Termodinamikas likumi: definīcija, vienādojumi un piemēri

Mūžīgais sūknis ir viens no daudzajiem nepārtrauktās kustības aparātiem, kas gadu gaitā ir izstrādāti ar mērķi radīt nepārtrauktu kustību un bieži vien arī brīvu enerģiju. Dizains ir diezgan vienkāršs: ūdens no paceltas platformas plūst pāri ūdens ritenim, kas piestiprināts pārnesumiem, kas savukārt darbojas ar sūkni, kas ūdeni no virsmas velk atpakaļ uz augšu uz paceltās platformas, kur process sākas no jauna atkal.

Pirmo reizi dzirdot par šādu dizainu, jūs varētu domāt, ka tas ir iespējams un pat laba ideja. Un tā laika zinātnieki tam piekrita, līdz tika atklāti termodinamikas likumi un visi vienā cerībā iznīcināja visu cilvēku cerības uz mūžīgo kustību.

Termodinamikas likumi ir vieni no vissvarīgākajiem fizikas likumiem. Viņu mērķis ir aprakstīt enerģiju, ieskaitot to, kā tā tiek nodota un saglabāta, kā arī izšķirošo enerģijas jēdzienuentropijasistēmas daļa, kas nogalina visas cerības uz mūžīgo kustību. Ja esat fizikas students vai vienkārši vēlaties saprast daudzos termodinamiskos elementus procesus, kas notiek visapkārt, izšķirošs solis ir četru termodinamikas likumu apgūšana savu ceļojumu.

Termodinamika ir fizikas nozare, kas pētasiltuma enerģija un iekšējā enerģijatermodinamiskās sistēmās. Siltuma enerģija ir enerģija, kas nodota siltuma pārneses ceļā, un iekšējo enerģiju var domāt par visu sistēmas daļiņu kinētiskās enerģijas un potenciālās enerģijas summu.

Izmantojot instrumentu kinētisko teoriju - kas izskaidro matērijas ķermeņa īpašības, pētot kustības tās sastāvā esošās daļiņas - fiziķi ir spējuši iegūt daudzas izšķirošas attiecības starp svarīgām daudzumi. Protams, aprēķināt miljardu atomu kopējo enerģiju būtu nepraktiski, ņemot vērā to faktisko nejaušību precīzas kustības, tāpēc sakaru iegūšanai izmantotie procesi tika veidoti ap statistikas mehāniku un tamlīdzīgi pieejas.

Būtībā deva pieņēmumu vienkāršošanu un koncentrēšanos uz “vidējo” uzvedību lielā daudzumā molekulu zinātnieki rīkus, lai analizētu sistēmu kopumā, neiespringstot bezgalīgos aprēķinos par vienu no miljardiem no atomiem.

Lai saprastu termodinamikas likumus, jums jāpārliecinās, ka saprotat dažus svarīgākos terminus.Temperatūrair vidējās kinētiskās enerģijas mērījums uz molekulu vielā - t.i., cik daudz molekulas pārvietojas apkārt (šķidrumā vai gāzē) vai vibrē vietā (cietā vielā). SI vienība temperatūrai ir Kelvina, kur 0 Kelvina ir pazīstama kā “absolūtā nulle”, kas ir iespējami aukstākā temperatūra (atšķirībā no nulles temperatūras citās sistēmās), kur notiek visa molekulārā kustība izbeidzas.

​Iekšējā enerģijair molekulu kopējā enerģija sistēmā, kas nozīmē to kinētiskās enerģijas un potenciālās enerģijas summu. Temperatūras atšķirība starp divām vielām ļauj siltumam plūst, kas irsiltumenerģijakas pāriet no viena uz otru.Termodinamiskais darbsir mehānisks darbs, kas tiek veikts, izmantojot siltuma enerģiju, piemēram, siltuma motorā (dažreiz to sauc par Carnot dzinēju).

​Entropijair jēdziens, kuru ir grūti precīzi definēt vārdos, bet matemātiski tas tiek definēts kā Boltzmana konstante (k​ = 1.381 × 10⁻²³ m² kg s⁻¹ K⁻¹), kas reizināta ar mikrostatu skaita dabisko logaritmu sistēmā. Vārdos to bieži dēvē par “traucējumu” mēru, bet precīzāk to var uzskatīt par pakāpi kuras sistēmas stāvoklis makroskopiskā skatījumā nav atšķirams no daudziem citiem stāvokļiem līmenī.

