Explorați cele trei legi ale termodinamicii

Ramura științei numită termodinamică se ocupă cu sisteme care pot fi transferate energie termală în cel puțin o altă formă de energie (mecanică, electrică etc.) sau în lucru. Legile termodinamicii au fost dezvoltate de-a lungul anilor ca fiind unele dintre cele mai fundamentale reguli care sunt respectate atunci când un sistem termodinamic merge printr-un fel de schimbare de energie.

Istoria termodinamicii începe cu Otto von Guericke, care, în 1650, a construit prima pompă de vid din lume și a demonstrat un vid folosind emisferele sale din Magdeburg. Guericke a fost condus să facă un vid pentru a respinge presupunerea de multă vreme a lui Aristotel că „natura aberează un vid”. La scurt timp după Guericke, fizicianul și chimistul englez Robert Boyle aflase despre proiectele lui Guericke și, în 1656, în coordonare cu savantul englez Robert Hooke, a construit o pompă de aer. Folosind această pompă, Boyle și Hooke au observat o corelație între presiune, temperatură și volum. În timp, a fost formulată Legea lui Boyle, care afirmă că presiunea și volumul sunt invers proporționale.

legi ale termodinamicii tind să fie destul de ușor de declarat și de înțeles... atât de mult, încât este ușor de subestimat impactul pe care îl au. Printre altele, ele pun constrângeri privind modul în care energia poate fi utilizată în univers. Ar fi foarte greu de subliniat cât de semnificativ este acest concept. Consecințele legilor termodinamicii afectează într-un fel aproape toate aspectele cercetării științifice.

Pentru a înțelege legile termodinamicii, este esențial să înțelegeți alte concepte de termodinamică care se referă la ele.

• Prezentare generală a termodinamicii - o imagine de ansamblu asupra principiilor de bază ale domeniului termodinamicii
• Energie termică - o definiție de bază a energiei termice
• Temperatura - o definiție de bază a temperaturii
• Introducere în transferul de căldură - o explicație a diferitelor metode de transfer de căldură.
• Procese termodinamice - legile termodinamicii se aplică mai ales proceselor termodinamice, când un sistem termodinamic trece printr-un fel de transfer energetic.

Studiul căldurii ca o formă distinctă de energie a început în aproximativ 1798 când Sir Benjamin Thompson (cunoscut și sub numele de Contele Rumford), un inginer militar britanic, a observat că căldura poate fi generată proporțional cu cantitatea de muncă Terminat... un concept fundamental care va deveni în cele din urmă o consecință a primei legi a termodinamicii.

Fizicianul francez Sadi Carnot a formulat pentru prima dată un principiu de bază al termodinamicii în 1824. Principiile pe care Carnot le-a folosit pentru a-l defini Ciclul Carnot motorul termic s-ar traduce în cele din urmă în a doua lege a termodinamicii de către fizicianul german Rudolf Clausius, care este, de asemenea, frecvent creditat cu formularea primei legi din termodinamicii.

O parte din motivul dezvoltării rapide a termodinamicii în secolul al XIX-lea a fost nevoia dezvoltării unor motoare cu abur eficiente în timpul revoluției industriale.

Legile termodinamicii nu se preocupă în special de modul specific și de ce de transfer de căldură, ceea ce are sens pentru legile care au fost formulate înainte ca teoria atomică să fie complet adoptată. Ele se ocupă de suma totală a tranzițiilor de energie și căldură în cadrul unui sistem și nu țin cont de natura specifică a transferului de căldură la nivel atomic sau molecular.

Acest legea zero este un fel de proprietate tranzitorie a echilibrului termic. Proprietatea tranzitorie a matematicii spune că dacă A = B și B = C, atunci A = C. Același lucru este valabil și pentru sistemele termodinamice care se află în echilibru termic.

O consecință a legii zeroet este ideea că măsurarea temperatura are orice semnificație. Pentru a măsura temperatura, echilibru termic trebuie atins între termometru în ansamblu, mercurul din interiorul termometrului și substanța măsurată. Aceasta, la rândul său, are ca rezultat să poată spune cu exactitate care este temperatura substanței.

Această lege a fost înțeleasă fără a fi enunțată explicit în mare parte din istoria termodinamicii studiu și s-a realizat doar că era o lege în sine, la începutul secolului XX secol. Era fizicianul britanic Ralph H. Fowler care a inventat pentru prima dată termenul „lege zeroeth”, bazat pe credința că era mai fundamental chiar și celelalte legi.

Deși acest lucru poate părea complex, este o idee foarte simplă. Dacă adăugați căldură unui sistem, pot fi făcute doar două lucruri - schimbați energie interna a sistemului sau determină ca sistemul să funcționeze (sau, desigur, o combinație a celor două). Toată energia termică trebuie să intre în realizarea acestor lucruri.

