Termodinamik Kanunları: Tanım, Denklemler ve Örnekler

Sürekli pompa, sürekli hareket ve bunun sonucunda genellikle serbest enerji üretmek amacıyla yıllar içinde tasarlanmış birçok sürekli hareket makinesinden biridir. Tasarım oldukça basittir: Su, yükseltilmiş bir platformdan dişlilere bağlı bir su çarkı üzerinden akar. bu da suyun yüzeyden yukarıya, sürecin baştan başladığı yükseltilmiş platforma çekilmesini sağlayan bir pompayı çalıştırır. tekrar.

Böyle bir tasarımı ilk duyduğunuzda, bunun mümkün ve hatta iyi bir fikir olduğunu düşünebilirsiniz. Ve günün bilim adamları, termodinamik yasaları keşfedilene ve herkesin sürekli hareket umutlarını tek bir hamlede yok edene kadar hemfikirdi.

Termodinamik yasaları, fiziğin en önemli yasalarından bazılarıdır. Enerjinin nasıl aktarıldığı ve korunduğu da dahil olmak üzere, enerjinin kritik kavramı ile birlikte enerjiyi tanımlamayı amaçlarlar.entropisürekli hareketin tüm umutlarını öldüren bir sistemin parçası. Bir fizik öğrencisiyseniz veya sadece birçok termodinamiği anlamak istiyorsanız Çevrenizde meydana gelen süreçler, termodinamiğin dört yasasını öğrenmek, önemli bir adımdır. yolculuğunuz.

Termodinamik, inceleyen bir fizik dalıdır.ısı enerjisi ve iç enerjitermodinamik sistemlerde. Isı enerjisi, ısı transferi yoluyla geçen enerjidir ve iç enerji, bir sistemdeki tüm parçacıkların kinetik enerjisi ile potansiyel enerjisinin toplamı olarak düşünülebilir.

Kinetik teoriyi bir araç olarak kullanarak - maddenin hareketlerini inceleyerek maddenin gövdesinin özelliklerini açıklar. kurucu parçacıkları - fizikçiler önemli arasındaki birçok önemli ilişkiyi türetebildiler. miktarları. Elbette, milyarlarca atomun toplam enerjisini hesaplamak, atomların etkin rastgeleliği göz önüne alındığında pratik olmayacaktır. Kesin hareketler, bu nedenle ilişkileri türetmek için kullanılan süreçler istatistiksel mekanik ve benzerleri etrafında inşa edildi. yaklaşımlar.

Esasen, basitleştirici varsayımlar ve çok sayıda molekül üzerinde "ortalama" davranışa odaklanma, bilim adamları, milyarlarca kişiden biri için sonsuz hesaplamalara takılmadan sistemi bir bütün olarak analiz edecek araçlara sahiptir. atomların.

Termodinamiğin yasalarını anlamak için en önemli terimlerden bazılarını anladığınızdan emin olmanız gerekir.Sıcaklıkbir maddedeki molekül başına ortalama kinetik enerjinin bir ölçüsüdür - yani moleküllerin ne kadar hareket ettiğini (sıvı veya gazda) veya yerinde titrediğini (katıda). Sıcaklık için SI birimi Kelvin'dir, burada 0 Kelvin "mutlak sıfır" olarak bilinir; mümkün olan en düşük sıcaklık (diğer sistemlerdeki sıfır sıcaklığın aksine), tüm moleküler hareket durur.

​İçsel enerjibir sistemdeki moleküllerin toplam enerjisidir, yani kinetik enerjilerinin ve potansiyel enerjilerinin toplamıdır. İki madde arasındaki sıcaklık farkı, ısının akmasına izin verir.Termal enerjiyani birinden diğerine aktarır.termodinamik çalışmaısı motorunda olduğu gibi (bazen Carnot motoru olarak da adlandırılır) ısı enerjisi kullanılarak gerçekleştirilen mekanik iştir.

​Entropikelimelerle açıkça tanımlanması zor bir kavramdır, ancak matematiksel olarak Boltzmann sabiti olarak tanımlanır (k​ = 1.381 × 10⁻²³ m² kg⁻¹ K⁻¹) bir sistemdeki mikro durum sayısının doğal logaritması ile çarpılır. Sözlü olarak, genellikle "bozukluk" ölçüsü olarak adlandırılır, ancak daha doğru bir şekilde, hastalığın derecesi olarak düşünülebilir. Bir sistemin durumu, makroskopik olarak bakıldığında çok sayıda diğer durumdan ayırt edilemez. seviye.