Piemēram, sapinušam austiņu vadam ir daudz specifisku iespējamo izkārtojumu, taču lielākā daļa no tiem izskatās vienkārši tikpat “sapinušies” kā pārējie, un tā entropija ir augstāka nekā stāvoklī, kad vads ir kārtīgi saritināts bez sapīšanās.

Termodinamikas nulles likums iegūst tā skaitli, jo pirmais, otrais un trešais likums ir vispazīstamākais un plaši mācīts, tomēr tas ir tikpat svarīgi, lai saprastu termodinamisko mijiedarbību sistēmām. Nulles likumā teikts, ka, ja termiskā sistēma A atrodas siltuma līdzsvarā ar siltuma sistēmu B, un sistēma B atrodas siltuma līdzsvarā ar sistēmu C, tad sistēmai A jābūt līdzsvarā ar sistēmu C.

To ir viegli atcerēties, ja padomājat par to, ko nozīmē, ka viena sistēma ir līdzsvarā ar citu. Domājot par siltumu un temperatūru: Divas sistēmas ir līdzsvarā viena ar otru, kad siltums ir tecējis kā tāds, lai tos līdz tai pašai temperatūrai, piemēram, vienmērīgai siltajai temperatūrai, kuru iegūstat kādu laiku pēc tam, kad verdoša ūdens ielejat vēsākas krūzes ūdens.

Kad tie ir līdzsvarā (t.i. tajā pašā temperatūrā), vai nu nenotiek siltuma pārnese, vai arī plūsma no citas sistēmas ātri atceļ jebkuru nelielu siltuma plūsmas daudzumu.

Domājot par to, ir jēga, ka, ieviešot trešo situāciju šajā situācijā, tā virzīsies uz līdzsvars ar otro sistēmu, un, ja tas ir līdzsvarā, tas būs līdzsvarā arī ar pirmo sistēma arī.

Pirmais termodinamikas likums nosaka, ka sistēmas iekšējās enerģijas izmaiņas (∆U) ir vienāds ar sistēmā nodoto siltumu (J) atskaitot sistēmas paveikto darbu (W). Simbolos tas ir:

Būtībā tas ir enerģijas saglabāšanas likuma paziņojums. Sistēma iegūst enerģiju, ja uz to tiek pārnests siltums, un zaudē to, ja tā darbojas citā sistēmā, un enerģijas plūsma tiek mainīta pretējās situācijās. Atceroties, ka siltums ir enerģijas pārneses veids, un darbs ir mehāniskās enerģijas nodošana, ir viegli saprast, ka šis likums vienkārši atkārtoti nosaka enerģijas saglabāšanu.

Otrais termodinamikas likums nosaka, ka slēgtas sistēmas (t.i., izolētas sistēmas) kopējā entropija nekad nemazinās, bet tā var palielināties vai (teorētiski) palikt nemainīga.

To bieži interpretē tā, ka jebkuras izolētas sistēmas “traucējumi” laika gaitā palielinās, bet kā jau tika apspriests iepriekš, tas nav stingri precīzs veids, kā aplūkot koncepciju, lai gan tas ir plaši pa labi. Otrais termodinamikas likums būtībā nosaka, ka nejaušie procesi noved pie “traucējumiem” šī termina stingrajā matemātiskajā nozīmē.

Vēl viens izplatīts nepareizas izpratnes avots par otro termodinamikas likumu ir “slēgta” nozīme sistēma. ” Tas jādomā par sistēmu, kas izolēta no ārpasaules, bet bez šīs izolācijas, entropijavarsamazināt. Piemēram, nekārtīga guļamistaba, kas palikusi pati, nekad nekārtosies, bet tāvarpārslēdzieties uz organizētāku zemākas entropijas stāvokli, ja kāds tajā nonāk un to strādā (t.i., attīra).

Trešais termodinamikas likums nosaka, ka, sistēmas temperatūrai tuvojoties absolūtai nullei, sistēmas entropija tuvojas konstantai. Citiem vārdiem sakot, otrais likums atstāj iespēju, ka sistēmas entropija var palikt nemainīga, bet trešais likums paskaidro, ka tas notiek tikaiabsolūtā nulle​.

