Prawa termodynamiki: definicja, równania i przykłady

Pompa perpetuum to jedna z wielu maszyn perpetuum mobile, które były projektowane przez lata z myślą o wytwarzaniu ruchu ciągłego, a często w efekcie darmowej energii. Projekt jest dość prosty: woda spływa z podniesionej platformy przez koło wodne, które jest przymocowane do kół zębatych, które z kolei obsługują pompę, która wciąga wodę z powierzchni z powrotem na podniesioną platformę, gdzie proces zaczyna się od nowa jeszcze raz.

Kiedy po raz pierwszy słyszysz o takim projekcie, możesz pomyśleć, że jest to możliwe, a nawet dobry pomysł. I ówcześni naukowcy byli zgodni, dopóki nie odkryto praw termodynamiki i za jednym zamachem zniszczyli nadzieje wszystkich na wieczny ruch.

Prawa termodynamiki to jedne z najważniejszych praw fizyki. Ich celem jest opisanie energii, w tym sposobu jej przekazywania i przechowywania, wraz z kluczową koncepcjąentropiasystemu, który jest częścią, która zabija wszelką nadzieję na perpetum mobile. Jeśli jesteś studentem fizyki lub po prostu chcesz zrozumieć wiele termodynamiki procesy zachodzące wokół ciebie, poznanie czterech praw termodynamiki to kluczowy krok step Twoja podróż.

Termodynamika to dziedzina fizyki, która studiujeenergia cieplna i energia wewnętrznaw układach termodynamicznych. Energia cieplna to energia przekazywana przez transfer ciepła, a energię wewnętrzną można traktować jako sumę energii kinetycznej i energii potencjalnej dla wszystkich cząstek w układzie.

Wykorzystując teorię kinetyczną jako narzędzie – która wyjaśnia właściwości ciała materii, badając ruchy jego cząstki składowe – fizycy byli w stanie wyprowadzić wiele istotnych zależności między ważnymi wielkie ilości. Oczywiście obliczanie całkowitej energii miliardów atomów byłoby niepraktyczne, biorąc pod uwagę efektywną losowość ich precyzyjne ruchy, więc procesy wykorzystywane do wyprowadzania zależności zostały zbudowane wokół mechaniki statystycznej i podobnych podejścia.

Zasadniczo uproszczenie założeń i skupienie się na „przeciętnym” zachowaniu dużej liczby cząsteczek dało naukowcy narzędzia do analizy systemu jako całości, bez tkwienia w niekończących się obliczeniach dla jednego z miliardów atomów.

Aby zrozumieć prawa termodynamiki, musisz upewnić się, że rozumiesz niektóre z najważniejszych terminów.Temperaturajest miarą średniej energii kinetycznej na cząsteczkę w substancji – tj. jak bardzo cząsteczki poruszają się (w cieczy lub gazie) lub wibrują w miejscu (w ciele stałym). Jednostką SI temperatury jest kelwin, gdzie 0 kelwinów jest znane jako „zero bezwzględne”, które jest najzimniejsza możliwa temperatura (w przeciwieństwie do zerowej temperatury w innych układach), w której cały ruch molekularny ustaje.

​Energia wewnętrznato całkowita energia cząsteczek w układzie, oznaczająca sumę ich energii kinetycznej i energii potencjalnej. Różnica temperatur między dwiema substancjami umożliwia przepływ ciepła, co jestenergia cieplnaktóry przenosi się z jednego na drugi.Praca termodynamicznato praca mechaniczna, która jest wykonywana z wykorzystaniem energii cieplnej, jak w silniku cieplnym (czasami nazywanym silnikiem Carnota).

​Entropiajest pojęciem trudnym do jasnego zdefiniowania słowami, ale matematycznie jest zdefiniowany jako stała Boltzmanna (k​ = 1.381 × 10⁻²³ mi² kg s⁻¹ K⁻¹) pomnożone przez logarytm naturalny liczby mikrostanów w systemie. Słowem, często nazywa się to miarą „zaburzenia”, ale można go dokładniej traktować jako stopień którego stan układu jest nie do odróżnienia od wielu innych stanów oglądanych makroskopowo poziom.

