Termodinamikos dėsniai
Marccophoto / Getty Images
Mokslo šaka vadinama termodinamika susijęs su sistemomis, kurios gali perduoti šiluminė energija į bent vieną kitą energijos formą (mechaninę, elektrinę ir kt.) arba į darbą. Termodinamikos dėsniai buvo sukurti bėgant metams kaip viena iš pagrindinių taisyklių, kurių reikia laikytis, kai termodinaminė sistema veikia. per tam tikrus energijos pokyčius .
Termodinamikos istorija
Termodinamikos istorija prasideda nuo Otto von Guericke'o, kuris 1650 m. pastatė pirmąjį pasaulyje vakuuminį siurblį ir pademonstravo vakuumą, naudodamas savo Magdeburgo pusrutulius. Guericke'as buvo priverstas sukurti vakuumą, kad paneigtų Aristotelio ilgalaikę prielaidą, kad „gamta nemėgsta vakuumo“. Netrukus po to, kai Guericke'as, anglų fizikas ir chemikas Robertas Boyle'as sužinojo apie Guericke'o projektus ir 1656 m., suderinęs su anglų mokslininku Robertu Huku, pastatė oro siurblį. Naudodami šį siurblį, Boyle'as ir Hooke'as pastebėjo ryšį tarp slėgio, temperatūros ir tūrio. Laikui bėgant buvo suformuluotas Boyle'o dėsnis, kuris teigia, kad slėgis ir tūris yra atvirkščiai proporcingi.
Termodinamikos dėsnių pasekmės
Thetermodinamikos dėsniaipaprastai yra gana lengva pasakyti ir suprasti... tiek, kad lengva nuvertinti jų poveikį. Be kita ko, jie riboja, kaip energija gali būti naudojama visatoje. Būtų labai sunku per daug pabrėžti šios sąvokos svarbą. Termodinamikos dėsnių pasekmės tam tikru būdu paliečia beveik kiekvieną mokslinio tyrimo aspektą.
Pagrindinės termodinamikos dėsnių supratimo sąvokos
Norint suprasti termodinamikos dėsnius, būtina suprasti kai kurias kitas su jais susijusias termodinamikos sąvokas.
- Termodinamikos apžvalga – pagrindinių termodinamikos srities principų apžvalga
- Šilumos energija - pagrindinis šilumos energijos apibrėžimas
- Temperatūra- pagrindinis temperatūros apibrėžimas
- Įvadas į šilumos perdavimą – įvairių šilumos perdavimo būdų paaiškinimas.
- Termodinamikos procesai – termodinamikos dėsniai dažniausiai taikomi termodinaminiams procesams, kai termodinaminėje sistemoje vyksta tam tikras energijos perdavimas.
Termodinamikos dėsnių raida
Šilumos, kaip atskiros energijos formos, tyrimas prasidėjo maždaug 1798 m., kai seras Benjaminas Thompsonas (dar žinomas kaip grafas Rumfordas), britų karo inžinierius, pastebėjo, kad šiluma gali būti gaminama proporcingai atlikto darbo kiekiui... koncepcija, kuri galiausiai taptų pirmojo termodinamikos dėsnio pasekmė.
Prancūzų fizikas Sadi Carnot pirmą kartą suformulavo pagrindinį termodinamikos principą 1824 m. Principai, kuriuos Carnot naudojo apibrėždamas savo Carnot ciklas šilumos variklis galiausiai paverstų antrąjį termodinamikos dėsnį vokiečių fiziko Rudolfo Clausiaus, kuriam taip pat dažnai priskiriamas pirmojo termodinamikos dėsnio suformulavimas.
Viena iš spartaus termodinamikos vystymosi XIX amžiuje priežasčių buvo poreikis sukurti efektyvius garo variklius per pramonės revoliuciją.
