulica deve avere parti mobili (ad esempio, l'asse e il suo collegamento alla ruota, e gli ingranaggi che trasmettono l'energia alla pompa), e questi creeranno attrito, perdendo energia come calore.

Questo potrebbe sembrare un piccolo problema, ma anche con un piccolo calo della produzione di energia, la pompa non sarà in grado di otteneretuttidell'acqua risalire sulla superficie rialzata, riducendo così l'energia disponibile per il tentativo successivo. Quindi, la prossima volta, ci sarà ancora più energia sprecata e più acqua che non potrà essere pompata, e così via. Oltre a questo, ci sarà anche una perdita di energia dai meccanismi della pompa.

Quando si pensa alla seconda legge della termodinamica, ci si potrebbe chiedere: se l'entropia di un isolato sistema aumenta, come potrebbe essere che un sistema così altamente "ordinato" come un essere umano sia venuto a? essere? In che modo il mio corpo prende input disordinati sotto forma di cibo e lo trasforma in cellule e organi accuratamente progettati? Questi punti non sono in conflitto con la seconda legge della termodinamica?

Questi argomenti fanno entrambi lo stesso errore: gli esseri umani non sono un "sistema chiuso" (cioè un sistema isolato) in senso stretto del mondo perché si interagisce e si prende energia dall'ambiente circostante universo.

Quando la vita emerse per la prima volta sulla Terra, sebbene la materia si fosse trasformata da uno stato di maggiore entropia a uno stato di minore entropia, c'era un input di energia nel sistema dal sole, e questa energia consente a un sistema di diventare una minore entropia per tempo. Si noti che in termodinamica, per "universo" si intende spesso l'ambiente che circonda uno stato, piuttosto che l'intero universo cosmico.

Per l'esempio del corpo umano che crea ordine nel processo di creazione di cellule, organi e persino altri esseri umani, la risposta è la stesso: prendi energia dall'esterno, e questo ti permette di fare alcune cose che sembrano sfidare la seconda legge di termodinamica.

Se sei stato completamente tagliato fuori da altre fonti di energia e hai esaurito tutta l'energia immagazzinata nel tuo corpo, è... sarebbe davvero vero che non potresti produrre cellule o eseguire nessuna delle attività che ti mantengono funzionamento. Senza la tua apparente sfida alla seconda legge della termodinamica, moriresti.