Na przykład splątany przewód słuchawkowy ma wiele konkretnych możliwych układów, ale większość z nich wygląda po prostu tak „zaplątane” jak inne, a więc mają wyższą entropię niż stan, w którym drut jest starannie zwinięty bez splątania.

Zerowa zasada termodynamiki otrzymuje swoją liczbę, ponieważ pierwsza, druga i trzecia zasada są najbardziej znane i szeroko nauczany, jest jednak równie ważny, jeśli chodzi o zrozumienie interakcji termodynamiki systemy. Zerowa zasada mówi, że jeśli układ termiczny A jest w równowadze termicznej z układem termicznym B, oraz układ B jest w równowadze termicznej z układem C, to układ A musi być w równowadze z układem DO.

Łatwo to zapamiętać, jeśli zastanowisz się, co to znaczy, że jeden system jest w równowadze z innym. Myślenie w kategoriach ciepła i temperatury: dwa systemy są w równowadze ze sobą, gdy ciepło przepłynęło jako takie, aby doprowadzić je do tej samej temperatury, podobnie jak jednolita ciepła temperatura, którą uzyskasz po jakimś czasie po wlaniu wrzątku do dzbanka zimniejszego woda.

Kiedy znajdują się w równowadze (tj. w tej samej temperaturze), albo nie następuje przenoszenie ciepła, albo jakakolwiek niewielka ilość przepływu ciepła jest szybko anulowana przez przepływ z drugiego systemu.

Myśląc o tym, ma sens, że jeśli wprowadzisz trzeci system do tej sytuacji, przesunie się on w kierunku w równowadze z drugim układem, a jeśli jest w równowadze, będzie również w równowadze z pierwszym również system.

Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że zmiana energii wewnętrznej układu (∆U) jest równe ilości ciepła przekazanego do systemu (Q) minus praca wykonana przez system (W). W symbolach jest to:

Jest to zasadniczo stwierdzenie prawa zachowania energii. System zyskuje energię, jeśli ciepło jest do niego przekazywane i traci ją, jeśli działa w innym systemie, a przepływ energii jest odwracany w przeciwnych sytuacjach. Pamiętając, że ciepło jest formą przenoszenia energii, a praca jest przenoszeniem energii mechanicznej, łatwo zauważyć, że to prawo po prostu przywraca zachowanie energii.

Druga zasada termodynamiki mówi, że całkowita entropia układu zamkniętego (tj. układu izolowanego) nigdy nie maleje, ale może wzrosnąć lub (teoretycznie) pozostać taka sama.

Często interpretuje się to w ten sposób, że „zaburzenie” każdego izolowanego systemu narasta z czasem, ale jak omówiono powyżej, nie jest to ściśle dokładny sposób patrzenia na tę koncepcję, chociaż jest to ogólnie dobrze. Druga zasada termodynamiki zasadniczo stwierdza, że ​​procesy losowe prowadzą do „zaburzenia” w ścisłym matematycznym sensie tego słowa.

Innym powszechnym źródłem nieporozumień na temat drugiej zasady termodynamiki jest znaczenie „zamkniętego” system." Należy to traktować jako system odizolowany od świata zewnętrznego, ale bez tej izolacji, entropiamogązmniejszać. Na przykład niechlujna sypialnia pozostawiona sama sobie nigdy nie stanie się bardziej uporządkowana, ale butmogąprzełącz się na bardziej zorganizowany stan o niższej entropii, jeśli ktoś wejdzie i zacznie nad nim pracować (tj. go wyczyści).

Trzecia zasada termodynamiki mówi, że gdy temperatura układu zbliża się do zera absolutnego, entropia układu zbliża się do stałej. Innymi słowy, drugie prawo pozostawia otwartą możliwość, że entropia układu może pozostać stała, ale trzecie prawo wyjaśnia, że ​​występuje to tylko przyzero absolutne​.

