თერმოდინამიკის კანონები: განმარტება, განტოლებები და მაგალითები

მუდმივი ტუმბო არის ერთერთი მრავალი მუდმივი მოძრაობის აპარატიდან, რომელიც წლების განმავლობაში შეიქმნა და მიზნად ისახავდა უწყვეტი მოძრაობის გამომუშავებას და ხშირად, შედეგად, თავისუფალ ენერგიას. დიზაინი საკმაოდ მარტივია: წყალი მოედინება დაწეული პლატფორმიდან წყლის ბორბალზე, რომელიც ერთვის გადაცემებს, რომლებიც თავის მხრივ მუშაობენ ტუმბოზე, რომელიც ზედაპირს წყალს უკავშირებს აწეულ ბაქანამდე, სადაც პროცესი თავიდან იწყება ისევ

როდესაც პირველად გსმენიათ მსგავსი დიზაინის შესახებ, შეიძლება იფიქროთ, რომ ეს შესაძლებელია და კიდევ კარგი იდეაა. და იმ დღის მეცნიერები შეთანხმდნენ, სანამ თერმოდინამიკის კანონები არ იქნა აღმოჩენილი და ყველას არ გაეფუჭებინა სამუდამო მოძრაობის იმედი.

თერმოდინამიკის კანონები ფიზიკის რამდენიმე ყველაზე მნიშვნელოვანი კანონია. მათი მიზანია აღწერონ ენერგია, მათ შორის როგორ ხდება მისი გადაცემა და კონსერვაცია, ასევე გადამწყვეტი მნიშვნელობის კონცეფციაენტროპიასისტემის, რომელიც არის ის ნაწილი, რომელიც კლავს მუდმივ მოძრაობის ყოველგვარ იმედს. თუ ფიზიკის სტუდენტი ხართ, ან უბრალოდ ეძებთ მრავალი თერმოდინამიკის გაგებას თქვენს გარშემო მიმდინარე პროცესები, თერმოდინამიკის ოთხი კანონის სწავლა გადამწყვეტი ნაბიჯია თქვენი მოგზაურობა.

თერმოდინამიკა ფიზიკის ის დარგია, რომელიც სწავლობსსითბოს ენერგია და შინაგანი ენერგიათერმოდინამიკურ სისტემებში. სითბოს ენერგია არის სითბოს გადაცემის ენერგია და შინაგანი ენერგია შეიძლება განვიხილოთ კინეტიკური ენერგიისა და პოტენციური ენერგიის ჯამზე სისტემის ყველა ნაწილაკისთვის.

კინეტიკური თეორიის იარაღად გამოყენებით - რომელიც ხსნის მატერიის სხეულის თვისებებს, მოძრაობის შესწავლით მისი შემადგენელი ნაწილაკები - ფიზიკოსებმა შეძლეს მნიშვნელოვანი ურთიერთმიმართების მრავალი მნიშვნელოვანი კავშირი რაოდენობით. რა თქმა უნდა, მილიარდობით ატომის მთლიანი ენერგიის გაანგარიშება არაპრაქტიკული იქნება, თუ გავითვალისწინებთ მათ ეფექტურ შემთხვევითობას ზუსტი მოძრაობები, ამიტომ პროცესები, რომლებიც წარმოიქმნება ურთიერთობების დასადგენად, აგებული იყო სტატისტიკური მექანიკის გარშემო და სხვა მიღწევები.

არსებითად, დაშვებების გამარტივებამ და ფოკუსირება მოახდინა "საშუალო" ქცევაზე მოლეკულების დიდ რაოდენობაზე მეცნიერებს საშუალება აქვთ გააანალიზონ სისტემა მთლიანობაში, მილიარდობით გაუთავებელ გათვლებში ჩარჩენის გარეშე ატომების.

