Zakoni termodinamike: definicija, enačbe in primeri

Večna črpalka je eden izmed mnogih strojev za večni gib, ki so bili zasnovani v preteklih letih s ciljem ustvarjati neprekinjeno gibanje in pogosto posledično brezplačno energijo. Zasnova je povsem enostavna: Voda teče z dvignjene ploščadi nad vodno kolo, ki je pritrjeno na zobnike, ki nato poganjajo črpalko, ki vleče vodo s površine nazaj na dvignjeno ploščad, kjer se postopek začne znova ponovno.

Ko prvič slišite za takšen dizajn, si morda mislite, da je to mogoče in celo dobra ideja. In takratni znanstveniki so se strinjali, dokler zakoni termodinamike niso bili odkriti in so v enem zamahu razbili vse upanje na večno gibanje.

Zakoni termodinamike so nekateri najpomembnejši zakoni fizike. Njihov cilj je opisati energijo, vključno s tem, kako se prenaša in ohranja, skupaj s ključnim konceptomentropijasistema, ki je del, ki ubije vse upanje na večno gibanje. Če ste študent fizike ali pa samo želite razumeti številne termodinamične lastnosti procesov, ki se dogajajo povsod okoli vas, je učenje štirih zakonov termodinamike ključni korak naprej svoje potovanje.

Termodinamika je veja fizike, ki preučujetoplotna in notranja energijav termodinamičnih sistemih. Toplotna energija je energija, ki se prenaša s prenosom toplote, na notranjo energijo pa lahko mislimo kot vsoto kinetične in potencialne energije za vse delce v sistemu.

Z uporabo kinetične teorije kot orodja - ki razlaga lastnosti telesa snovi s preučevanjem gibov njegovi sestavni delci - fiziki so lahko izpeljali veliko ključnih odnosov med pomembnimi količine. Seveda bi bilo izračunavanje skupne energije milijard atomov nepraktično, če upoštevamo njihovo naključnost natančne gibe, zato so bili procesi, ki so bili uporabljeni za pridobivanje odnosov, zgrajeni okoli statistične mehanike in podobnega pristopi.

V bistvu je dalo poenostavitev predpostavk in osredotočenost na "povprečno" vedenje velikega števila molekul znanstvenikom orodja za analizo sistema kot celote, ne da bi se zataknili v neskončne izračune za eno od milijard atomov.

Če želite razumeti zakone termodinamike, morate razumeti nekatere najpomembnejše izraze.Temperaturaje merilo povprečne kinetične energije na molekulo v snovi - tj. koliko se molekule gibljejo (v tekočini ali plinu) ali vibrirajo na mestu (v trdni snovi). Enota SI za temperaturo je Kelvin, kjer je 0 Kelvin znano kot "absolutna ničla", kar je najhladnejša možna temperatura (za razliko od ničelne temperature v drugih sistemih), kjer je vse molekularno gibanje preneha.

​Notranja energijaje skupna energija molekul v sistemu, kar pomeni vsoto njihove kinetične in potencialne energije. Razlika v temperaturi med dvema snovema omogoča pretok toplote, kar jetermalna energijaki prehaja z enega na drugega.Termodinamično deloje mehansko delo, ki se izvaja z uporabo toplotne energije, kot v toplotnem motorju (včasih imenovanem Carnotov motor).

​Entropijaje pojem, ki ga je težko jasno opredeliti z besedami, matematično pa je opredeljen kot Boltzmannova konstanta (k​ = 1.381 × 10⁻²³ m² kg s⁻¹ K⁻¹) pomnoženo z naravnim logaritmom števila mikrodržav v sistemu. Z besedami ga pogosto imenujemo merilo "motnje", vendar ga lahko natančneje razumemo kot stopnjo do ki ga stanje sistema pri makroskopskem pogledu ni mogoče ločiti od velikega števila drugih stanj ravni.

Na primer, zapletena žica za slušalke ima veliko specifičnih možnih ureditev, vendar je večina videti samo tako "zapleteni" kot drugi in imajo tako višjo entropijo kot stanje, ko je žica lepo navita brez zapletanja.

Nulti zakon termodinamike dobi svoje število, ker so prvi, drugi in tretji zakon najbolj znani in široko poučevan pa je prav tako pomemben, ko gre za razumevanje medsebojnih vplivov termodinamike sistemov. Nulti zakon pravi, da če je toplotni sistem A v toplotnem ravnovesju s toplotnim sistemom B, in sistem B je v toplotnem ravnovesju s sistemom C, potem mora biti sistem A v ravnovesju s sistemom C.

Tega si je enostavno zapomniti, če pomislite, kaj pomeni, da je en sistem v ravnovesju z drugim. Razmišljanje glede toplote in temperature: Dva sistema sta med seboj v ravnovesju, ko toplota teče kot taka, da jih enake temperature, kot enakomerna topla temperatura, ki jo dobite nekaj časa po vlivanju vrele vode v hladnejši vrč vode.

Ko so v ravnotežju (tj. Pri isti temperaturi), ne pride do prenosa toplote ali pa katera koli majhna količina toplotnega toka hitro prekine tok iz drugega sistema.

Če razmišljate o tem, je smiselno, da če v to situacijo vključite tretji sistem, se bo premaknil ravnotežje z drugim sistemom in če je v ravnovesju, bo tudi v ravnotežju s prvim sistemom sistem.