Trzecie prawo implikuje również, że (i czasami jest określane jako) niemożliwe jest zredukowanie temperatury układu do zera absolutnego za pomocą dowolnej skończonej liczby operacji. Innymi słowy, w zasadzie niemożliwe jest osiągnięcie zera absolutnego, chociaż możliwe jest zbliżenie się do niego bardzo blisko i zminimalizowanie wzrostu entropii układu.

Gdy systemy zbliżają się do zera bezwzględnego, może to spowodować nietypowe zachowanie. Na przykład w pobliżu zera absolutnego wiele materiałów traci wszelką odporność na przepływ prądu elektrycznego, przechodząc do stanu zwanego nadprzewodnictwem. Dzieje się tak, ponieważ opór prądowy jest tworzony przez losowość ruchu jąder atomy w przewodniku – bliskie zeru bezwzględnego, ledwo się poruszają, dzięki czemu opór jest zminimalizowany.

Prawa termodynamiki i prawo zachowania energii wyjaśniają, dlaczego maszyny perpetuum mobile nie są możliwe. Zawsze będzie jakaś energia „odpadowa” wytworzona w procesie dla dowolnego projektu, który wybierzesz, zgodnie z drugą zasadą termodynamiki: entropia systemu wzrośnie.

Prawo zachowania energii pokazuje, że jakakolwiek energia w maszynie musi skądś pochodzić, a tendencja do entropii pokazuje, dlaczego maszyna nie będzie doskonale przekazywać energii z jednej formy do drugiej.

Korzystając z przykładu koła wodnego i pompy ze wstępu, koło wodne musi mieć ruchome części (na przykład oś i jej połączenie z kołem i koła zębate, które przekazują energię do pompy), które spowodują tarcie, tracąc część energii, ponieważ ciepło.

Może się to wydawać małym problemem, ale nawet przy niewielkim spadku wydajności energetycznej pompa nie będzie w staniewszystkowody z powrotem na podniesioną powierzchnię, zmniejszając w ten sposób energię dostępną do następnej próby. Wtedy, następnym razem, będzie jeszcze więcej marnowanej energii i więcej wody, której nie będzie można wpompować i tak dalej. Oprócz tego nastąpią również straty energii z mechanizmów pompy.

Myśląc o drugiej zasadzie termodynamiki, możesz się zastanawiać: czy entropia izolowanego system wzrasta, jak to możliwe, że powstał tak wysoce „uporządkowany” system, jakim jest człowiek? być? W jaki sposób moje ciało przyjmuje nieuporządkowane dane w postaci pożywienia i przekształca je w starannie zaprojektowane komórki i narządy? Czy te punkty nie są sprzeczne z drugą zasadą termodynamiki?

Oba te argumenty popełniają ten sam błąd: Istoty ludzkie nie są „systemem zamkniętym” (tj. systemem izolowanym) w ścisłym tego słowa znaczeniu, ponieważ wchodzisz w interakcję i możesz czerpać energię z otoczenia wszechświat.

Kiedy życie po raz pierwszy pojawiło się na Ziemi, chociaż materia przekształciła się ze stanu o wyższej entropii w stan o niższej entropii, do układu wprowadzono energię ze słońca, a ta energia umożliwia układowi uzyskanie niższej entropii ponad czas. Zauważ, że w termodynamice „wszechświat” jest często rozumiany jako środowisko otaczające dany stan, a nie cały kosmiczny wszechświat.

Dla przykładu ludzkiego ciała tworzącego porządek w procesie tworzenia komórek, organów, a nawet innych ludzi, odpowiedź brzmi: to samo: czerpiesz energię z zewnątrz, a to umożliwia robienie pewnych rzeczy, które wydają się przeczyć drugiemu prawu termodynamika.

Jeśli zostałeś całkowicie odcięty od innych źródeł energii i zużyłeś całą energię zgromadzoną w swoim ciele, to rzeczywiście byłoby prawdą, że nie możesz wytwarzać komórek ani wykonywać żadnej z wielu czynności, które Cię zatrzymują funkcjonowanie. Bez twojego widocznego sprzeciwu wobec drugiej zasady termodynamiki umrzesz.