Trešais likums arī nozīmē, ka (un dažreiz tiek teikts kā) nav iespējams samazināt sistēmas temperatūru līdz absolūtai nullei ar jebkuru ierobežotu darbību skaitu. Citiem vārdiem sakot, faktiski nav iespējams faktiski sasniegt absolūto nulli, lai gan ir iespējams tam tuvoties un līdz minimumam samazināt entropijas pieaugumu sistēmā.

Kad sistēmas nonāk ļoti tuvu absolūtai nullei, var rasties neparasta uzvedība. Piemēram, tuvu absolūtai nullei daudzi materiāli zaudē visu pretestību elektriskās strāvas plūsmai, pārejot uz stāvokli, ko sauc par supravadītspēju. Tas ir tāpēc, ka pretestību strāvai rada kodola kustības nejaušība atomi vadītājā - tuvu absolūtai nullei, tie tik tikko pārvietojas, un tāpēc pretestība tiek samazināta līdz minimumam.

Termodinamikas likumi un enerģijas saglabāšanas likums izskaidro, kāpēc mūžīgās kustības mašīnas nav iespējamas. Procesa laikā vienmēr radīsies kāda “izšķērdēta” enerģija jebkuram izvēlētajam dizainam saskaņā ar otro termodinamikas likumu: Palielināsies sistēmas entropija.

Enerģijas saglabāšanas likums rāda, ka jebkurai enerģijai mašīnā ir jānāk no kaut kurienes, un tieksme uz entropiju parāda, kāpēc mašīna perfekti nepārraidīs enerģiju no vienas formas uz otru.

Izmantojot ūdens ratu un sūkņa piemēru no ievada, ūdens ritenim jābūt kustīgām daļām (piemēram, ass un tās ass) savienojums ar riteni un pārnesumi, kas enerģiju pārraida uz sūkni), un tie radīs berzi, zaudējot daļu enerģijas karstums.

Tas varētu šķist neliela problēma, taču pat ar nelielu enerģijas izlaides samazināšanos sūknis nevarēs nokļūtvisiūdens uz augšu uz paceltās virsmas, tādējādi samazinot nākamajam mēģinājumam pieejamo enerģiju. Tad nākamajā reizē būs vēl vairāk izšķērdēta enerģija un vairāk ūdens, ko nevarēs iesūknēt utt. Papildus tam būs arī enerģijas zudumi no sūkņa mehānismiem.

Domājot par otro termodinamikas likumu, jūs varētu domāt: Ja izolēta entropija sistēma palielinās, kā tas varētu būt, ka nonāca pie tik ļoti “sakārtotas” sistēmas kā cilvēks būt? Kā mans ķermenis uztver traucējumus pārtikas veidā un pārveido to par rūpīgi izstrādātajām šūnām un orgāniem? Vai šie punkti nav pretrunā ar otro termodinamikas likumu?

Šie argumenti pieļauj vienu un to pašu kļūdu: cilvēki nav “slēgta sistēma” (t.i., izolēta sistēma) pasaules stingrajā nozīmē, jo jūs mijiedarbojaties ar apkārtējiem un varat paņemt enerģiju no apkārtējiem Visums.

Kad dzīve pirmo reizi parādījās uz Zemes, kaut arī matērija no augstākas entropijas pārveidojās par zemākas entropijas stāvokli, enerģijas ieguve sistēmā bija no saules, un šī enerģija ļauj sistēmai kļūt zemākai entropijai laiks. Ņemiet vērā, ka termodinamikā ar “Visumu” bieži saprot vidi, kas ieskauj stāvokli, nevis visu kosmisko Visumu.

Piemēram, cilvēka ķermenis rada kārtību šūnu, orgānu un pat citu cilvēku veidošanās procesā, atbilde ir tas pats: Jūs uzņemat enerģiju no ārpuses, un tas ļauj jums darīt dažas lietas, kas, šķiet, ir pretrunā ar otro likumu termodinamika.

Ja jūs esat pilnībā norobežots no citiem enerģijas avotiem un izmantojat visu ķermeņa uzkrāto enerģiju, to tiešām būtu taisnība, ka jūs nevarētu ražot šūnas vai veikt nevienu no aktivitāšu klāstu, kas jūs notur darbojas. Ja jūs acīmredzami nepieļautu otro termodinamikas likumu, jūs nomirtu.