Legile termodinamicii: definiție, ecuații și exemple

Pompa perpetuă este una dintre numeroasele mașini de mișcare perpetuă care au fost proiectate de-a lungul anilor, cu scopul de a produce mișcare continuă și, adesea, ca rezultat, energie liberă. Designul este destul de simplu: apa curge în jos de pe o platformă ridicată peste o roată de apă, care este atașată la angrenaje, care, la rândul său, acționează o pompă care trage apă de la suprafață înapoi până la platforma ridicată, de unde începe procesul din nou.

Când auziți pentru prima dată despre un astfel de design, s-ar putea să credeți că este posibil și chiar o idee bună. Și oamenii de știință ai zilei au fost de acord, până când legile termodinamicii au fost descoperite și au spulberat speranțele tuturor de mișcare perpetuă dintr-o singură lovitură.

Legile termodinamicii sunt unele dintre cele mai importante legi ale fizicii. Acestea își propun să descrie energia, inclusiv modul în care este transferată și conservată, împreună cu conceptul crucial al energieientropiea unui sistem, care este partea care ucide orice speranță de mișcare perpetuă. Dacă sunteți student la fizică sau căutați doar să înțelegeți numeroasele termodinamice procesele care au loc în jurul tău, învățarea celor patru legi ale termodinamicii este un pas crucial călătoria ta.

Termodinamica este o ramură a fizicii care studiazăenergie termică și energie internăîn sistemele termodinamice. Energia termică este energia trecută prin transferul de căldură, iar energia internă poate fi gândită la suma energiei cinetice și a energiei potențiale pentru toate particulele dintr-un sistem.

Prin utilizarea teoriei cinetice ca instrument - care explică proprietățile corpului materiei prin studierea mișcărilor particulele sale constitutive - fizicienii au reușit să obțină numeroase relații cruciale între importante cantități. Desigur, calcularea energiei totale a miliarde de atomi nu ar fi practic, având în vedere aleatoritatea efectivă a acestora mișcări precise, astfel încât procesele utilizate pentru a obține relațiile au fost construite în jurul mecanicii statistice și similare abordari.

În esență, simplificarea ipotezelor și concentrarea asupra comportamentului „mediu” asupra unui număr mare de molecule au dat oamenii de știință instrumentele pentru a analiza sistemul în ansamblu, fără a se bloca în calcule interminabile pentru unul dintre miliarde de atomi.

Pentru a înțelege legile termodinamicii, trebuie să vă asigurați că înțelegeți câțiva dintre cei mai importanți termeni.Temperaturaeste o măsură a energiei cinetice medii pe moleculă dintr-o substanță - adică cât de mult se deplasează moleculele (într-un lichid sau gaz) sau vibrează în loc (într-un solid). Unitatea SI pentru temperatură este Kelvin, unde 0 Kelvin este cunoscut sub numele de „zero absolut”, care este cea mai rece temperatură posibilă (spre deosebire de temperatura zero în alte sisteme), unde toate mișcările moleculare încetează.

​Energie internaeste energia totală a moleculelor dintr-un sistem, adică suma energiei cinetice și a energiei potențiale a acestora. O diferență de temperatură între două substanțe permite curgerea căldurii, care esteenergie termalăcare se transferă de la unul la altul.Lucrare termodinamicăeste o lucrare mecanică care se efectuează folosind energia termică, ca într-un motor termic (uneori numit motor Carnot).

​Entropieeste un concept dificil de definit în cuvinte, dar matematic este definit ca constanta Boltzmann (k​ = 1.381 × 10⁻²³ m² kg s⁻¹ K⁻¹) înmulțit cu logaritmul natural al numărului de microstate dintr-un sistem. În cuvinte, este adesea menționată ca măsura „tulburării”, dar poate fi gândită mai exact ca grad la care starea unui sistem nu se distinge de un număr mare de alte stări atunci când este privită la macroscopic nivel.

De exemplu, un fir de căști încurcat are un număr mare de aranjamente posibile specifice, dar cele mai multe dintre ele arată doar la fel de „încâlcite” ca celelalte și așa au o entropie mai mare decât o stare în care firul este înfășurat cu grijă fără încurcături.

Legea zero a termodinamicii obține numărul său, deoarece prima, a doua și a treia lege sunt cele mai cunoscute și învățat pe scară largă, totuși, este la fel de important atunci când vine vorba de înțelegerea interacțiunilor termodinamice sisteme. Legea zero spune că dacă sistemul termic A este în echilibru termic cu sistemul termic B și sistemul B este în echilibru termic cu sistemul C, atunci sistemul A trebuie să fie în echilibru cu sistemul C.

Acest lucru este ușor de reținut dacă vă gândiți la ce înseamnă pentru un sistem să fie în echilibru cu altul. Gândire în termeni de căldură și temperatură: Două sisteme sunt în echilibru între ele atunci când căldura a curs astfel la aceeași temperatură, la fel ca temperatura caldă uniformă, obțineți ceva timp după ce ați turnat apă clocotită într-un vas de rece apă.

Când sunt în echilibru (adică la aceeași temperatură), fie nu are loc transfer de căldură, fie orice cantitate mică de flux de căldură este anulată rapid de un flux din celălalt sistem.

Gândindu-ne la acest lucru, are sens că, dacă aduceți un al treilea sistem în această situație, acesta se va deplasa spre echilibru cu al doilea sistem și, dacă este în echilibru, va fi și în echilibru cu primul sistem.

