Закони термодинаміки: визначення, рівняння та приклади

Вічний насос - одна з багатьох вічних машин, що розроблялись протягом багатьох років з метою забезпечення безперервного руху, а часто, як результат, вільної енергії. Конструкція досить проста: вода стікає з піднятої платформи над водяним колесом, яке прикріплене до шестерні, які в свою чергу працюють насосом, який витягує воду з поверхні назад на підняту платформу, де процес починається спочатку знову.

Коли ви вперше чуєте про такий дизайн, ви можете подумати, що це можливо і навіть хороша ідея. І вчені того часу погодились, поки закони термодинаміки не були відкриті і не розвіяли сподівань усіх на вічний рух одним махом.

Закони термодинаміки є одними з найважливіших законів фізики. Вони мають на меті описати енергію, включаючи те, як вона передається та зберігається, разом із найважливішою концепцією енергіїентропіясистеми, яка є частиною, яка вбиває всяку надію на вічний рух. Якщо ви студент фізики, або просто хочете зрозуміти багато термодинаміки процесів, що відбуваються навколо вас, вивчення чотирьох законів термодинаміки є вирішальним кроком вашої подорожі.

Термодинаміка - це розділ фізики, який вивчаєтеплова енергія та внутрішня енергіяв термодинамічних системах. Теплова енергія - це енергія, що проходить через теплообмін, а внутрішню енергію можна уявити сумою кінетичної енергії та потенційної енергії для всіх частинок у системі.

Використовуючи кінетичну теорію як інструмент - який пояснює властивості тіла речовини шляхом вивчення рухів його складові частинки - фізики змогли вивести багато важливих взаємозв'язків між важливими кількості. Звичайно, обчислення загальної енергії мільярдів атомів було б недоцільним, враховуючи ефективну їх випадковість точні рухи, тому процеси, що використовуються для виведення зв’язків, будувались навколо статистичної механіки та подібних підходи.

По суті, давали спрощення припущень та зосередження уваги на «середній» поведінці великої кількості молекул вчені інструменти для аналізу системи в цілому, не застряючи в нескінченних розрахунках для одного з мільярдів атомів.

Щоб зрозуміти закони термодинаміки, потрібно переконатися, що розумієш деякі найважливіші терміни.Температурає мірою середньої кінетичної енергії на молекулу речовини - тобто наскільки молекули рухаються (у рідині чи газі) або вібрують на місці (у твердому тілі). Одиницею виміру СІ для температури є Кельвін, де 0 Кельвінів відомий як "абсолютний нуль", що є максимально холодна температура (на відміну від нульової температури в інших системах), де всі молекулярні рухи припиняється.

​Внутрішня енергія- загальна енергія молекул у системі, що означає суму їх кінетичної енергії та потенційної енергії. Різниця в температурі між двома речовинами дозволяє пропускати тепло, яке єтермальна енергіящо переходить від одного до іншого.Термодинамічна роботаце механічна робота, яка виконується з використанням теплової енергії, як у тепловому двигуні (іноді його називають двигуном Карно).

​Ентропіяце поняття, яке важко чітко визначити словами, але математично воно визначається як постійна Больцмана (k​ = 1.381 × 10⁻²³ м² кг с⁻¹ К⁻¹), помножене на натуральний логарифм кількості мікростанів у системі. На словах, це часто називають мірою "розладу", але його можна точніше сприймати як ступінь до який стан системи не можна відрізнити від великої кількості інших станів, якщо дивитись на макроскопічний рівень.

Наприклад, заплутаний провід для навушників має велику кількість конкретних можливих механізмів, але більшість з них виглядають просто такі ж «заплутані», як і інші, і тому мають вищу ентропію, ніж стан, коли дріт акуратно звитий без заплутування.

Нульовий закон термодинаміки отримує це число, оскільки перший, другий і третій закони є найбільш відомими і Широко викладається, однак це так само важливо, коли йдеться про розуміння взаємодії термодинаміки системи. Нульовий закон говорить, що якщо теплова система А знаходиться в тепловій рівновазі з тепловою системою В, і система В знаходиться в тепловій рівновазі із системою С, тоді система А повинна знаходитися в рівновазі із системою C.

Це легко запам’ятати, якщо подумати, що означає одна система знаходитись у рівновазі з іншою. Мислення з точки зору тепла та температури: Дві системи знаходяться в рівновазі одна з одною, коли тепло тече як таке, щоб принести їх до тієї самої температури, як рівномірна тепла температура, яку ви отримуєте через деякий час після наливання окропу в глечик з холоднішим води.

Коли вони перебувають у рівновазі (тобто при однаковій температурі), або не відбувається передача тепла, або будь-яка невелика кількість теплового потоку швидко відміняється потоком з іншої системи.

Думаючи про це, має сенс, що якщо ви введете в цю ситуацію третю систему, вона зміститься в бік рівноваги з другою системою, і якщо вона знаходиться в рівновазі, вона також буде в рівновазі з першою система теж.