Örneğin, dolaşmış bir kulaklık kablosunun çok sayıda özel olası düzenlemesi vardır, ancak çoğu diğerleri kadar "karışık" ve dolayısıyla telin hiçbir karışıklık olmadan düzgünce sarıldığı bir durumdan daha yüksek entropiye sahiptir.

Termodinamiğin sıfırıncı yasası, numarasını alır çünkü birinci, ikinci ve üçüncü yasalar en iyi bilinen ve Bununla birlikte, yaygın olarak öğretilen, ancak termodinamiğin etkileşimlerini anlamak söz konusu olduğunda aynı derecede önemlidir. sistemler. Sıfırıncı yasa, eğer termal sistem A, termal sistem B ile termal dengedeyse ve B sistemi, C sistemi ile termal dengedeyse, o zaman sistem A, sistemle dengede olmalıdır C.

Bir sistemin diğeriyle dengede olmasının ne anlama geldiğini düşünürseniz bunu hatırlamanız kolaydır. Isı ve sıcaklık terimleriyle düşünmek: Isı akışı meydana getirmek üzere aktığında iki sistem birbiriyle dengededir. aynı sıcaklığa, kaynar suyu daha soğuk bir sürahiye döktükten bir süre sonra elde ettiğiniz tek tip sıcak sıcaklık gibi Su.

Dengede olduklarında (yani aynı sıcaklıkta), ya hiç ısı transferi olmaz ya da herhangi bir küçük miktardaki ısı akışı diğer sistemden bir akış tarafından hızla iptal edilir.

Bunu düşününce, bu duruma üçüncü bir sistem getirirseniz, bunun doğru yöne kayacağı mantıklı geliyor. ikinci sistemle dengededir ve eğer dengedeyse birinci sistemle de dengede olacaktır. sistem de.

Termodinamiğin birinci yasası, bir sistemin iç enerjisindeki değişimin (∆sen) sisteme aktarılan ısıya eşittir (S) eksi sistem tarafından yapılan iş (W). Sembollerde, bu:

Bu aslında enerjinin korunumu yasasının bir ifadesidir. Sistem kendisine ısı aktarılırsa enerji kazanır, başka bir sistemde çalışıyorsa kaybeder ve tersi durumlarda enerji akışı tersine döner. Isının bir enerji aktarımı biçimi olduğunu ve işin mekanik enerjinin aktarımı olduğunu hatırlayarak, bu yasanın basitçe enerjinin korunumunu yeniden ifade ettiğini görmek kolaydır.

Termodinamiğin ikinci yasası, kapalı bir sistemin (yani yalıtılmış bir sistemin) toplam entropisinin asla azalmayacağını, ancak artabileceğini veya (teorik olarak) aynı kalacağını belirtir.

Bu genellikle, izole edilmiş herhangi bir sistemin “düzensizliğinin” zamanla arttığı şeklinde yorumlanır, ancak Yukarıda tartışıldığı gibi, bu, geniş anlamda olmasına rağmen, konsepte bakmanın kesinlikle doğru bir yolu değildir. sağ. Termodinamiğin ikinci yasası, esasen, rastgele süreçlerin, terimin katı matematiksel anlamında “düzensizliğe” yol açtığını belirtir.

Termodinamiğin ikinci yasası hakkında bir başka yaygın yanlış anlama kaynağı, "kapalı" kavramının anlamıdır. sistem.” Bu, dış dünyadan izole edilmiş bir sistem olarak düşünülmelidir, ancak bu izolasyon olmadan, entropiYapabilmekazaltmak. Örneğin, kendi başına bırakılan dağınık bir yatak odası asla daha derli toplu olmaz.Yapabilmekbiri girer ve üzerinde çalışırsa (yani temizlerse) daha düşük entropili daha organize bir duruma geçin.

Termodinamiğin üçüncü yasası, bir sistemin sıcaklığı mutlak sıfıra yaklaştıkça, sistemin entropisinin bir sabite yaklaştığını belirtir. Başka bir deyişle, ikinci yasa, bir sistemin entropisinin sabit kalabileceği olasılığını açık bırakır, ancak üçüncü yasa, bunun yalnızca şu anda gerçekleştiğini açıklar.tamamen sıfır​.