თერმოდინამიკის კანონების გასაგებად უნდა დარწმუნდეთ, რომ გესმით რამდენიმე ყველაზე მნიშვნელოვანი ტერმინი.ტემპერატურაარის ნივთიერებაში საშუალო კინეტიკური ენერგიის თითო მოლეკულის საზომი - ანუ რამდენად მოძრაობენ მოლეკულები (სითხეში ან გაზში) ან ვიბრაციას ადგილზე (მყარი). SI ტემპერატურის ერთეული არის კელვინი, სადაც 0 კელვინი ცნობილია როგორც "აბსოლუტური ნულოვანი", რაც არის შესაძლო ყველაზე ცივი ტემპერატურა (სხვა სისტემებში ნულოვანი ტემპერატურისგან განსხვავებით), სადაც ყველა მოლეკულური მოძრაობაა წყვეტს

​შინაგანი ენერგიაარის სისტემის მოლეკულების საერთო ენერგია, რაც ნიშნავს მათი კინეტიკური ენერგიისა და პოტენციური ენერგიის ჯამს. ორ ნივთიერებას შორის ტემპერატურის სხვაობა საშუალებას იძლევა სითბო შემოვა, რაც არისთერმული ენერგიარომ გადადის ერთიდან მეორეზე.თერმოდინამიკური სამუშაოარის მექანიკური სამუშაო, რომელიც ხორციელდება სითბური ენერგიის გამოყენებით, ისევე როგორც სითბოს ძრავაში (ზოგჯერ მას უწოდებენ Carnot ძრავას).

​ენტროპიაარის ცნება, რომლის განსაზღვრა ძნელია სიტყვებით, მაგრამ მათემატიკურად იგი განისაზღვრება, როგორც ბოლცმანის მუდმივა (კ​ = 1.381 × 10⁻²³ მ² კგ წმ⁻¹ კ⁻¹) გამრავლებული სისტემაში მიკროსტატების რაოდენობის ბუნებრივ ლოგარითმზე. სიტყვებით, მას ხშირად უწოდებენ "აშლილობის" საზომს, მაგრამ უფრო სწორად შეიძლება მივიჩნიოთ, რომელიც სისტემის მდგომარეობას არ გამოირჩევა დიდი რაოდენობით სხვა მდგომარეობებისაგან, როდესაც მაკროსკოპულად ჩანს დონის

მაგალითად, ჩახლართული ყურსასმენის მავთულს აქვს დიდი რაოდენობით კონკრეტული შესაძლო შეთანხმებები, მაგრამ მათი უმეტესობა მხოლოდ გამოიყურება სხვებთან შედარებით "ჩახლართული" და მათ აქვთ უფრო მაღალი ენტროპია, ვიდრე სახელმწიფო, სადაც მავთული ლამაზად არის გახვეული და არც ჩახლართულია.

თერმოდინამიკის ნულოვანი კანონი იღებს მის რიცხვს, რადგან პირველი, მეორე და მესამე კანონები ყველაზე ცნობილია და ფართოდ სწავლებული, მაგრამ ისეთივე მნიშვნელოვანია, როდესაც საქმე ეხება თერმოდინამიკის ურთიერთქმედების გაგებას სისტემები ნულოვანი კანონის თანახმად, თუ თერმული სისტემა A თერმული წონასწორობაშია B თერმულ სისტემასთან და B სისტემა თერმული წონასწორობით არის C სისტემასთან, მაშინ A სისტემა უნდა იყოს წონასწორობა სისტემასთან გ.

ამის დამახსოვრება ადვილია, თუ ფიქრობთ იმაზე, თუ რას ნიშნავს ერთი სისტემის წონასწორობა სხვაზე. ფიქრი სითბოს და ტემპერატურის თვალსაზრისით: ორი სისტემა წონასწორობაშია ერთმანეთთან, როდესაც სითბო შემოვა, როგორც ასეთი, რომ მოუტანოს ისინი ერთსა და იმავე ტემპერატურაზე, ისევე როგორც ერთგვაროვანი თბილი ტემპერატურა, რომელსაც მიიღებთ გარკვეული დროით მდუღარე წყალში უფრო ცივი ჭურჭლის ჩაყრის შემდეგ წყალი

როდესაც ისინი წონასწორობაში არიან (ე.ი. იმავე ტემპერატურაზე), ან სითბოს გადაცემა არ ხდება, ან სითბოს ნაკადის მცირე რაოდენობა სწრაფად გაუქმდება სხვა სისტემის ნაკადის შედეგად.

ამაზე ფიქრს აქვს აზრი, რომ თუ მესამე სისტემა შემოიტანე ამ სიტუაციაში, ის გადაიწევს წონასწორობა მეორე სისტემასთან და თუ ის წონასწორობაშია, იგი ასევე იქნება წონასწორობა პირველთან სისტემაც.

