Законы термодинамики: определение, уравнения и примеры

Вечный насос - один из многих вечных двигателей, которые разрабатывались годами с целью обеспечения непрерывного движения и часто, как следствие, свободной энергии. Конструкция довольно проста: вода стекает с поднятой платформы по водяному колесу, которое прикреплено к шестерням, которые, в свою очередь, приводят в действие насос, который забирает воду с поверхности обратно на поднятую платформу, где процесс начинается заново очередной раз.

Когда вы впервые слышите о подобном дизайне, вы можете подумать, что это возможная и даже хорошая идея. И ученые того времени соглашались, пока не были открыты законы термодинамики и одним махом не разбили все надежды на вечное движение.

Законы термодинамики - одни из самых важных законов физики. Они стремятся описать энергию, в том числе то, как она передается и сохраняется, а также ключевую концепциюэнтропиясистемы, которая убивает всякую надежду на вечный двигатель. Если вы изучаете физику или просто хотите понять многие термодинамические процессы, происходящие вокруг вас, изучение четырех законов термодинамики является важным шагом на Ваше путешествие.

Термодинамика - это раздел физики, изучающийтепловая энергия и внутренняя энергияв термодинамических системах. Тепловая энергия - это энергия, передаваемая посредством теплопередачи, а внутреннюю энергию можно представить как сумму кинетической энергии и потенциальной энергии для всех частиц в системе.

Используя кинетическую теорию в качестве инструмента, который объясняет свойства тела материи, изучая движения составляющие его частицы - физики смогли вывести много важных взаимосвязей между важными количества. Конечно, вычисление полной энергии миллиардов атомов было бы непрактичным, учитывая эффективную случайность их точные движения, поэтому процессы, используемые для вывода взаимосвязей, были построены на статистической механике и аналогичных подходы.

По сути, упрощение допущений и акцент на «среднее» поведение по большому количеству молекул дали ученым инструменты для анализа системы в целом, не зацикливаясь на бесконечных вычислениях одного из миллиардов атомов.

Чтобы понять законы термодинамики, вам нужно убедиться, что вы понимаете некоторые из наиболее важных терминов.Температура- это мера средней кинетической энергии на молекулу в веществе, то есть насколько молекулы движутся (в жидкости или газе) или колеблются на месте (в твердом теле). Единицей измерения температуры в системе СИ является Кельвин, где 0 Кельвин известен как «абсолютный ноль», т.е. максимально низкая температура (в отличие от нулевой температуры в других системах), при которой все движения молекул прекращается.

​Внутренняя энергия- полная энергия молекул в системе, означающая сумму их кинетической энергии и потенциальной энергии. Разница в температуре между двумя веществами позволяет теплу течь, что являетсятермальная энергиякоторый передается от одного к другому.Термодинамическая работаэто механическая работа, которая выполняется с использованием тепловой энергии, как в тепловом двигателе (иногда называемом двигателем Карно).

​Энтропия- это понятие, которое трудно четко определить словами, но математически оно определяется как постоянная Больцмана (k​ = 1.381 × 10⁻²³ м² кг с⁻¹ K⁻¹), умноженное на натуральный логарифм количества микросостояний в системе. На словах его часто называют мерой «беспорядка», но точнее его можно представить как степень состояние системы неотличимо от большого числа других состояний, если смотреть с макроскопической точки зрения. уровень.

Например, запутанный провод наушников имеет большое количество возможных вариантов расположения, но большинство из них выглядят просто такие же «запутанные», как и другие, и поэтому имеют более высокую энтропию, чем состояние, в котором проволока аккуратно свернута без спутывания.

Нулевой закон термодинамики получил свое число, потому что первый, второй и третий законы являются наиболее известными и однако широко преподается, что это не менее важно, когда дело доходит до понимания взаимодействия термодинамических системы. Нулевой закон гласит, что если тепловая система A находится в тепловом равновесии с тепловой системой B, и система B находится в тепловом равновесии с системой C, тогда система A должна быть в равновесии с системой С.

Это легко запомнить, если вы подумаете о том, что значит для одной системы быть в равновесии с другой. Думая с точки зрения тепла и температуры: две системы находятся в равновесии друг с другом, когда тепло течет как таковое, чтобы принести они имеют одинаковую температуру, например, равномерную теплую температуру, которую вы получите через некоторое время после того, как налейте кипяток в кувшин с более холодным вода.

Когда они находятся в равновесии (то есть при одинаковой температуре), теплопередача либо не происходит, либо любое небольшое количество теплового потока быстро компенсируется потоком из другой системы.

Если подумать об этом, становится понятно, что если вы введете в эту ситуацию третью систему, она сместится в сторону равновесие со второй системой, и если она находится в равновесии, она также будет в равновесии с первой системой. система тоже.

Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии для системы (∆U) равна теплоте, переданной системе (Q) за вычетом работы, проделанной системой (W). В символах это:

По сути, это утверждение закона сохранения энергии. Система получает энергию, если ей передается тепло, и теряет ее, если работает в другой системе, а в противоположных ситуациях поток энергии меняется на противоположный. Помня, что тепло - это форма передачи энергии, а работа - это передача механической энергии, легко увидеть, что этот закон просто заново устанавливает закон сохранения энергии.

Второй закон термодинамики гласит, что полная энтропия замкнутой системы (т.е. изолированной системы) никогда не уменьшается, но может увеличиваться или (теоретически) оставаться неизменной.

Это часто интерпретируется как означающее, что «беспорядок» любой изолированной системы со временем нарастает, но как обсуждалось выше, это не совсем точный способ взглянуть на концепцию, хотя в целом верно. Второй закон термодинамики по существу гласит, что случайные процессы приводят к «беспорядку» в строгом математическом смысле этого слова.

Другой распространенный источник неправильного представления о втором законе термодинамики - это значение термина «закрытый система." Это следует рассматривать как систему, изолированную от внешнего мира, но без этой изоляции, энтропияможетснижаться. Например, грязная спальня, оставленная сама по себе, никогда не станет чище, но в нейможетпереключиться в более организованное состояние с более низкой энтропией, если кто-то входит и работает над ним (то есть очищает его).

Третий закон термодинамики гласит, что, когда температура системы приближается к абсолютному нулю, энтропия системы приближается к константе. Другими словами, второй закон оставляет открытой возможность того, что энтропия системы может оставаться постоянной, но третий закон поясняет, что это происходит только приабсолютный ноль​.

Третий закон также подразумевает (а иногда и утверждается как) невозможно снизить температуру системы до абсолютного нуля с помощью любого конечного числа операций. Другими словами, фактически невозможно достичь абсолютного нуля, хотя можно подойти к нему очень близко и минимизировать увеличение энтропии для системы.

Когда система приближается к абсолютному нулю, это может привести к необычному поведению. Например, при приближении к абсолютному нулю многие материалы теряют всякое сопротивление прохождению электрического тока, переходя в состояние, называемое сверхпроводимостью. Это связано с тем, что сопротивление току создается случайностью движения ядер атомы в проводнике - близки к абсолютному нулю, они почти не двигаются, и поэтому сопротивление сведено к минимуму.

Законы термодинамики и закон сохранения энергии объясняют, почему вечные двигатели невозможны. В соответствии со вторым законом термодинамики всегда будет образовываться некоторая «бесполезная» энергия, независимо от конструкции, которую вы выберете.

Закон сохранения энергии показывает, что любая энергия в машине должна откуда-то поступать, и тенденция к энтропии показывает, почему машина не может идеально передавать энергию от одной формы к другой.

Используя пример водяного колеса и насоса из введения, водяное колесо должно иметь движущиеся части (например, ось и ее соединение с колесом, и шестерни, которые передают энергию к насосу), и они будут создавать трение, теряя некоторую энергию как нагревать.

Это может показаться небольшой проблемой, но даже при небольшом падении выходной энергии насос не сможетвсеводы обратно на приподнятую поверхность, уменьшая таким образом энергию, доступную для следующей попытки. Тогда, в следующий раз, будет еще больше потраченной впустую энергии и больше воды, которую нельзя будет накачать, и так далее. Вдобавок к этому будут потери энергии от механизмов насоса.

Размышляя о втором законе термодинамики, вы можете задаться вопросом: если энтропия изолированного система увеличивается, как могло случиться так, что такая высоко «упорядоченная» система, как человек, пришла в быть? Как мое тело принимает беспорядочный ввод в виде пищи и превращает ее в тщательно продуманные клетки и органы? Разве эти положения не противоречат второму закону термодинамики?

Оба эти аргумента совершают одну и ту же ошибку: люди не являются «закрытой системой» (т.е. изолированной системой). в строгом смысле слова, потому что вы взаимодействуете и можете получать энергию от окружающих Вселенная.

Когда жизнь впервые появилась на Земле, хотя материя перешла из состояния с более высокой энтропией в состояние с более низкой энтропией, в систему поступала энергия от солнца, и эта энергия позволяет системе становиться более низкой энтропией по сравнению с время. Обратите внимание, что в термодинамике под «вселенной» часто понимают среду, окружающую состояние, а не всю космическую вселенную.

Например, человеческое тело создает порядок в процессе создания клеток, органов и даже других людей. то же самое: вы получаете энергию извне, и это позволяет вам делать некоторые вещи, которые, кажется, противоречат второму закону термодинамика.

Если вы были полностью отрезаны от других источников энергии и израсходовали всю накопленную в вашем теле энергию, это действительно было бы правдой, что вы не могли бы производить клетки или выполнять какие-либо действия, которые удерживают вас функционирует. Если бы вы не нарушили второй закон термодинамики, вы бы умерли.