Üçüncü yasa ayrıca sonlu sayıda işlemle bir sistemin sıcaklığını mutlak sıfıra düşürmenin imkansız olduğunu ima eder (ve bazen şöyle ifade edilir). Başka bir deyişle, mutlak sıfıra çok yaklaşmak ve sistem için entropi artışını en aza indirmek mümkün olsa da, gerçekte mutlak sıfıra ulaşmak esasen imkansızdır.

Sistemler mutlak sıfıra çok yaklaştığında, olağandışı davranışlar ortaya çıkabilir. Örneğin, mutlak sıfıra yakın bir noktada, birçok malzeme elektrik akımının akışına karşı tüm direncini kaybederek süperiletkenlik adı verilen bir duruma geçer. Bunun nedeni, akıma direncin çekirdeklerin hareketinin rastgeleliği tarafından yaratılmasıdır. iletkendeki atomlar - mutlak sıfıra yakın, zar zor hareket ederler ve bu nedenle direnç en aza indirilir.

Termodinamik yasaları ve enerjinin korunumu yasası, sürekli hareket eden makinelerin neden mümkün olmadığını açıklar. Hangi tasarımı seçerseniz seçin, termodinamiğin ikinci yasasına uygun olarak süreçte her zaman bir miktar “atık” enerji yaratılacaktır: Sistemin entropisi artacaktır.

Enerjinin korunumu yasası, makinedeki herhangi bir enerjinin bir yerden gelmesi gerektiğini ve entropiye yönelik eğilim, makinenin neden enerjiyi bir biçimden diğerine tam olarak iletmediğini gösterir.

Girişteki su çarkı ve pompa örneğini kullanarak, su çarkı hareketli parçalara sahip olmalıdır (örneğin, aks ve tekerleğe ve enerjiyi pompaya ileten dişlilere bağlantı) ve bunlar sürtünme yaratacak ve bir miktar enerji kaybedecektir. sıcaklık.

Bu küçük bir sorun gibi görünebilir, ancak enerji çıkışında küçük bir düşüş olsa bile pompa,herşeysu, yükseltilmiş yüzeye geri döner, böylece bir sonraki deneme için mevcut enerjiyi azaltır. Sonra, bir dahaki sefere, daha fazla boşa harcanan enerji ve pompalanamayan daha fazla su olacak, vb. Buna ek olarak, pompanın mekanizmalarından da enerji kaybı olacaktır.

Termodinamiğin ikinci yasasını düşünürken şunu merak edebilirsiniz: Yalıtılmış bir sistem artıyor, insan gibi bu kadar “düzenli” bir sistem nasıl ortaya çıktı? olmak? Vücudum gıda biçimindeki düzensiz girdileri nasıl dikkatle tasarlanmış hücrelere ve organlara dönüştürüyor? Bu noktalar termodinamiğin ikinci yasasıyla çelişmiyor mu?

Bu argümanların her ikisi de aynı hatayı yapar: İnsanlar “kapalı bir sistem” (yani izole sistem) değildir. dünyanın tam anlamıyla, çünkü çevrenizle etkileşime giriyorsunuz ve çevreden enerji alabiliyorsunuz. Evren.

Dünya'da yaşam ilk ortaya çıktığında, madde yüksek entropiden düşük entropi durumuna dönüşmesine rağmen, sisteme güneşten bir enerji girdisi vardı ve bu enerji sistemin daha düşük entropi olmasını sağlıyor. zaman. Termodinamikte, "evren"in, tüm kozmik evrenden ziyade, genellikle bir durumu çevreleyen ortam anlamına geldiğini unutmayın.

İnsan vücudunun hücre, organ ve hatta diğer insanları oluşturma sürecinde düzen yaratması örneği için cevap şudur: aynı: Dışarıdan enerji alıyorsunuz ve bu, ikinci yasaya meydan okuyormuş gibi görünen bazı şeyler yapmanızı sağlıyor. termodinamik.

Diğer enerji kaynaklarından tamamen kopmuşsanız ve vücudunuzun depolanmış tüm enerjisini tüketmiş olsaydınız, hücre üretemeyeceğiniz veya sizi tutan herhangi bir aktiviteyi gerçekleştiremeyeceğiniz gerçekten doğru olurdu. işleyen. Termodinamiğin ikinci yasasına açıkça meydan okumadan ölürdünüz.