Prima lege a termodinamicii afirmă că schimbarea energiei interne pentru un sistem (∆U) este egal cu căldura transferată sistemului (Î) minus munca depusă de sistem (W). În simboluri, acesta este:

Aceasta este în esență o declarație a legii conservării energiei. Sistemul câștigă energie dacă căldura este transferată către acesta și o pierde dacă funcționează pe un alt sistem, iar fluxul de energie este inversat în situațiile opuse. Amintindu-ne că căldura este o formă de transfer de energie, iar munca este transferul de energie mecanică, este ușor de văzut că această lege reafirmă pur și simplu conservarea energiei.

A doua lege a termodinamicii afirmă că entropia totală a unui sistem închis (adică un sistem izolat) nu scade niciodată, dar poate crește sau (teoretic) rămâne aceeași.

Acest lucru este deseori interpretat în sensul că „tulburarea” oricărui sistem izolat crește în timp, dar așa cum s-a discutat mai sus, acesta nu este un mod strict precis de a privi conceptul, deși este în linii mari dreapta. A doua lege a termodinamicii afirmă în esență că procesele aleatorii duc la „tulburare” în sensul matematic strict al termenului.

O altă sursă comună de concepție greșită despre cea de-a doua lege a termodinamicii este sensul unui „închis sistem." Acest lucru ar trebui gândit ca un sistem izolat de lumea exterioară, dar fără această izolare, entropiepoate sascădea. De exemplu, un dormitor dezordonat lăsat singur nu va fi niciodată mai ordonat, dar elpoate satreceți la o stare mai organizată cu entropie inferioară dacă cineva intră și lucrează la ea (adică îl curăță).

A treia lege a termodinamicii afirmă că, pe măsură ce temperatura unui sistem se apropie de zero absolut, entropia sistemului se apropie de o constantă. Cu alte cuvinte, a doua lege lasă deschisă posibilitatea ca entropia unui sistem să rămână constantă, dar a treia lege clarifică faptul că acest lucru are loc doar lazero absolut​.

A treia lege implică, de asemenea, că (și este uneori menționată ca) este imposibil să se reducă temperatura unui sistem la zero absolut cu un număr finit de operații. Cu alte cuvinte, este în esență imposibil să atingi efectiv zero absolut, deși este posibil să te apropii de el și să minimizezi creșterea entropiei pentru sistem.

Când sistemele se apropie de zero absolut, poate rezulta un comportament neobișnuit. De exemplu, aproape de zero absolut, multe materiale pierd toată rezistența la fluxul de curent electric, trecând la o stare numită superconductivitate. Acest lucru se datorează faptului că rezistența la curent este creată de întâmplarea mișcării nucleelor atomii din conductor - aproape de zero absolut, abia se mișcă și astfel rezistența este minimizată.

Legile termodinamicii și legea conservării energiei explică de ce mașinile cu mișcare perpetuă nu sunt posibile. Întotdeauna vor exista unele „deșeuri” de energie create în proces pentru orice proiectare ați putea alege, în conformitate cu a doua lege a termodinamicii: entropia sistemului va crește.

Legea conservării energiei arată că orice energie din mașină trebuie să provină de undeva și tendința către entropie arată de ce mașina nu va transmite perfect energia de la o formă la alta.

Folosind exemplul roții de apă și pompa din introducere, roata de apă trebuie să aibă piese în mișcare (de exemplu, axa și conexiunea la roată și angrenajele care transmit energia către pompă), iar acestea vor crea frecare, pierzând o anumită energie ca căldură.

Aceasta ar putea părea o mică problemă, dar chiar și cu o scădere mică a puterii de energie, pompa nu va putea obținetoatea apei înapoi pe suprafața ridicată, reducând astfel energia disponibilă pentru următoarea încercare. Apoi, data viitoare, va exista încă mai multă energie irosită și mai multă apă care nu va putea fi pompată și așa mai departe. În plus, vor exista și pierderi de energie din mecanismele pompei.

Când vă gândiți la a doua lege a termodinamicii, s-ar putea să vă întrebați: dacă entropia unui izolat crește sistemul, cum ar putea fi posibil ca un astfel de sistem extrem de „ordonat” ca o ființă umană să ajungă fi? Cum ia corpul meu un aport dezordonat sub formă de alimente și îl transformă în celule și organe atent concepute? Aceste puncte nu intră în conflict cu a doua lege a termodinamicii?

Ambele argumente fac aceeași greșeală: ființele umane nu sunt un „sistem închis” (adică un sistem izolat) în sensul strict al lumii pentru că interacționați cu și puteți lua energia din jur univers.

Când viața a apărut pentru prima dată pe Pământ, deși materia s-a transformat dintr-o entropie superioară într-o stare de entropie inferioară, a existat o intrare de energie în sistem de la soare, iar această energie permite unui sistem să devină o entropie mai mică timp. Rețineți că în termodinamică, „universul” este adesea considerat a însemna mediul care înconjoară o stare, mai degrabă decât întregul univers cosmic.

Pentru exemplul corpului uman care creează ordine în procesul de fabricare a celulelor, organelor și chiar altor oameni, răspunsul este la fel: Primiți energie din exterior și acest lucru vă permite să faceți unele lucruri care par să sfideze a doua lege a termodinamica.

Dacă ai fi fost complet întrerupt de alte surse de energie și ai consumat toată energia stocată a corpului tău, aceasta ar fi într-adevăr adevărat că nu ați putea produce celule sau nu puteți efectua niciuna din gama de activități care vă mențin funcționare. Fără aparenta voastră sfidare a celei de-a doua legi a termodinamicii, ați muri.