Закони термодинамике: дефиниција, једначине и примери

Перпетуал пумп је једна од многих машина за вечни покрет које су дизајниране током година, са циљем да производе непрекидно кретање, а често и као резултат тога, бесплатну енергију. Дизајн је прилично једноставан: вода се спушта са подигнуте платформе преко воденог точка, који је причвршћен за зупчанике, које заузврат покрећу пумпу која повлачи воду са површине натраг до подигнуте платформе, где процес започиње испочетка опет.

Када први пут чујете за овакав дизајн, можда мислите да је то могуће, па чак и добра идеја. И научници данашњице сложили су се, све док закони термодинамике нису откривени и у једном маху уништили наде свих у вечно кретање.

Закони термодинамике су неки од најважнијих закона физике. Циљ им је да опишу енергију, укључујући како се она преноси и чува, заједно са кључним концептом енергијеентропијасистема, који је део који убија сваку наду у вечно кретање. Ако сте студент физике или само желите да разумете многе термодинамичке процеса који се дешавају свуда око вас, учење четири закона термодинамике је пресудан корак напријед ваше путовање.

Термодинамика је грана физике која проучаватоплотна енергија и унутрашња енергијау термодинамичким системима. Топлотна енергија је енергија пропуштена преносом топлоте, а унутрашња енергија се може сматрати збиром кинетичке енергије и потенцијалне енергије за све честице у систему.

Коришћењем кинетичке теорије као алата - који објашњава својства тела материје проучавањем кретања његове саставне честице - физичари су успели да изведу многе кључне везе између важних количине. Наравно, израчунавање укупне енергије милијарди атома било би непрактично, с обзиром на њихову ефективну случајност прецизни покрети, па су процеси коришћени за добијање односа изграђени око статистичке механике и слично приступа.

У основи, давале су поједностављене претпоставке и фокус на „просечно“ понашање великог броја молекула научницима алате за анализу система у целини, без заглављивања у бескрајним прорачунима за једну од милијарди атома.

Да бисте разумели законе термодинамике, морате бити сигурни да разумете неке од најважнијих појмова.Температураје мера просечне кинетичке енергије по молекулу у супстанци - тј. колико се молекули крећу (у течности или гасу) или вибрирају на месту (у чврстом материјалу). СИ јединица за температуру је Келвин, где је 0 Келвина познато као „апсолутна нула“, што је најхладнија могућа температура (за разлику од нулте температуре у другим системима), где су сва молекуларна кретања престаје.

​Унутрашња енергијаје укупна енергија молекула у систему, што значи збир њихове кинетичке енергије и потенцијалне енергије. Разлика у температури између две супстанце омогућава проток топлоте, што јетоплотна енергијакоји прелази са једног на друго.Термодинамички радје механички рад који се изводи коришћењем топлотне енергије, као у топлотном мотору (који се понекад назива и Царнот-ов мотор).

​Ентропијаје концепт који је тешко јасно дефинисати речима, али математички се дефинише као Болцманова константа (к​ = 1.381 × 10⁻²³ м² кг с⁻¹ К.⁻¹) помножено са природним логаритмом броја микродржава у систему. Речима се често назива мером „поремећаја“, али се тачније може сматрати степеном које се стање система не разликује од великог броја других стања када се посматра на макроскопском ниво.

На пример, запетљана жица за слушалице има велики број специфичних могућих аранжмана, али већина њих изгледа само једнако „замршени“ као и остали и тако имају већу ентропију од стања када је жица уредно намотана без заплетања.

Нулти закон термодинамике добија свој број јер су први, други и трећи закон најпознатији и широко подучаван, међутим, подједнако је важан и када је реч о разумевању интеракција термодинамике системима. Нулти закон каже да ако је топлотни систем А у топлотној равнотежи са топлотним системом Б, и систем Б је у топлотној равнотежи са системом Ц, тада систем А мора бити у равнотежи са системом Ц.

То је лако запамтити ако размислите шта значи један систем бити у равнотежи са другим. Размишљање у погледу топлоте и температуре: Два система су у равнотежи један са другим када је топлота текла као таква да би донела их на исту температуру, попут једнолике топле температуре коју добијете неко време након сипања кључале воде у бокал хладнијег воде.

Када су у равнотежи (тј. На истој температури), или не долази до преноса топлоте или се проток из другог система брзо поништава било која мала количина протока топлоте.

Размишљајући о овоме, логично је да ако доведете трећи систем у ову ситуацију, он ће се померити према равнотежа са другим системом, а ако је у равнотежи, биће и у равнотежи са првим системом систем такође.

