Zákony termodynamiky: Definícia, rovnice a príklady

Perpetual pump je jedným z mnohých strojov s permanentným pohybom, ktoré boli vyvinuté v priebehu rokov s cieľom produkovať nepretržitý pohyb a často vďaka tomu voľnú energiu. Konštrukcia je celkom jasná: Voda steká z vyvýšenej plošiny cez vodné koleso, ktoré je pripevnené k prevodovým stupňom, ktoré následne prevádzkujú čerpadlo, ktoré ťahá vodu z povrchu späť na vyvýšenú plošinu, kde sa proces začína odznova ešte raz.

Keď prvýkrát počujete o takom dizajne, môžete si myslieť, že je to možné a dokonca dobrý nápad. A vtedajší vedci súhlasili, kým neboli objavené zákony termodynamiky a jedným dychom nezničili nádeje všetkých na trvalý pohyb.

Zákony termodynamiky sú niektoré z najdôležitejších zákonov fyziky. Ich cieľom je opísať energiu vrátane toho, ako sa prenáša a konzervuje, spolu s kľúčovou koncepciou energetickej energieentropiasystému, ktorý je časťou, ktorá zabíja všetky nádeje na trvalý pohyb. Ak ste študentom fyziky alebo len chcete porozumieť mnohým termodynamickým vlastnostiam procesov, ktoré sa vyskytujú všade okolo vás, je učenie sa štyroch zákonov termodynamiky zásadným krokom tvoja cesta.

Termodynamika je odvetvie fyziky, ktoré študujetepelná energia a vnútorná energiav termodynamických systémoch. Tepelná energia je energia prechádzajúca prenosom tepla a vnútornú energiu je možné považovať za súčet kinetickej energie a potenciálnej energie pre všetky častice v systéme.

Použitím kinetickej teórie ako nástroja - ktorý vysvetľuje vlastnosti telesa hmoty štúdiom jeho pohybov jeho základné častice - fyzici dokázali odvodiť mnoho rozhodujúcich vzťahov medzi dôležitými množstvá. Výpočet celkovej energie miliárd atómov by bol samozrejme nepraktický, ak vezmeme do úvahy ich skutočnú náhodnosť presné pohyby, takže procesy použité na odvodenie vzťahov boli postavené na štatistickej mechanike a podobne prístupy.

V podstate to zjednodušenie predpokladov a zameranie na „priemerné“ správanie pri veľkom počte molekúl poskytli vedcom nástroje na analýzu systému ako celku bez toho, aby uviazli v nekonečných výpočtoch pre jednu miliardu atómov.

Aby ste pochopili zákony termodynamiky, musíte sa ubezpečiť, že rozumiete niektorým z najdôležitejších pojmov.Teplotaje miera priemernej kinetickej energie na molekulu v látke - teda koľko sa molekuly pohybujú okolo (v kvapaline alebo v plyne) alebo vibrujú na danom mieste (v tuhej látke). Jednotkou SI pre teplotu je Kelvin, kde 0 Kelvin je známa ako „absolútna nula“, čo je najchladnejšia možná teplota (na rozdiel od nulovej teploty v iných systémoch), kde je všetok molekulárny pohyb prestane.

​Vnútorná energiaje celková energia molekúl v systéme, čo znamená súčet ich kinetickej energie a potenciálnej energie. Rozdiel v teplotách medzi dvoma látkami umožňuje prúdenie tepla, čo jetermálna energiaže sa prenáša z jedného do druhého.Termodynamická prácaje mechanická práca, ktorá sa vykonáva s využitím tepelnej energie, napríklad v tepelnom motore (niekedy sa nazýva Carnotov motor).

​Entropiaje pojem, ktorý je ťažké jasne definovať slovami, ale matematicky je definovaný ako Boltzmannova konštanta (k​ = 1.381 × 10⁻²³ m² kg s⁻¹ K⁻¹) vynásobený prirodzeným logaritmom počtu mikrostavov v systéme. Slovom, často sa to nazýva mierou „poruchy“, ale dá sa to presnejšie považovať za mieru pri ktorom je stav systému na nerozoznanie od veľkého množstva iných stavov pri makroskopickom pohľade úrovni.

