Tutustu termodynamiikan kolmeen lakiin

Tieteen osa nimeltään termodynamiikka käsittelee järjestelmiä, jotka pystyvät siirtämään lämpöenergia ainakin yhteen muuhun energiamuotoon (mekaaninen, sähköinen jne.) tai työhön. Termodynamiikan lait kehitettiin vuosien varrella tärkeimpiä sääntöjä, joita noudatetaan, kun termodynaaminen järjestelmä menee jonkinlaisen energianmuutoksen kautta.

Termodynamiikan historia alkaa Otto von Guerickeltä, joka rakensi vuonna 1650 maailman ensimmäisen tyhjiöpumpun ja esitteli tyhjöä Magdeburgin pallonpuoliskoillaan. Guericke ajettiin tekemään tyhjiö kumotakseen Aristoteleen pitkään pitämää olettamaa, jonka mukaan luonto on tyhjiö. Pian Guericken jälkeen englantilainen fyysikko ja kemisti Robert Boyle oli oppinut Guericken suunnitelmista ja rakensi vuonna 1656 yhteistyössä englantilaisen tiedemiehen Robert Hooken kanssa ilmapumpun. Tätä pumppua käyttämällä Boyle ja Hooke havaitsivat korrelaation paineen, lämpötilan ja tilavuuden välillä. Ajan myötä Boylen laki muotoiltiin, jonka mukaan paine ja tilavuus ovat kääntäen verrannollisia.

termodynamiikan lait yleensä melko helppo ilmaista ja ymmärtää... niin paljon, että on helppo aliarvioida heidän vaikutuksiaan. He asettavat muun muassa rajoituksia energian käytölle maailmankaikkeudessa. Olisi erittäin vaikea korostaa liikaa tämän käsitteen merkitystä. Termodynamiikkalakien vaikutukset vaikuttavat jollain tavalla melkein kaikkiin tieteellisiin tutkimuksiin.

Termodynamiikan lakien ymmärtämiseksi on välttämätöntä ymmärtää joitain muita niihin liittyviä termodynamiikan käsitteitä.

• Termodynamiikan yleiskatsaus - yleiskatsaus termodynamiikan alan perusperiaatteisiin
• Lämpöenergia - lämpöenergian perusmääritelmä
• Lämpötila - lämpötilan perusmääritelmä
• Johdanto lämmönsiirtoon - selitys eri lämmönsiirtomenetelmistä.
• Termodynaamiset prosessit - termodynaamisia lakeja sovelletaan enimmäkseen termodynaamisiin prosesseihin, kun termodynaaminen järjestelmä käy läpi jonkinlaisen energisen siirron.

Lämmön tutkimus erillisenä energiamuotona alkoi noin vuonna 1798, kun Sir Benjamin Thompson (tunnetaan myös nimellä Kreivi Rumford), brittiläinen sotilasinsinööri, huomasi, että lämpöä voitaisiin tuottaa suhteessa työn määrään tehty... peruskonsepti, josta tulee lopulta termodynamiikan ensimmäinen laki.

Ranskalainen fyysikko Sadi Carnot muotoili ensin termodynamiikan perusperiaatteen vuonna 1824. Periaatteet, joita Carnot määritteli hänen Carnot sykli lämpömoottori kääntäisi lopulta saksan fyysikon termodynamiikan toiseen lakiin Rudolf Clausius, jota hyvitetään usein myös ensimmäisen lain laatimisessa termodynamiikka.

Yksi syy termodynamiikan nopeaan kehitykseen 1800-luvulla oli tarve kehittää tehokkaita höyrykoneita teollisen vallankumouksen aikana.

Termodynamiikan lait eivät erityisesti koske sitä, miten ja miksi lämmönsiirrosta, mikä on järkevää laille, jotka muotoiltiin ennen atomiteorian täysin hyväksymistä. Ne käsittelevät energian ja lämmönsiirtymien kokonaismäärää järjestelmässä eivätkä ota huomioon lämmönsiirron erityisluonnetta atomi- tai molekyylitasolla.

Tämä nolla laki on eräänlainen lämpötasapainon transitiivinen ominaisuus. Matematiikan transitiivinen ominaisuus sanoo, että jos A = B ja B = C, niin A = C. Sama pätee termodynaamisiin järjestelmiin, jotka ovat lämpötasapainossa.

Yksi nollalain seuraus on ajatus, että mittaus lämpötila on mitään merkitystä. Lämpötilan mittaamiseksi lämpötasapaino on saavutettava koko lämpömittarin, lämpömittarin sisällä olevan elohopean ja mitattavan aineen välillä. Tämä puolestaan ​​johtaa siihen, että pystytään tarkkaan kertomaan, mikä on aineen lämpötila.

Tämä laki ymmärrettiin ilman, että sitä olisi ilmaistu nimenomaisesti läpi suuren osan termodynamiikan historiasta tutkimuksen, ja selvisi vasta, että se oli itsenäinen laki 20. vuosisadan alussa luvulla. Se oli brittiläinen fyysikko Ralph H. Fowler, joka ensin loi termin "nollalaki", perustui uskoon, että se oli perusteellisempi jopa muut lait.

Vaikka tämä saattaa kuulostaa monimutkaiselta, se on todella yksinkertainen idea. Jos lisäät järjestelmään lämpöä, voidaan tehdä vain kaksi asiaa - vaihtaa sisäinen energia tai aiheuttaa järjestelmän toimimaan (tai tietysti näiden kahden yhdistelmä). Kaikkien lämpöenergian täytyy mennä näiden toimien tekemiseen.

