กฎของอุณหพลศาสตร์: นิยาม สมการ และตัวอย่าง

Perpetual Pump เป็นหนึ่งในเครื่องจักรเคลื่อนที่ต่อเนื่องจำนวนมากที่ได้รับการออกแบบมาเป็นเวลาหลายปี โดยมีวัตถุประสงค์เพื่อสร้างการเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่อง และบ่อยครั้งเป็นผลให้พลังงานฟรี การออกแบบค่อนข้างตรงไปตรงมา: น้ำไหลลงมาจากแท่นยกเหนือกังหันน้ำซึ่งติดอยู่กับเฟือง ซึ่งจะทำงานด้วยเครื่องสูบน้ำที่ดึงน้ำจากพื้นผิวกลับขึ้นไปบนแท่นยกซึ่งกระบวนการเริ่มต้นใหม่ อีกครั้ง

เมื่อคุณได้ยินเกี่ยวกับการออกแบบเช่นนี้เป็นครั้งแรก คุณอาจคิดว่ามันเป็นไปได้และแม้แต่ความคิดที่ดี และนักวิทยาศาสตร์ในสมัยนั้นก็เห็นด้วย จนกระทั่งกฎของอุณหพลศาสตร์ถูกค้นพบและทำลายความหวังของทุกคนในเรื่องการเคลื่อนที่ถาวรในคราวเดียว

กฎของอุณหพลศาสตร์เป็นกฎฟิสิกส์ที่สำคัญที่สุดบางข้อ พวกเขาตั้งเป้าหมายที่จะอธิบายพลังงาน รวมถึงวิธีการส่งและอนุรักษ์พลังงาน พร้อมกับแนวคิดที่สำคัญของเอนโทรปีของระบบ ซึ่งเป็นส่วนที่ทำลายความหวังของการเคลื่อนไหวตลอดไป หากคุณเป็นนักศึกษาวิชาฟิสิกส์ หรือคุณแค่ต้องการทำความเข้าใจเกี่ยวกับอุณหพลศาสตร์มากมาย กระบวนการที่เกิดขึ้นรอบตัวคุณ การเรียนรู้กฎสี่ข้อของอุณหพลศาสตร์เป็นขั้นตอนที่สำคัญใน crucial การเดินทางของคุณ

เทอร์โมไดนามิกส์เป็นสาขาหนึ่งของฟิสิกส์ที่ศึกษาพลังงานความร้อนและพลังงานภายในในระบบเทอร์โมไดนามิกส์ พลังงานความร้อนคือพลังงานที่ส่งผ่านการถ่ายเทความร้อน และพลังงานภายในสามารถนึกถึงผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ของอนุภาคทั้งหมดในระบบ

โดยใช้ทฤษฎีจลนศาสตร์เป็นเครื่องมือ – ซึ่งอธิบายคุณสมบัติของวัตถุโดยศึกษาการเคลื่อนที่ของ motion อนุภาคที่เป็นส่วนประกอบ - นักฟิสิกส์สามารถได้รับความสัมพันธ์ที่สำคัญมากมายระหว่างสิ่งสำคัญ ปริมาณ แน่นอนว่าการคำนวณพลังงานรวมของอะตอมหลายพันล้านอะตอมนั้นเป็นไปไม่ได้ เมื่อพิจารณาจากผลการสุ่มของพวกมัน การเคลื่อนไหวที่แม่นยำ ดังนั้นกระบวนการที่ใช้ในการหาความสัมพันธ์จึงถูกสร้างขึ้นโดยใช้กลศาสตร์ทางสถิติและสิ่งที่คล้ายกัน แนวทาง

โดยพื้นฐานแล้ว ทำให้สมมติฐานง่ายขึ้นและมุ่งเน้นไปที่พฤติกรรม "เฉลี่ย" เหนือโมเลกุลจำนวนมากที่ให้ นักวิทยาศาสตร์มีเครื่องมือในการวิเคราะห์ระบบโดยรวมโดยไม่ติดขัดในการคำนวณนับพันล้านอย่างไม่รู้จบ ของอะตอม