თერმოდინამიკის პირველი კანონი აცხადებს, რომ სისტემისთვის შინაგანი ენერგიის ცვლილება ()უ) ტოლია სისტემაში გადატანილი სითბოს (Q) სისტემის მიერ შესრულებული სამუშაოს გამოკლებით (ვ). სიმბოლოებში ეს არის:

ეს არსებითად წარმოადგენს ენერგიის შენარჩუნების კანონის დებულებას. სისტემა ენერგიას იძენს, თუ მასში სითბო გადადის და კარგავს მას, თუ ის მუშაობს სხვა სისტემაზე, ხოლო ენერგიის დინება უკუგანვითარდება. გახსოვდეთ, რომ სითბო არის ენერგიის გადაცემის ფორმა, ხოლო სამუშაო მექანიკური ენერგიის გადაცემაა, ადვილი გასაგებია, რომ ეს კანონი უბრალოდ აღნიშნავს ენერგიის შენარჩუნებას.

თერმოდინამიკის მეორე კანონი ამბობს, რომ დახურული სისტემის (ანუ იზოლირებული სისტემის) საერთო ენტროპია არასდროს მცირდება, მაგრამ მას შეუძლია გაიზარდოს ან (თეორიულად) იგივე დარჩეს.

ეს ხშირად განიმარტება, როგორც მნიშვნელობა, რომ ნებისმიერი იზოლირებული სისტემის "არეულობა" დროთა განმავლობაში იზრდება, მაგრამ როგორც ზემოთ ვისაუბრეთ, ეს არ არის მკაცრად ზუსტი გზა კონცეფციის შესასწავლად, თუმცა იგი ფართო მასშტაბით არის მართალი თერმოდინამიკის მეორე კანონი არსებითად აცხადებს, რომ შემთხვევითი პროცესები იწვევს "არეულობას" ტერმინის მკაცრი მათემატიკური გაგებით.

თერმოდინამიკის მეორე კანონის შესახებ არასწორი წარმოდგენის კიდევ ერთი საერთო წყაროა ”დახურული სისტემა ”. ეს უნდა ვიფიქროთ, როგორც სისტემა, რომელიც იზოლირებულია გარესამყაროსგან, მაგრამ ამ იზოლაციის გარეშე, ენტროპიაშეიძლებაშემცირება მაგალითად, თავისთავად დარჩენილი ბინძური საძინებელი არასდროს მოწესრიგდება, მაგრამ ისშეიძლებაგადადით ქვედა ენტროპიის უფრო ორგანიზებულ მდგომარეობაში, თუ ვინმე შემოვა და მასზე მუშაობს (ანუ ასუფთავებს მას).

თერმოდინამიკის მესამე კანონი აცხადებს, რომ სისტემის ტემპერატურა აბსოლუტურ ნულს უახლოვდება, სისტემის ენტროპია უახლოვდება კონსტანტას. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, მეორე კანონი ღიად ტოვებს შესაძლებლობას, რომ სისტემის ენტროპია შეიძლება დარჩეს მუდმივი, მაგრამ მესამე კანონი განმარტავს, რომ ეს მხოლოდაბსოლუტური ნული​.

მესამე კანონი ასევე გულისხმობს, რომ შეუძლებელია სისტემის ტემპერატურის აბსოლუტურ ნულამდე შემცირება ნებისმიერი სასრული რაოდენობის ოპერაციებით. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, აბსოლუტურად ნულის მიღწევა არსებითად შეუძლებელია, თუმცა შესაძლებელია მასთან ძალიან ახლოს მიდგომა და სისტემისთვის ენტროპიის ზრდის შემცირება.

როდესაც სისტემები აბსოლუტურ ნულთან ძალიან ახლოს მიდიან, შეიძლება გამოიწვიოს უჩვეულო ქცევა. მაგალითად, აბსოლუტურ ნულთან ახლოს, მრავალი მასალა კარგავს ყოველგვარ წინააღმდეგობას ელექტროენერგიის ნაკადის მიმართ, გადადის მდგომარეობაში, რომელსაც სუპერგამტარობა ეწოდება. ეს ხდება იმის გამო, რომ დენის მიმართ მდგრადობა იქმნება ბირთვების მოძრაობის შემთხვევითობით ატომები დირიჟორში - აბსოლუტურ ნულთან ახლოს, ისინი ძლივს მოძრაობენ და ამიტომ წინააღმდეგობა მინიმუმამდეა დაყვანილი.