Prvi zakon termodinamike navaja, da sprememba notranje energije sistema (∆U) je enaka toploti, preneseni v sistem (V) minus delo sistema (W). V simbolih je to:

To je v bistvu izjava zakona o ohranjanju energije. Sistem pridobi energijo, če se vanj prenese toplota, in jo izgubi, če deluje v drugem sistemu, v nasprotnih situacijah pa se tok energije obrne. Če se spomnimo, da je toplota oblika prenosa energije, delo pa prenašanje mehanske energije, je enostavno videti, da ta zakon preprosto navaja ohranjanje energije.

Drugi zakon termodinamike pravi, da se celotna entropija zaprtega sistema (tj. Izoliranega sistema) nikoli ne zmanjša, lahko pa se poveča ali (teoretično) ostane enaka.

To se pogosto razlaga tako, da se "motnja" katerega koli izoliranega sistema sčasoma poveča, vendar kot smo že omenili, to ni natančno natančen način pogleda na koncept, čeprav je na splošno prav. Drugi zakon termodinamike v bistvu navaja, da naključni procesi vodijo v "motnje" v strogem matematičnem pomenu izraza.

Drug pogost vir napačne predstave o drugem zakonu termodinamike je pomen izraza »zaprto« sistem. " Na to bi morali gledati kot na sistem, izoliran od zunanjega sveta, vendar brez te izolacije, entropijalahkozmanjšanje. Na primer, neurejena spalnica, ki ostane sama od sebe, nikoli ne bo urejena, vendar jelahkopreklopite v bolj organizirano stanje z nižjo entropijo, če nekdo vstopi in dela na njem (tj. ga očisti).

Tretji zakon termodinamike pravi, da se entropija sistema približuje konstanti, ko se temperatura sistema približa absolutni ničli. Z drugimi besedami, drugi zakon pušča možnost, da entropija sistema ostane nespremenjena, tretji zakon pa pojasnjuje, da se to zgodi šeleabsolutna ničla​.

Tretji zakon prav tako pomeni, da (in včasih je navedeno kot) je nemogoče z omejenim številom operacij znižati temperaturo sistema na absolutno ničlo. Z drugimi besedami, v bistvu je nemogoče dejansko doseči absolutno ničlo, čeprav se ji je mogoče zelo približati in zmanjšati povečanje entropije za sistem.

Ko se sistemi zelo približajo absolutni ničli, lahko pride do nenavadnega vedenja. Na primer, blizu absolutne ničle veliko materialov izgubi vso odpornost proti toku električnega toka in preide v stanje, imenovano superprevodnost. To je zato, ker odpornost proti toku ustvarja naključnost gibanja jeder atomi v vodniku - blizu absolutne ničle, se komaj premikajo, zato je upor minimaliziran.

Zakoni termodinamike in zakon o ohranjanju energije pojasnjujejo, zakaj trajni gibalni stroji niso mogoči. V postopku se bo vedno ustvarilo nekaj "odpadne" energije za katero koli obliko, ki bi jo izbrali, v skladu z drugim zakonom termodinamike: entropija sistema se bo povečala.

Zakon o ohranjanju energije kaže, da mora vsaka energija v stroju prihajati od nekod in težnja k entropiji kaže, zakaj stroj ne bo popolnoma prenašal energije iz ene oblike v drugo.

Če uporabimo primer vodnega kolesa in črpalke iz uvoda, mora imeti vodno kolo gibljive dele (na primer os in njene povezava s kolesom in zobniki, ki prenašajo energijo na črpalko), ki bodo ustvarili trenje in izgubili nekaj energije, toplota.

To se morda zdi majhen problem, toda tudi z majhnim padcem izhodne energije črpalka ne bo mogla pritivsevode nazaj na dvignjeno površino, s čimer se zmanjša energija, ki je na voljo za naslednji poskus. Potem bo naslednjič še več zapravljene energije in več vode, ki je ne bo mogoče črpati itd. Poleg tega bo prišlo tudi do izgube energije iz mehanizmov črpalke.

Ko razmišljate o drugem zakonu termodinamike, se lahko vprašate: če je entropija izolirana sistem se povečuje, kako bi lahko bilo, da je prišel do tako močno "urejenega" sistema, kot je človek biti? Kako moje telo sprejme neurejene vnose v obliki hrane in jih spremeni v skrbno oblikovane celice in organe? Ali niso te točke v nasprotju z drugim zakonom termodinamike?

Oba argumenta delata isto napako: človeška bitja niso "zaprt sistem" (tj. Izoliran sistem) v strogem smislu sveta, ker komunicirate z okolico in lahko jemljete energijo iz nje vesolje.

Ko se je življenje prvič pojavilo na Zemlji, čeprav se je snov preoblikovala iz višje entropije v stanje nižje entropije, v sistem je vnašala energija sonca in ta energija omogoča, da sistem postane nižja entropija čas. Upoštevajte, da v termodinamiki "vesolje" pogosto pomeni okolje, ki obdaja neko državo, in ne celo vesoljno vesolje.

Za primer človeškega telesa, ki ustvarja red v procesu ustvarjanja celic, organov in celo drugih ljudi, je odgovor enako: energijo jemljete od zunaj in to vam omogoča, da naredite nekaj stvari, za katere se zdi, da kljubujejo drugemu zakonu termodinamika.

Če ste bili popolnoma odrezani od drugih virov energije in ste porabili vso shranjeno energijo svojega telesa, jo res bi bilo res, da niste mogli proizvajati celic ali izvajati nobene vrste dejavnosti, ki vas zadržujejo delovanje. Brez očitnega kljubovanja drugemu zakonu termodinamike bi umrli.