เพื่อให้เข้าใจกฎของเทอร์โมไดนามิกส์ คุณต้องแน่ใจว่าคุณเข้าใจคำศัพท์ที่สำคัญที่สุดบางคำอุณหภูมิคือการวัดพลังงานจลน์เฉลี่ยต่อโมเลกุลในสาร – นั่นคือ โมเลกุลเคลื่อนที่ไปรอบ ๆ (ในของเหลวหรือก๊าซ) หรือสั่นสะเทือนในสถานที่ (ในของแข็ง) หน่วย SI สำหรับอุณหภูมิคือเคลวิน โดยที่ 0 เคลวินเรียกว่า “ศูนย์สัมบูรณ์” ซึ่งก็คือ อุณหภูมิที่เย็นที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ (ไม่เหมือนกับอุณหภูมิศูนย์ในระบบอื่น) โดยที่การเคลื่อนที่ของโมเลกุลทั้งหมด สิ้นสุด

​กำลังภายในคือพลังงานทั้งหมดของโมเลกุลในระบบ ซึ่งหมายถึงผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างสารสองชนิดทำให้ความร้อนไหลผ่าน ซึ่งก็คือพลังงานความร้อนที่ถ่ายโอนจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่งงานอุณหพลศาสตร์เป็นงานเครื่องกลที่ใช้พลังงานความร้อน เช่น เครื่องยนต์ความร้อน (บางครั้งเรียกว่าเครื่องยนต์คาร์โนต์)

​เอนโทรปีเป็นแนวคิดที่ยากจะนิยามให้ชัดเจนด้วยคำพูด แต่ในทางคณิตศาสตร์ กำหนดเป็นค่าคงที่ของ Boltzmann (k​ = 1.381 × 10⁻²³ ม² กิโลกรัม s⁻¹ K⁻¹) คูณด้วยลอการิทึมธรรมชาติของจำนวนไมโครสเตทในระบบ พูดง่ายๆ ก็คือ มักถูกเรียกว่าเป็นหน่วยวัดของ "ความผิดปกติ" แต่สามารถคิดให้แม่นยำกว่าเป็นระดับของ ซึ่งสถานะของระบบนั้นแยกไม่ออกจากสภาวะอื่นๆ จำนวนมาก เมื่อพิจารณาด้วยตาเปล่า ระดับ

ตัวอย่างเช่น สายหูฟังพันกันมีรูปแบบเฉพาะที่เป็นไปได้จำนวนมาก แต่ส่วนใหญ่ดูเรียบง่าย เป็น "สายพันกัน" เหมือนกับที่อื่น ๆ และมีเอนโทรปีที่สูงกว่าสถานะที่ลวดพันกันอย่างเรียบร้อยโดยไม่มีการพันกัน

กฎข้อที่ศูนย์ของเทอร์โมไดนามิกส์ได้มาเป็นตัวเลขเพราะกฎข้อที่หนึ่ง สอง และสาม เป็นที่รู้จักมากที่สุดและ ได้รับการสอนอย่างกว้างขวาง แต่ก็สำคัญพอๆ กันเมื่อต้องทำความเข้าใจปฏิสัมพันธ์ของอุณหพลศาสตร์ ระบบต่างๆ กฎข้อที่ศูนย์ระบุว่าหากระบบความร้อน A อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนกับระบบความร้อน B และ ระบบ B อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนกับระบบ C จากนั้นระบบ A จะต้องอยู่ในสภาวะสมดุลกับระบบ ค.

สิ่งนี้จำได้ง่ายหากคุณนึกถึงความหมายของระบบหนึ่งที่จะอยู่ในสมดุลกับอีกระบบหนึ่ง คิดในแง่ของความร้อนและอุณหภูมิ: สองระบบอยู่ในสมดุลกันเมื่อความร้อนได้ไหลออกมาเช่นนั้นเพื่อนำมา ให้อยู่ในอุณหภูมิที่เท่ากัน เช่น อุณหภูมิอุ่นสม่ำเสมอ คุณจะได้เวลาหลังจากเทน้ำเดือดลงในเหยือกที่เย็นกว่า น้ำ.

เมื่ออยู่ในสภาวะสมดุล (เช่น ที่อุณหภูมิเท่ากัน) จะไม่มีการถ่ายเทความร้อนเกิดขึ้น หรือการไหลของความร้อนเพียงเล็กน้อยจะถูกยกเลิกอย่างรวดเร็วโดยการไหลของอีกระบบหนึ่ง

เมื่อคิดถึงเรื่องนี้แล้ว ก็สมเหตุสมผลแล้ว หากนำระบบที่สามมาสู่สถานการณ์นี้ ระบบก็จะเคลื่อนไปสู่ สมดุลกับระบบที่สอง และถ้าอยู่ในสมดุลก็จะอยู่ในสมดุลกับระบบแรกด้วย ระบบด้วยนะครับ

กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์กล่าวว่าการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในของระบบ (∆ยู) เท่ากับความร้อนที่ถ่ายเทไปยังระบบ (คิว) ลบงานที่ทำโดยระบบ (W). ในสัญลักษณ์ นี่คือ:

นี่เป็นคำแถลงของกฎการอนุรักษ์พลังงานโดยพื้นฐาน ระบบจะเพิ่มพลังงานหากมีการถ่ายเทความร้อนและสูญเสียหากทำงานบนระบบอื่น และการไหลของพลังงานจะย้อนกลับในสถานการณ์ที่ตรงกันข้าม จำได้ว่าความร้อนเป็นรูปแบบของการถ่ายเทพลังงาน และงานคือการถ่ายเทพลังงานกล จึงง่ายที่จะเห็นว่ากฎนี้เพียงกล่าวย้ำถึงการอนุรักษ์พลังงาน

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าเอนโทรปีรวมของระบบปิด (เช่น ระบบที่แยกออกมา) ไม่เคยลดลง แต่จะเพิ่มขึ้นหรือ (ตามทฤษฎี) ยังคงเหมือนเดิมได้

นี้มักจะถูกตีความว่า "ความผิดปกติ" ของระบบที่แยกออกมาใด ๆ เพิ่มขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป แต่ ตามที่กล่าวไว้ข้างต้น นี่ไม่ใช่วิธีที่ถูกต้องแม่นยำในการดูแนวคิดแม้ว่าจะเป็นแนวคิดในวงกว้างก็ตาม ขวา. กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ระบุโดยพื้นฐานว่ากระบวนการสุ่มนำไปสู่ ​​"ความผิดปกติ" ในความหมายทางคณิตศาสตร์ที่เข้มงวดของคำศัพท์

แหล่งที่มาทั่วไปของความเข้าใจผิดเกี่ยวกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์คือความหมายของคำว่า "ปิด" ระบบ." สิ่งนี้ควรถูกมองว่าเป็นระบบที่แยกจากโลกภายนอก แต่หากปราศจากความโดดเดี่ยวนี้ เอนโทรปีสามารถลดลง ตัวอย่างเช่น ห้องนอนรกๆ ที่ปล่อยทิ้งไว้คนเดียวจะไม่มีวันเป็นระเบียบเรียบร้อย แต่สามารถเปลี่ยนไปใช้สถานะที่มีเอนโทรปีต่ำซึ่งมีการจัดระเบียบมากขึ้นหากมีคนเข้ามาและดำเนินการกับมัน (เช่น ทำความสะอาด)

กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าเมื่ออุณหภูมิของระบบเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ เอนโทรปีของระบบเข้าใกล้ค่าคงที่ กล่าวอีกนัยหนึ่ง กฎข้อที่สองเปิดโอกาสที่เอนโทรปีของระบบจะคงที่ได้ แต่กฎข้อที่สามชี้แจงว่าสิ่งนี้จะเกิดขึ้นที่ศูนย์สัมบูรณ์​.

กฎข้อที่สามยังบอกเป็นนัยด้วยว่า (และบางครั้งก็ระบุเป็น) เป็นไปไม่ได้ที่จะลดอุณหภูมิของระบบให้เป็นศูนย์สัมบูรณ์ด้วยจำนวนการดำเนินการที่จำกัด กล่าวอีกนัยหนึ่ง เป็นไปไม่ได้โดยพื้นฐานแล้วที่จะไปถึงศูนย์สัมบูรณ์จริง ๆ แม้ว่าจะเป็นไปได้ที่จะเข้าใกล้มันมากและลดการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีสำหรับระบบ

เมื่อระบบเข้าใกล้ศูนย์สัมบูรณ์มาก อาจเกิดพฤติกรรมผิดปกติ ตัวอย่างเช่น ที่ใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ วัสดุจำนวนมากสูญเสียความต้านทานทั้งหมดต่อการไหลของกระแสไฟฟ้า เปลี่ยนเป็นสถานะที่เรียกว่าตัวนำยิ่งยวด นี่เป็นเพราะว่าความต้านทานกระแสถูกสร้างขึ้นโดยการสุ่มของการเคลื่อนที่ของนิวเคลียสของ อะตอมในตัวนำ – ใกล้กับศูนย์สัมบูรณ์ พวกมันแทบจะไม่เคลื่อนที่ ความต้านทานจึงลดลง

