Lov om termodynamikk: definisjon, ligninger og eksempler

Den evige pumpen er en av mange maskiner for evig bevegelse som har blitt designet gjennom årene, med sikte på å produsere kontinuerlig bevegelse, og ofte som et resultat fri energi. Designet er ganske greit: Vann renner ned fra en hevet plattform over et vannhjul som er festet til gir, som igjen driver en pumpe som trekker vann fra overflaten tilbake til den hevede plattformen, der prosessen starter på nytt en gang til.

Når du først hører om et design som dette, tror du kanskje det er mulig og til og med en god idé. Og datidens forskere var enige, inntil termodynamikkens lover ble oppdaget og ødela alles håp om evig bevegelse i ett slag.

Lovene om termodynamikk er noen av de viktigste fysikklovene. De tar sikte på å beskrive energi, inkludert hvordan den overføres og konserveres, sammen med det avgjørende begrepetentropiav et system, som er den delen som dreper alt håp om evig bevegelse. Hvis du er student i fysikk, eller bare ønsker å forstå de mange termodynamiske prosesser som forekommer rundt deg, er å lære de fire lovene om termodynamikk et viktig skritt på reisen din.

Termodynamikk er en gren av fysikk som studerervarmeenergi og intern energii termodynamiske systemer. Varmeenergi er energien som ledes gjennom varmeoverføring, og intern energi kan tenkes på summen av kinetisk energi og potensiell energi for alle partiklene i et system.

Ved å bruke kinetisk teori som et verktøy - som forklarer egenskapene til materielegemet ved å studere bevegelsene til dens bestanddeler - fysikere har klart å utlede mange viktige sammenhenger mellom viktige mengder. Det er selvfølgelig upraktisk å beregne den totale energien på milliarder atomer, med tanke på effektiv tilfeldighet av dem presise bevegelser, så prosessene som ble brukt for å utlede relasjonene ble bygget rundt statistisk mekanikk og lignende nærmer seg.

I hovedsak ga forenkling av antakelser og fokus på "gjennomsnittlig" oppførsel over et stort antall molekyler forskere verktøyene for å analysere systemet som helhet, uten å bli sittende fast i endeløse beregninger for en av milliarder av atomer.

For å forstå lovene innen termodynamikk, må du sørge for at du forstår noen av de viktigste begrepene.Temperaturer et mål på gjennomsnittlig kinetisk energi per molekyl i et stoff - dvs. hvor mye molekylene beveger seg rundt (i en væske eller gass) eller vibrerer på plass (i et fast stoff). SI-enheten for temperatur er Kelvin, hvor 0 Kelvin er kjent som "absolutt null", som er kaldeste mulig temperatur (i motsetning til null temperatur i andre systemer), der all molekylær bevegelse opphører.

​Indre energier den totale energien til molekylene i et system, som betyr summen av deres kinetiske energi og potensielle energi. En forskjell i temperatur mellom to stoffer lar varmen strømme, som erTermisk energisom overføres fra det ene til det andre.Termodynamisk arbeider mekanisk arbeid som utføres ved bruk av varmeenergi, som i en varmemotor (noen ganger kalt en Carnot-motor).

​Entropier et begrep som er vanskelig å definere tydelig med ord, men matematisk er det definert som Boltzmann-konstanten (k​ = 1.381 × 10⁻²³ m² kg s⁻¹ K⁻¹) multiplisert med den naturlige logaritmen til antall mikrostater i et system. Med ord blir det ofte referert til som mål for "uorden", men det kan tenkes mer nøyaktig som graden til hvor tilstanden til et system ikke skiller seg fra et stort antall andre tilstander sett på makroskopisk nivå.

For eksempel har en sammenfiltret hodetelefonledning et stort antall spesifikke mulige ordninger, men de fleste ser bare ut like “sammenfiltret” som de andre og har så høyere entropi enn en tilstand der ledningen er pent oppviklet uten sammenfletting.

Nullverdien til termodynamikken får nummeret fordi den første, andre og tredje loven er den mest kjente og allment lært, men det er like viktig når det gjelder å forstå samspillet mellom termodynamisk systemer. Nullloven sier at hvis termisk system A er i termisk likevekt med termisk system B, og system B er i termisk likevekt med system C, så må system A være i likevekt med system C.

Dette er lett å huske hvis du tenker på hva det betyr for ett system å være i likevekt med et annet. Tenker i form av varme og temperatur: To systemer er i likevekt med hverandre når varmen har strømmet som sådan for å bringe dem til samme temperatur, som den jevne varme temperaturen du får litt tid etter å ha hellet kokende vann i en kaldere kanne vann.

Når de er i likevekt (dvs. ved samme temperatur), skjer det enten ingen varmeoverføring eller at en liten mengde varmestrøm raskt avbrytes av en strøm fra det andre systemet.

Når du tenker på dette, er det fornuftig at hvis du tar et tredje system inn i denne situasjonen, vil det skifte mot likevekt med det andre systemet, og hvis det er i likevekt, vil det også være i likevekt med det første systemet også.