Kinetinė teorija ir termodinamikos dėsniai
Termodinamikos dėsniai nėra ypač susiję su konkrečiu būdu ir kodėl šilumos perdavimo , kuris yra prasmingas dėsniams, kurie buvo suformuluoti prieš visiškai priimant atominę teoriją. Jie susiję su energijos ir šilumos perėjimų sistemoje suma ir neatsižvelgia į specifinį šilumos perdavimo pobūdį atominiu ar molekuliniu lygiu.
Nulinis termodinamikos dėsnis
Tai nulinis įstatymas yra tam tikra tranzitinė šiluminės pusiausvyros savybė. Pereinamoji matematikos savybė sako, kad jei A = B ir B = C, tai A = C. Tas pats pasakytina ir apie termodinamines sistemas, kurios yra šiluminėje pusiausvyroje.
Viena iš nulinio dėsnio pasekmių yra idėja, kad matavimastemperatūrosturi bet kokią prasmę. Norint išmatuoti temperatūrą, šiluminė pusiausvyra turi būti pasiektas tarp viso termometro, termometro viduje esančio gyvsidabrio ir matuojamos medžiagos. Tai savo ruožtu leidžia tiksliai pasakyti, kokia yra medžiagos temperatūra.
Šis dėsnis buvo suprantamas be aiškiai išreikšto termodinamikos studijų istorijos, o tik XX amžiaus pradžioje buvo suprasta, kad tai buvo savarankiškas dėsnis. Tai buvo britų fizikas Ralphas H. Fowleris, kuris pirmasis sukūrė terminą „nulinis įstatymas“, remdamasis įsitikinimu, kad jis yra svarbesnis net už kitus įstatymus.
Pirmasis termodinamikos dėsnis
Nors tai gali atrodyti sudėtinga, tai tikrai labai paprasta idėja. Jei į sistemą pridedate šilumos, galima padaryti tik du dalykus – pakeisti vidinė energija arba priversti sistemą atlikti darbą (arba, žinoma, tam tikrą šių dviejų derinį). Visa šiluminė energija turi būti panaudota atliekant šiuos veiksmus.
Pirmojo dėsnio matematinis vaizdavimas
Fizikai paprastai naudoja vienodas nuostatas, kad pateiktų dydžius pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį. Jie yra:
- IN 1 (arba IN i) = pradinė vidinė energija proceso pradžioje
- IN 2 (arba IN f) = galutinė vidinė energija proceso pabaigoje
- delta- IN = IN du - IN 1 = vidinės energijos pokytis (naudojamas tais atvejais, kai vidinės energijos pradžios ir pabaigos specifika nėra svarbi)
- K = šiluma perduodama į ( K > 0) arba iš ( K <0) the system
- Į = dirbti atlieka sistema ( Į > 0) arba sistemoje ( Į <0).
Taip gaunamas matematinis pirmojo dėsnio vaizdas, kuris pasirodo labai naudingas ir gali būti perrašytas keliais naudingais būdais:
Analizė a termodinaminis procesas , bent jau fizikos klasėje, paprastai reikia analizuoti situaciją, kai vienas iš šių dydžių yra 0 arba bent jau pagrįstai valdomas. Pavyzdžiui, an adiabatinis procesas , šilumos perdavimas ( K ) yra lygus 0, kai yra an izochorinis procesas darbas ( Į ) yra lygus 0.
Pirmasis įstatymas ir energijos išsaugojimas
The pirmasis įstatymas termodinamiką daugelis laiko energijos taupymo koncepcijos pagrindu. Iš esmės tai sako, kad energija, kuri patenka į sistemą, negali būti prarasta pakeliui, bet turi būti panaudota kažkam padaryti... šiuo atveju arba pakeisti vidinę energiją, arba atlikti darbą.
Atsižvelgiant į tai, pirmasis termodinamikos dėsnis yra viena iš plačiausių kada nors atrastų mokslinių koncepcijų.
Antrasis termodinamikos dėsnis
Antrasis termodinamikos dėsnis: antrasis termodinamikos dėsnis suformuluotas įvairiais būdais, kaip bus trumpai aptartas, tačiau iš esmės tai yra dėsnis, kuris, skirtingai nei dauguma kitų fizikos dėsnių, yra susijęs ne su tuo, kaip ką nors padaryti, o su visiškai išdėstytu. apribojimas, ką galima padaryti.