กฎของอุณหพลศาสตร์และกฎการอนุรักษ์พลังงานอธิบายว่าทำไมเครื่องเคลื่อนที่ตลอดเวลาจึงไม่สามารถทำได้ จะมีพลังงาน "ของเสีย" เกิดขึ้นเสมอในกระบวนการสำหรับการออกแบบใดๆ ที่คุณอาจเลือก ตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์: เอนโทรปีของระบบจะเพิ่มขึ้น

กฎการอนุรักษ์พลังงานแสดงว่าพลังงานใดๆ ในเครื่องต้องมาจากที่ไหนสักแห่ง และ แนวโน้มของเอนโทรปีแสดงให้เห็นว่าเหตุใดเครื่องจึงไม่ส่งพลังงานจากรูปแบบหนึ่งไปยังอีกรูปแบบหนึ่งอย่างสมบูรณ์

จากตัวอย่างกังหันน้ำและปั๊มจากการแนะนำ กังหันน้ำจะต้องมีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวได้ (เช่น เพลาและ and เชื่อมต่อกับล้อและเกียร์ที่ส่งพลังงานไปยังปั๊ม) และสิ่งเหล่านี้จะทำให้เกิดแรงเสียดทานสูญเสียพลังงานบางส่วนเช่น ความร้อน

นี่อาจดูเหมือนเป็นปัญหาเล็กน้อย แต่ถึงแม้จะมีพลังงานที่ลดลงเล็กน้อย ปั๊มก็ไม่สามารถรับได้ทั้งหมดของน้ำกลับขึ้นสู่พื้นผิวที่ยกขึ้นซึ่งจะช่วยลดพลังงานที่มีอยู่สำหรับความพยายามครั้งต่อไป แล้วครั้งหน้าจะเปลืองพลังงานมากขึ้นและน้ำไม่สามารถสูบขึ้นได้อีกเป็นต้น นอกจากนี้จะมีการสูญเสียพลังงานจากกลไกของปั๊ม

เมื่อคิดถึงกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ คุณอาจสงสัยว่า: ถ้าเอนโทรปีของวัตถุโดดเดี่ยว ระบบเพิ่มขึ้น เป็นไปได้อย่างไรที่ระบบ "มีระเบียบ" สูงเช่นมนุษย์มาถึง came เป็น? ร่างกายของฉันรับข้อมูลที่ไม่เป็นระเบียบในรูปแบบของอาหาร และแปลงเป็นเซลล์และอวัยวะที่ออกแบบอย่างพิถีพิถันได้อย่างไร ประเด็นเหล่านี้ไม่ขัดแย้งกับกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์หรือ

ข้อโต้แย้งเหล่านี้ทำผิดพลาดเหมือนกัน: มนุษย์ไม่ใช่ "ระบบปิด" (เช่น ระบบแยก) ในความหมายที่เคร่งครัดของโลกเพราะคุณมีปฏิสัมพันธ์และสามารถดึงพลังงานจากสิ่งรอบตัวได้ จักรวาล.

เมื่อสิ่งมีชีวิตเกิดขึ้นบนโลกครั้งแรก แม้ว่าสสารจะเปลี่ยนจากสถานะเอนโทรปีที่สูงขึ้นไปเป็นสถานะเอนโทรปีต่ำ มีการป้อนพลังงานเข้าสู่ระบบจากดวงอาทิตย์ และพลังงานนี้ทำให้ระบบกลายเป็นเอนโทรปีที่ต่ำกว่า เวลา. สังเกตว่าในอุณหพลศาสตร์ "จักรวาล" มักจะหมายถึงสภาพแวดล้อมโดยรอบรัฐ แทนที่จะเป็นจักรวาลจักรวาลทั้งหมด

ตัวอย่างร่างกายมนุษย์สร้างระเบียบในกระบวนการสร้างเซลล์ อวัยวะ หรือแม้แต่มนุษย์อื่นๆ คำตอบคือ เหมือนกัน: คุณรับพลังงานจากภายนอก และสิ่งนี้ช่วยให้คุณทำบางสิ่งที่ดูเหมือนขัดต่อกฎข้อที่สองของ อุณหพลศาสตร์

หากคุณถูกตัดขาดจากแหล่งพลังงานอื่นโดยสิ้นเชิง และคุณใช้พลังงานที่สะสมในร่างกายของคุณหมด คงจะจริงอยู่ว่าคุณไม่สามารถสร้างเซลล์หรือทำกิจกรรมใด ๆ ที่รั้งคุณไว้ได้ ทำงาน หากปราศจากการท้าทายกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์อย่างชัดแจ้ง คุณจะตาย