Fyysikot käyttävät tyypillisesti yhtenäisiä tapoja edustaa määriä termodynamiikan ensimmäisessä laissa. He ovat:

• U1 (tai Ui) = alkuperäinen sisäinen energia prosessin alussa
• U2 (tai Uf) = lopullinen sisäinen energia prosessin lopussa
• delta-U = U2 - U1 = Sisäisen energian muutos (käytetään tapauksissa, joissa alkavien ja päättyvien sisäisten energioiden spesifikaatiot eivät ole merkityksellisiä)
• Q = lämpö siirtyy (Q > 0) tai pois (Q <0) järjestelmä
• W = työ järjestelmän suorittama (W > 0) tai järjestelmässä (W < 0).

Tämä antaa matemaattisen esityksen ensimmäisestä laista, joka osoittautuu erittäin hyödylliseksi ja voidaan kirjoittaa uudelleen muutamalla hyödyllisellä tavalla:

A termodynaaminen prosessi, ainakin fysiikan luokkahuoneessa, yleensä analysoidaan tilanne, jossa yksi näistä määristä on joko 0 tai ainakin kohtuudella hallittavissa. Esimerkiksi adiabaattinen prosessi, lämmönsiirto (Q) on yhtä suuri kuin 0, kun isohorinen prosessi työ (W) on yhtä suuri kuin 0.

ensimmäinen laki termodynamiikan näkökulmasta monet pitävät perustana energiansäästökäsitettä. Periaatteessa sanotaan, että järjestelmään menevää energiaa ei voida kadottaa matkalla, vaan se on käytettävä tekemään jotain... tässä tapauksessa joko vaihda sisäinen energia tai suorita työ.

Tässä mielessä termodynamiikan ensimmäinen laki on kaikkein kauaskantoisin tieteelliset käsitteet, jotka koskaan on löydetty.

Termodynamiikan toinen laki: Termodynamiikan toinen laki on muotoiltu monin tavoin, kuten käsitellään pian, mutta se on pohjimmiltaan laki joka - toisin kuin useimmat muut fysiikan lait - ei käsittele miten tehdä jotain, vaan käsittelee kokonaan rajoitusta asettamiselle mitä tehty.

Se on laki, jonka mukaan luonto estää meitä saamasta tietyntyyppisiä tuloksia asettamatta siihen paljon työtä, ja sellaisena se on myös tiiviisti sidoksissa energiansäästön käsite, aivan kuin termodynamiikan ensimmäinen laki on.

Käytännöllisissä sovelluksissa tämä laki tarkoittaa mitä tahansa lämpömoottori tai vastaava termodynamiikan periaatteisiin perustuva laite ei voi edes teoriassa olla 100% tehokasta.

Ranskan fyysikko ja insinööri Sadi Carnot valaisi tämän periaatteen ensin kehittäessään Carnot sykli moottori vuonna 1824, ja myöhemmin virallistettiin termodynamiikan laki kirjoittanut saksalainen fyysikko Rudolf Clausius.

Termodynamiikan toinen laki on kenties suosituin fysiikan ulkopuolella, koska se liittyy läheisesti käsitteeseen haje tai termodynaamisen prosessin aikana syntynyt häiriö. Toinen laki, joka muotoillaan entropiaa koskevaksi lausunnoksi, kuuluu seuraavasti:

Missä tahansa suljetussa järjestelmässä, toisin sanoen, joka kerta kun järjestelmä käy läpi termodynaamisen prosessin, järjestelmä ei voi koskaan palata täysin täsmälleen samaan tilaan kuin se oli ennen. Tämä on yksi määritelmä, jota käytetään ajan nuoli koska maailmankaikkeuden entropia kasvaa aina ajan myötä termodynamiikan toisen lain mukaan.

Syklinen muuntaminen, jonka ainoana lopputuloksena on muuttaa lämpötila, joka on uutettu lähteestä, joka on koko lämpötilassa, on mahdotonta. - Skotlantilainen fyysikko William Thompson (Syklinen muutos, jonka ainoa lopputulos on lämmön siirtäminen ruumiista tietyssä lämpötilassa kehoon korkeammassa lämpötilassa, on mahdotonta. - saksalainen fyysikko Rudolf Clausius

Kaikki yllä olevat termodynamiikan toisen lain formulaatiot ovat saman perusperiaatteen vastaavia lausuntoja.

Kolmas termodynamiikan laki on pohjimmiltaan lausunto kyvystä luoda absoluuttinen lämpötila-asteikko, jolle absoluuttinen nolla on piste, jossa kiinteän aineen sisäinen energia on tarkalleen 0.

Eri lähteet esittävät seuraavia kolmea termodynamiikan lain kolmea potentiaalista formulaatiota:

1. Mitään järjestelmää ei voida alentaa absoluuttiseen nollaan rajallisissa operaatiosarjoissa.
2. Elementin täydellisen kideen entropia vakaimmassa muodossaan on nolla lämpötilan lähestyessä absoluuttista nollaa.
3. Kun lämpötila lähestyy absoluuttista nollaa, järjestelmän entropia lähestyy vakiona

Kolmas laki tarkoittaa muutamia asioita, ja taas nämä kaikki formulaatiot johtavat samaan lopputulokseen riippuen siitä, kuinka paljon otat huomioon:

Formulaatio 3 sisältää vähiten rajoituksia, vain sanomalla, että entropia menee vakioon. Itse asiassa tämä vakio on nolla entropia (kuten formulaatiossa 2 todetaan). Minkä tahansa fysikaalisen järjestelmän kvanttirajoitteiden vuoksi se kuitenkin romahtaa alimpaan kvantitilaansa, mutta ei koskaan pysty täysin vähentämään sitä 0-entropiaan, siksi on mahdotonta pienentää fyysistä järjestelmää absoluuttiseen nollaan rajallisessa määrässä vaiheita (mikä antaa meille formulaation 1).