Den første loven om termodynamikk sier at endringen i intern energi for et system (∆U) er lik varmen som overføres til systemet (Spørsmål) minus arbeidet som er utført av systemet (W). I symboler er dette:

Dette er egentlig en uttalelse om loven om bevaring av energi. Systemet får energi hvis varme overføres til det og mister den hvis det fungerer på et annet system, og energistrømmen reverseres i motsatte situasjoner. Når vi husker at varme er en form for energioverføring, og arbeid er overføring av mekanisk energi, er det lett å se at denne loven bare omtaler bevaring av energi.

Den andre loven om termodynamikk sier at den totale entropien til et lukket system (dvs. et isolert system) aldri avtar, men det kan øke eller (teoretisk) forbli det samme.

Dette tolkes ofte som at "uorden" i ethvert isolert system øker over tid, men som diskutert ovenfor, er dette ikke en nøyaktig måte å se på konseptet på, selv om det er bredt Ikke sant. Den andre loven om termodynamikk sier i det vesentlige at tilfeldige prosesser fører til "uorden" i den stramme matematiske forstanden til begrepet.

En annen vanlig kilde til misforståelse om termodynamikkens andre lov er betydningen av en "lukket system." Dette bør betraktes som et system isolert fra omverdenen, men uten denne isolasjonen, entropikanavta. For eksempel vil et rotete soverom som blir igjen alene ikke bli ryddigere, men detkanbytt til en mer organisert tilstand av lavere entropi hvis noen kommer inn og jobber med den (dvs. renser den).

Den tredje loven om termodynamikk sier at når temperaturen i et system nærmer seg absolutt null, nærmer seg entropien til systemet en konstant. Med andre ord, den andre loven lar muligheten for at entropien til et system forbli konstant, men den tredje loven presiserer at dette bare skjer kl.absolutt null​.

Den tredje loven innebærer også at (og noen ganger er angitt som) det er umulig å redusere temperaturen til et system til absolutt null med et endelig antall operasjoner. Med andre ord er det egentlig umulig å faktisk nå absolutt null, selv om det er mulig å komme veldig nær det og minimere økningen i entropi for systemet.

Når systemer kommer veldig nær absolutt null, kan det oppstå uvanlig oppførsel. For eksempel, i nærheten av absolutt null, mister mange materialer all motstand mot strømmen av elektrisk strøm, og skifter til en tilstand som kalles superledningsevne. Dette er fordi motstand mot strøm er skapt av tilfeldigheten til bevegelsen til kjernene i atomer i lederen - nær absolutt null, de beveger seg knapt, og så motstanden minimeres.

Lovene om termodynamikk og loven om bevaring av energi forklarer hvorfor maskiner med evig bevegelse ikke er mulig. Det vil alltid være noe "avfall" energi skapt i prosessen for hvilken design du måtte velge, i samsvar med den andre loven om termodynamikk: Entropien til systemet vil øke.

Loven om bevaring av energi viser at all energi i maskinen må komme fra et sted, og tendens til entropi viser hvorfor maskinen ikke perfekt vil overføre energi fra den ene formen til den andre.

Ved bruk av vannhjulet og pumpeeksemplet fra innledningen, må vannhjulet ha bevegelige deler (for eksempel akselen og dens tilkobling til hjulet, og girene som overfører energien til pumpen), og disse vil skape friksjon og miste litt energi som varme.

Dette kan virke som et lite problem, men selv med en liten nedgang i energiproduksjon, vil ikke pumpen kunne fåalleav vannet tilbake opp på den hevede overflaten, og reduserer dermed energien som er tilgjengelig for neste forsøk. Neste gang vil det være enda mer bortkastet energi og mer vann som ikke kan pumpes opp, og så videre. I tillegg til dette vil det også være energitap fra pumpens mekanismer.

Når du tenker på den andre loven om termodynamikk, kan du lure på: Hvis entropien til en isolert systemet øker, hvordan kan det være at et så høyt "ordnet" system som et menneske kom til være? Hvordan tar kroppen min uordnet innspill i form av mat og forvandler den til nøye utformede celler og organer? Stikk ikke disse punktene i konflikt med termodynamikkens andre lov?

Disse argumentene gjør begge den samme feilen: Mennesker er ikke et "lukket system" (dvs. isolert system) i streng forstand av verden fordi du samhandler med og kan ta energi fra omgivelsene univers.

Da livet først dukket opp på jorden, selv om saken forvandlet seg fra en høyere entropi til en lavere entropistilstand, det var en energiinngang i systemet fra solen, og denne energien gjør det mulig for et system å bli lavere entropi over tid. Merk at i termodynamikk betegnes “universet” ofte som miljøet rundt en tilstand, snarere enn hele det kosmiske universet.

For eksempel på at menneskekroppen skaper orden i prosessen med å lage celler, organer og til og med andre mennesker, er svaret samme: Du tar inn energi utenfra, og dette gjør at du kan gjøre noen ting som ser ut til å trosse den andre loven om termodynamikk.

Hvis du var helt avskåret fra andre energikilder, og du brukte all kroppens lagrede energi, det ville det faktisk være sant at du ikke kunne produsere celler eller utføre noen av aktivitetene som holder deg fungerer. Uten din tilsynelatende tross mot termodynamikkens andre lov, ville du dø.