Fizicienii folosesc de obicei convenții uniforme pentru a reprezenta cantitățile din prima lege a termodinamicii. Sunt:

• U1 (sau Ui) = energia internă inițială la începutul procesului
• U2 (sau Uf) = energia internă finală la sfârșitul procesului
• delta-U = U2 - U1 = Schimbare de energie internă (utilizată în cazurile în care specificul energiilor interne de început și de încheiere sunt irelevante)
• Q = căldură transferată în (Q > 0) sau în afara (Q <0) sistemul
• W = muncă efectuat de sistem (W > 0) sau pe sistem (W < 0).

Aceasta dă o reprezentare matematică a primei legi care se dovedește foarte utilă și poate fi rescrisă în câteva moduri utile:

Analiza unui proces termodinamic, cel puțin în cadrul unei situații de clasă de fizică, implică, în general, analiza unei situații în care una dintre aceste cantități este 0 sau cel puțin controlabilă într-un mod rezonabil. De exemplu, într-un an proces adiabatic, transferul de căldură (Q) este egal cu 0 în timp ce în an proces izooric munca (W) este egal cu 0.

prima lege a termodinamicii este văzută de mulți drept fundamentul conceptului de conservare a energiei. Practic, spune că energia care intră într-un sistem nu se poate pierde pe parcurs, ci trebuie folosită pentru a face ceva... în acest caz, fie schimbați energia internă, fie efectuați lucrări.

În această privință, prima lege a termodinamicii este unul dintre cele mai vaste concepte științifice descoperite vreodată.

A doua lege a termodinamicii: A doua lege a termodinamicii este formulată în mai multe moduri, așa cum va fi abordată în scurt timp, dar este practic o lege care - spre deosebire de majoritatea celorlalte legi din fizică - nu se ocupă de cum să faci ceva, ci mai degrabă se ocupă cu plasarea unei restricții la ceea ce poate fi Terminat.

Este o lege care spune că natura ne constrânge să obținem anumite tipuri de rezultate fără să punem multă muncă și, ca atare, este strâns legată de concept de conservare a energiei, la fel cum este prima lege a termodinamicii.

În aplicațiile practice, această lege înseamnă că orice motor termic sau un dispozitiv similar bazat pe principiile termodinamicii nu poate, chiar și în teorie, să fie eficient 100%.

Acest principiu a fost iluminat pentru prima dată de fizicianul și inginerul francez Sadi Carnot, pe măsură ce el a dezvoltat-o Ciclul Carnot motor în 1824 și ulterior a fost oficializat ca lege a termodinamicii de fizicianul german Rudolf Clausius.

A doua lege a termodinamicii este poate cea mai populară în afara domeniului fizicii, deoarece este strâns legată de conceptul de entropie sau tulburarea creată în timpul unui proces termodinamic. Reformulată ca o declarație cu privire la entropie, a doua lege prevede:

În orice sistem închis, cu alte cuvinte, de fiecare dată când un sistem trece printr-un proces termodinamic, sistemul nu se poate întoarce complet la exact aceeași stare în care se afla înainte. Aceasta este o definiție folosită pentru săgeata timpului întrucât entropia universului va crește întotdeauna în timp, conform celei de-a doua legi a termodinamicii.

Este imposibilă o transformare ciclică al cărui singur rezultat final este transformarea căldurii extrase dintr-o sursă care se află la aceeași temperatură pe tot parcursul lucrului. - fizicianul scoțian William Thompson (o transformare ciclică al cărei singur rezultat final este transferul căldurii dintr-un corp la o anumită temperatură într-un corp la o temperatură mai ridicată este imposibil. - Fizicianul german Rudolf Clausius

Toate formulările de mai sus ale celei de-a doua legi a termodinamicii sunt afirmații echivalente ale aceluiași principiu fundamental.

A treia lege a termodinamicii este în esență o afirmație despre capacitatea de a crea un absolut scară de temperatură, pentru care zero absolut este punctul în care energia internă a unui solid este exact 0.

Diverse surse arată următoarele trei formulări potențiale ale celei de-a treia legi a termodinamicii:

1. Este imposibil de a reduce orice sistem la zero absolut într-o serie finită de operații.
2. Entropia unui cristal perfect al unui element în forma sa cea mai stabilă tinde spre zero, deoarece temperatura se apropie de zero absolut.
3. Pe măsură ce temperatura se apropie de zero absolut, entropia unui sistem se apropie de o constantă

A treia lege înseamnă câteva lucruri și, din nou, toate aceste formulări au același rezultat, în funcție de cât luați în considerare:

Formularea 3 conține cele mai puține restricții, afirmând doar că entropia merge la o constantă. De fapt, această constantă este entropie zero (așa cum se spune în formularea 2). Cu toate acestea, datorită constrângerilor cuantice asupra oricărui sistem fizic, acesta se va prăbuși în starea sa cuantică cea mai mică, dar niciodată nu va putea reduce perfect la 0 entropie, prin urmare este imposibil de a reduce un sistem fizic la zero absolut într-un număr finit de pași (ceea ce ne produce formularea 1).