Први закон термодинамике каже да промена унутрашње енергије система (∆У) је једнако топлоти која се преноси у систем (К) минус рад система који је обавио (В). У симболима је ово:

Ово је у основи изјава закона о очувању енергије. Систем добија енергију ако му се пренесе топлота и губи је ако ради на другом систему, а проток енергије је обрнут у супротним ситуацијама. Сећајући се да је топлота облик преноса енергије, а рад преношење механичке енергије, лако је уочити да овај закон једноставно поново наводи очување енергије.

Други закон термодинамике каже да се укупна ентропија затвореног система (тј. Изолованог система) никада не смањује, али се може повећати или (теоретски) остати иста.

Ово се често тумачи као да се „поремећај“ било ког изолованог система временом повећава, али као што је горе речено, ово није строго тачан начин да се сагледа концепт, иако је широко јел тако. Други закон термодинамике у основи каже да случајни процеси доводе до „поремећаја“ у строгом математичком смислу израза.

Још један уобичајени извор заблуде о другом закону термодинамике је значење „затвореног систем. “ Ово треба сматрати системом изолованим од спољног света, али без ове изолације, ентропијамоћисмањити. На пример, неуредна спаваћа соба остављена сама од себе никада неће бити уреднија, али јестемоћипређите на ниже ентропијско организованије стање ако неко уђе и ради на њему (тј. очисти га).

Трећи закон термодинамике каже да како се температура система приближава апсолутној нули, ентропија система се приближава константи. Другим речима, други закон оставља отворену могућност да ентропија система може остати константна, али трећи закон појашњава да се то дешава само уапсолутна нула​.

Трећи закон такође подразумева да је (и понекад се наводи као) немогуће смањити температуру система на апсолутну нулу са било којим коначним бројем операција. Другим речима, у суштини је немогуће постићи апсолутну нулу, иако је могуће прићи јој врло близу и минимизирати повећање ентропије за систем.

Када се системи приближе апсолутно нули, може доћи до необичног понашања. На пример, близу апсолутне нуле, многи материјали губе сав отпор протоку електричне струје, прелазећи у стање звано суперпроводљивост. То је зато што се отпор према струји ствара случајношћу кретања језгара атоми у проводнику - близу апсолутне нуле, они се једва крећу, и тако је отпор минимализован.

Закони термодинамике и закон очувања енергије објашњавају зашто трајни покрети нису могући. Увек ће се створити нека „отпадна“ енергија у било ком дизајну који бисте изабрали, у складу са другим законом термодинамике: Ентропија система ће се повећати.

Закон очувања енергије показује да било која енергија у машини мора доћи однекуд, а тенденција ка ентропији показује зашто машина неће савршено преносити енергију из једног облика у други.

Користећи пример воденог точка и пумпе из увода, водени точак мора да има покретне делове (на пример, осовина и њен веза са точком и зупчаници који преносе енергију на пумпу), а они ће створити трење, губећи нешто енергије као топлота.

Ово може изгледати као мали проблем, али чак и са малим падом у излазној енергији, пумпа неће моћи да добијесвеводе назад на подигнуту површину, смањујући тако енергију доступну за следећи покушај. Тада ће следећи пут бити изгубљено више енергије и више воде која се неће моћи пумпати, и тако даље. Поред овога, доћи ће и до губитка енергије из механизама пумпе.

Размишљајући о другом закону термодинамике, могли бисте се запитати: да ли је ентропија изолованог систем се повећава, како би могло бити да је дошло до тако високо „уређеног“ система попут човека бити? Како моје тело узима поремећени унос у облику хране и трансформише га у пажљиво дизајниране ћелије и органе? Да ли се ове тачке не сукобљавају са другим законом термодинамике?

Ова два аргумента чине исту грешку: Људска бића нису „затворени систем“ (тј. Изоловани систем) у строгом смислу света, јер комуницирате и можете узимати енергију из околине универзум.

Када се живот први пут појавио на Земљи, иако се материја трансформисала из више ентропије у стање ниже ентропије, у систем је улазила енергија од сунца и та енергија омогућава систему да постане нижа ентропија време. Имајте на уму да се у термодинамици под „универзумом“ често подразумева окружење које окружује државу, а не читав космички универзум.

На примеру људског тела које ствара ред у процесу стварања ћелија, органа, па чак и других људи, одговор је исто: Узимате енергију споља, а то вам омогућава да радите неке ствари које изгледа да пркосе другом закону термодинамика.

Ако сте били потпуно одсечени од других извора енергије и потрошили сте сву ускладиштену енергију свог тела, она заиста би било тачно да нисте могли да производите ћелије или да обавите било који спектар активности које вас задржавају функционисање. Без вашег очигледног пркошења другом закону термодинамике, умрли бисте.