Napríklad zamotaný kábel pre slúchadlá má veľké množstvo konkrétnych možných usporiadaní, ale väčšina z nich vyzerá len rovnako „zamotané“ ako ostatné a majú tak vyššiu entropiu ako stav, keď je drôt úhľadne stočený bez zamotania.

Nultý zákon termodynamiky získa číslo, pretože prvý, druhý a tretí zákon sú najznámejšie a široko vyučovaný, je však rovnako dôležitý, pokiaľ ide o pochopenie termodynamických interakcií systémov. Nulový zákon hovorí, že ak je tepelný systém A v tepelnej rovnováhe s tepelným systémom B, a systém B je v tepelnej rovnováhe so systémom C, potom musí byť systém A v rovnováhe so systémom C.

Je ľahké si to zapamätať, ak sa zamyslíte nad tým, čo znamená, že je jeden systém v rovnováhe s druhým. Myslenie z hľadiska tepla a teploty: Dva systémy sú navzájom rovnovážne, keď teplo prúdilo ako také, aby prinieslo nechajte ich na rovnakú teplotu, ako je rovnomerná teplá teplota, ktorú získate určitý čas po naliatí vriacej vody do džbánu s chladom voda.

Keď sú v rovnováhe (tj. Pri rovnakej teplote), nedochádza k žiadnemu prenosu tepla alebo sa malé množstvo tepelného toku rýchlo zastaví tokom z iného systému.

Keď o tom premýšľame, má zmysel, že ak do tejto situácie privediete tretí systém, posunie sa smerom k rovnováha s druhým systémom, a ak je v rovnováhe, bude tiež v rovnováhe s prvým systémom systém tiež.

Prvý zákon termodynamiky hovorí, že zmena vnútornej energie pre systém (∆U) sa rovná teplu prenesenému do systému (Q) mínus práca vykonaná systémom (Ž). V symboloch je to:

Jedná sa v podstate o vyhlásenie zákona o zachovaní energie. Systém získava energiu, ak sa na ňu prenáša teplo, a stráca ju, ak pracuje na inom systéme, a tok energie sa v opačných situáciách obracia. Nezabúdajte, že teplo je forma prenosu energie a práca predstavuje prenos mechanickej energie, takže je ľahké si uvedomiť, že tento zákon jednoducho hovorí o zachovaní energie.

Druhý zákon termodynamiky hovorí, že celková entropia uzavretého systému (t. J. Izolovaného systému) sa nikdy neznižuje, ale môže sa zvyšovať alebo (teoreticky) zostať rovnaká.

Toto sa často interpretuje v tom zmysle, že „porucha“ ktoréhokoľvek izolovaného systému sa časom zvyšuje, ale ako už bolo spomenuté vyššie, nejde o striktne presný spôsob pohľadu na tento koncept, aj keď je to zhruba tak správny. Druhý zákon termodynamiky v podstate hovorí, že náhodné procesy vedú k „poruche“ v prísnom matematickom zmysle tohto pojmu.

Ďalším bežným zdrojom mylnej predstavy o druhom zákone termodynamiky je význam „uzavretého“ systém. “ Malo by sa to považovať za systém izolovaný od vonkajšieho sveta, ale bez tejto izolácie entropiamôcťpokles. Napríklad chaotická spálňa, ktorá zostane sama o sebe, nikdy nebude upratanejšia, ale je to takmôcťprepnúť do organizovanejšieho stavu s nízkou entropiou, ak niekto vstúpi a bude na ňom pracovať (tj. vyčistí ho).

Tretí zákon termodynamiky hovorí, že keď sa teplota systému blíži k absolútnej nule, entropia systému sa blíži ku konštante. Inými slovami, druhý zákon ponecháva otvorenú možnosť, že entropia systému môže zostať konštantná, ale tretí zákon objasňuje, že k tomu dochádza iba priabsolútna nula​.