Перший закон термодинаміки говорить, що зміна внутрішньої енергії для системи (∆U) дорівнює теплоті, що передається в систему (З) мінус робота, виконана системою (W). У символах це:

Це, по суті, твердження закону збереження енергії. Система отримує енергію, якщо до неї передається тепло, і втрачає її, якщо працює в іншій системі, а потік енергії змінюється в зворотному випадку. Пам’ятаючи, що тепло - це форма передачі енергії, а робота - це передача механічної енергії, неважко зрозуміти, що цей закон просто повторно визначає збереження енергії.

Другий закон термодинаміки говорить, що повна ентропія замкнутої системи (тобто ізольованої системи) ніколи не зменшується, але вона може збільшуватися або (теоретично) залишатися незмінною.

Це часто трактується як таке, що “розлад” будь-якої ізольованої системи з часом збільшується, але як обговорювалося вище, це не є суворо точним способом поглянути на концепцію, хоча вона в цілому правильно. Другий закон термодинаміки, по суті, стверджує, що випадкові процеси призводять до “безладу” в суворому математичному розумінні цього терміна.

Іншим поширеним джерелом хибних уявлень щодо другого закону термодинаміки є значення поняття «закритий» система ". Це слід розглядати як систему, ізольовану від зовнішнього світу, але без цієї ізоляції, ентропіяможезменшення. Наприклад, безладна спальня, залишена сама по собі, ніколи не стане охайнішою, але вонаможеперейти на більш організований стан з нижчою ентропією, якщо хтось входить і працює над цим (тобто очищає його).

Третій закон термодинаміки стверджує, що в міру наближення температури системи до абсолютного нуля ентропія системи наближається до постійної. Іншими словами, другий закон залишає відкритою можливість того, що ентропія системи може залишатися незмінною, але третій закон уточнює, що це відбувається лише вабсолютний нуль​.

Третій закон також передбачає, що (і іноді це називають) неможливо знизити температуру системи до абсолютного нуля при будь-якій кінцевій кількості операцій. Іншими словами, насправді неможливо фактично досягти абсолютного нуля, хоча можна наблизитись до нього і мінімізувати збільшення ентропії для системи.

Коли системи наближаються до абсолютного нуля, може виникнути незвична поведінка. Наприклад, при близькому до абсолютного нуля багато матеріалів втрачають всякий опір потоку електричного струму, переходячи в стан, який називається надпровідністю. Це пояснюється тим, що опір струму створюється випадковістю руху ядер атоми в провіднику - близькі до абсолютного нуля, вони ледве рухаються, і тому опір мінімізований.

Закони термодинаміки та закон збереження енергії пояснюють, чому неможливі вічні машини. Завжди буде створюватися деяка «марнотратна» енергія для будь-якої конструкції, яку ви обрали б, згідно з другим законом термодинаміки: Ентропія системи зростатиме.

Закон збереження енергії показує, що будь-яка енергія в машині повинна надходити звідкись, і тенденція до ентропії показує, чому машина не буде ідеально передавати енергію з однієї форми в іншу.

Використовуючи приклад водяного колеса та насоса з вступу, водяне колесо повинно мати рухомі частини (наприклад, вісь та її з'єднання з колесом та шестернями, які передають енергію насосу), і вони створюватимуть тертя, втрачаючи деяку енергію, оскільки тепло.

Це може здатися невеликою проблемою, але навіть при невеликому занепаді енергетичної потужності насос не зможе отримативсіводи назад на підняту поверхню, тим самим зменшуючи енергію, доступну для наступної спроби. Тоді, наступного разу, буде ще більше витраченої енергії і більше води, яку неможливо перекачати тощо. На додаток до цього, будуть також втрати енергії від механізмів насоса.

Думаючи про другий закон термодинаміки, ви можете задатися питанням: якщо ентропія ізольована система збільшується, як могло бути так, що прийшла така впорядкована система, як людина бути? Як моє тіло приймає невпорядковані речовини у вигляді їжі та перетворює їх на ретельно розроблені клітини та органи? Чи не суперечать ці пункти другому закону термодинаміки?

Ці аргументи припускаються однієї і тієї ж помилки: Людина не є “закритою системою” (тобто ізольованою системою) у суворому розумінні світу, тому що ви взаємодієте з оточуючими та можете забирати енергію з них Всесвіт.

Коли життя вперше виникло на Землі, хоча матерія перетворилася з вищої ентропії на нижчу ентропію, в систему входила енергія від сонця, і ця енергія дозволяє системі перетворитися на нижчу ентропію час. Зауважимо, що в термодинаміці під “Всесвітом” часто розуміють середовище, що оточує стан, а не весь космічний Всесвіт.

На приклад того, як людське тіло створює порядок у процесі створення клітин, органів та навіть інших людей, відповідь: те саме: Ви берете енергію ззовні, і це дозволяє вам робити деякі речі, які, здається, не піддаються другому закону термодинаміка.

Якщо ви були повністю відключені від інших джерел енергії, і ви витратили всю накопичену енергію свого тіла, це справді було б правдою, що ви не могли виробляти клітини або виконувати будь-який з тих видів діяльності, які вас утримують функціонування. Без вашої очевидної непокори другому закону термодинаміки ви помрете.