თერმოდინამიკის კანონები და ენერგიის დაზოგვის კანონი განმარტავს, თუ რატომ არ შეიძლება მუდმივი მოძრაობის მანქანები. პროცესში ყოველთვის შეიქმნება გარკვეული "ნარჩენების" ენერგია, რომელი დიზაინისთვისაც აირჩევთ, თერმოდინამიკის მეორე კანონის შესაბამისად: სისტემის ენტროპია გაიზრდება.

ენერგიის დაზოგვის კანონი აჩვენებს, რომ მანქანაში ნებისმიერი ენერგია საიდანღაც უნდა მომდინარეობდეს და ენტროპიისკენ მიდრეკილება გვიჩვენებს, თუ რატომ მანქანა კარგად არ გადასცემს ენერგიას ერთი ფორმიდან მეორეში.

წყლის ბორბლისა და ტუმბოს მაგალითის შესავალიდან წყლის ბორბალს უნდა ჰქონდეს მოძრავი ნაწილები (მაგალითად, ღერძი და მისი ბორბალთან კავშირი და გადაცემათა კოლოფი, რომელიც ენერგიას გადასცემს ტუმბოს), და ეს შექმნის ხახუნს, დაკარგავს გარკვეულ ენერგიას, როგორც სიცხე

ეს შეიძლება ჩანდეს მცირე პრობლემა, მაგრამ ენერგიის გამომუშავების მცირე ჩაღრმავების დროსაც კი ტუმბო ვერ მიიღებსყველაწყლის უკან წამოწევა აწეულ ზედაპირზე, რაც ამცირებს ენერგიას შემდეგი მცდელობისთვის. შემდეგ, შემდეგ ჯერზე, კიდევ უფრო მეტი ენერგია დაიხარჯება და მეტი წყალი ვერ ამოიღება და ა.შ. გარდა ამისა, ასევე მოხდება ენერგიის დაკარგვა ტუმბოს მექანიზმებიდან.

თერმოდინამიკის მეორე კანზე ფიქრისას შეიძლება გაგიკვირდეთ: თუ იზოლირებული ენტროპია სისტემა იზრდება, როგორ შეიძლება მოხდეს ისეთი ძალიან "შეკვეთილი" სისტემა, როგორიც ადამიანია იყოს? როგორ იღებს ჩემს სხეულს უწესრიგოდ შეყვანა საკვების სახით და გარდაქმნის მას ფრთხილად შემუშავებულ უჯრედებსა და ორგანოებად? ეს წერტილები არ ეწინააღმდეგება თერმოდინამიკის მეორე კანონს?

ეს არგუმენტები ერთსა და იმავე შეცდომას უშვებს: ადამიანი არ არის "დახურული სისტემა" (ე.ი. იზოლირებული სისტემა) მსოფლიოს მკაცრი გაგებით, რადგან თქვენ ურთიერთქმედებთ და შეგიძლიათ ენერგიის მიღება მიმდებარე ტერიტორიიდან სამყარო

როდესაც დედამიწაზე პირველად გაჩნდა სიცოცხლე, მიუხედავად იმისა, რომ მატერია გარდაიქმნა უმაღლესი ენტროპიიდან ქვედა ენტროპიულ მდგომარეობად, სისტემაში ენერგია შედიოდა მზისგან და ეს ენერგია საშუალებას აძლევს სისტემას გახდეს ქვედა ენტროპია დრო გაითვალისწინეთ, რომ თერმოდინამიკაში "სამყარო" ხშირად იგულისხმება მდგომარეობის მიმდებარე გარემო და არა მთელი კოსმიური სამყარო.

მაგალითად, ადამიანის სხეული ქმნის წესრიგს უჯრედების, ორგანოების და კიდევ სხვა ადამიანების შექმნის პროცესში, პასუხია იგივე: თქვენ ენერგიას იღებთ გარედან და ეს საშუალებას გაძლევთ გააკეთოთ ისეთი რამ, რაც ეწინააღმდეგება მეორე კანონის თერმოდინამიკა.

თუ თქვენ მთლიანად მოწყვეტილი იყავით ენერგიის სხვა წყაროებისგან და გამოიყენეთ თქვენი სხეულის ყველა შენახული ენერგია მართალია, რომ თქვენ ვერ წარმოქმნით უჯრედებს ან ვერ შეასრულებთ საქმიანობის რომელიმე სპექტრს, რომელიც გიტოვებთ ფუნქციონირება თერმოდინამიკის მეორე კანონის აშკარა წინააღმდეგობის გარეშე თქვენ მოკვდებოდით.