Tretí zákon tiež naznačuje, že (a niekedy sa o ňom hovorí) je nemožné znížiť teplotu systému na absolútnu nulu pomocou konečného počtu operácií. Inými slovami, je v podstate nemožné skutočne dosiahnuť absolútnu nulu, aj keď je možné dostať sa k nej veľmi blízko a minimalizovať nárast entropie pre systém.

Ak sa systémy priblížia k absolútnej nule, môže to mať za následok neobvyklé správanie. Napríklad takmer na nule mnoho materiálov stráca všetok odpor voči toku elektrického prúdu a prechádza do stavu nazývaného supravodivosť. Je to preto, že odpor voči prúdu je vytváraný náhodnosťou pohybu jadier z atómy vo vodiči - blízko absolútnej nuly, sotva sa pohybujú, a tak je odpor minimalizovaný.

Zákony termodynamiky a zákon zachovania energie vysvetľujú, prečo nie sú možné stroje na trvalý pohyb. V procese vždy vznikne nejaká „odpadová“ energia pre akýkoľvek návrh, ktorý si vyberiete, v súlade s druhým zákonom termodynamiky: Entropia systému sa zvýši.

Zákon zachovania energie ukazuje, že akákoľvek energia v stroji musí pochádzať odniekiaľ a tendencia k entropii ukazuje, prečo stroj nebude dokonale prenášať energiu z jednej formy do druhej.

Na príklade vodného kolesa a čerpadla od úvodu musí mať vodné koleso pohyblivé časti (napríklad nápravu a jej súčasť) spojenie s kolesom a ozubené kolesá, ktoré prenášajú energiu na čerpadlo), ktoré vytvoria trenie a stratia určitú energiu teplo.

Môže sa to zdať ako malý problém, ale ani pri malom poklese energetického výkonu sa čerpadlo nebude môcť dostaťvšetkovody späť na vyvýšený povrch, čím sa zníži energia dostupná pre ďalší pokus. Potom nabudúce bude ešte viac zbytočnej energie a viac vody, ktoré sa nedajú odčerpať atď. Okrem toho dôjde aj k strate energie z mechanizmov čerpadla.

Pri uvažovaní o druhom termodynamickom zákone by vás mohlo zaujímať: Ak je entropia izolovaného systém sa zvyšuje, ako je možné, že k tak vysoko „usporiadanému“ systému, ako je ľudská bytosť, došlo byť? Ako moje telo prijíma neusporiadaný vstup vo forme potravy a premieňa ho na starostlivo navrhnuté bunky a orgány? Nie sú tieto body v rozpore s druhým zákonom termodynamiky?

Oba tieto argumenty robia tú istú chybu: Ľudia nie sú „uzavretý systém“ (t.j. izolovaný systém) v užšom zmysle slova svet, pretože ste v interakcii s a môžete brať energiu z okolia vesmír.

Keď sa na Zemi prvýkrát objavil život, hoci sa hmota transformovala z stavu vyššej entropie do stavu nižšej entropie, do systému bol vstup energie zo slnka, a táto energia umožňuje, aby sa systém stal nižšou entropiou čas. Všimnite si, že v termodynamike sa „vesmírom“ často rozumie prostredie obklopujúce určitý stav, a nie celý vesmírny vesmír.

Pre príklad ľudského tela, ktoré vytvára poriadok v procese tvorby buniek, orgánov alebo dokonca iných ľudí, je odpoveď to isté: Prijímate energiu zvonku a to vám umožňuje robiť niektoré veci, ktoré sa zdajú byť v rozpore s druhým zákonom termodynamika.

Ak ste boli úplne odrezaní od iných zdrojov energie a spotrebovali ste všetku uloženú energiu svojho tela, je to bola by skutočne pravda, že by ste nemohli produkovať bunky alebo vykonávať žiadnu z činností, ktoré vás bránia fungovanie. Bez vášho zjavného vzdoru voči druhému zákonu termodynamiky by ste zomreli.