Tai yra dėsnis, kuris sako, kad gamta riboja mus nuo tam tikrų rezultatų neįdedant daug darbo, todėl taip pat yra glaudžiai susijusi su energijos taupymo samprata , kaip ir pirmasis termodinamikos dėsnis.
Praktikoje šis įstatymas reiškia, kad bet koks šiluminis variklis ar panašus įtaisas, pagrįstas termodinamikos principais, net teoriškai negali būti 100 % efektyvus.
Šį principą pirmasis nušvietė prancūzų fizikas ir inžinierius Sadi Carnot, kurdamas savo Carnot ciklas variklis 1824 m., o vėliau buvo įformintas kaip termodinamikos dėsnis Vokiečių fizikas Rudolfas Clausius.
Entropija ir antrasis termodinamikos dėsnis
Antrasis termodinamikos dėsnis yra bene populiariausias už fizikos ribų, nes yra glaudžiai susijęs su entropija arba termodinaminio proceso metu susidaręs sutrikimas. Performuluotas kaip teiginys apie entropiją, antrasis įstatymas yra toks:
Bet kurioje uždaroje sistemoje, kitaip tariant, kiekvieną kartą, kai sistema pereina į termodinaminį procesą, sistema niekada negali visiškai grįžti į tą pačią būseną, kurioje buvo anksčiau. Tai yra vienas apibrėžimas, naudojamas laiko strėlė kadangi visatos entropija laikui bėgant visada didės pagal antrąjį termodinamikos dėsnį.
Kitos antrojo dėsnio formuluotės
Ciklinė transformacija, kurios vienintelis galutinis rezultatas yra šilumos, išgaunamos iš šaltinio, kurio temperatūra yra vienoda, pavertimas darbu yra neįmanomas. – škotų fizikas Williamas Thompsonas ( Ciklinė transformacija, kurios vienintelis galutinis rezultatas yra šilumos perdavimas iš tam tikros temperatūros kūno į aukštesnės temperatūros kūną yra neįmanomas. – Vokiečių fizikas Rudolfas Clausius
Visos aukščiau pateiktos antrojo termodinamikos dėsnio formuluotės yra lygiaverčiai to paties pagrindinio principo teiginiai.
Trečiasis termodinamikos dėsnis
Trečiasis termodinamikos dėsnis iš esmės yra teiginys apie gebėjimą sukurti absoliutus temperatūros skalė, kuriai absoliutus nulis yra taškas, kuriame kietojo kūno vidinė energija lygi 0.
Įvairūs šaltiniai rodo šias tris galimas trečiojo termodinamikos dėsnio formules:
- Neįmanoma jokios sistemos sumažinti iki absoliutaus nulio baigtinėje operacijų serijoje.
- Stabiliausios formos elemento tobulo kristalo entropija linkusi į nulį, kai temperatūra artėja prie absoliutaus nulio.
- Temperatūrai artėjant prie absoliutaus nulio, sistemos entropija artėja prie konstantos
Ką reiškia trečiasis įstatymas
Trečiasis dėsnis reiškia keletą dalykų, ir vėl visos šios formuluotės lemia tą patį rezultatą, priklausomai nuo to, kiek atsižvelgsite į:
3 formulėje yra mažiausiai apribojimų, tik nurodoma, kad entropija eina į konstantą. Tiesą sakant, ši konstanta yra nulinė entropija (kaip nurodyta 2 formuluotėje). Tačiau dėl kvantinių apribojimų bet kuriai fizinei sistemai ji sugrius į žemiausią kvantinę būseną, bet niekada negalės tobulai redukuoti iki 0 entropijos, todėl neįmanoma fizinės sistemos sumažinti iki absoliutaus nulio per baigtinį žingsnių skaičių (kuris duoda mums 1 formuluotę).