prawa termodynamiki

Fizyczny

2022

Wyjaśniamy, czym są prawa termodynamiki, skąd pochodzą te zasady i jakie są główne cechy każdej z nich.

Prawa termodynamiki służą do zrozumienia fizycznych praw wszechświata.

Jakie są prawa termodynamiki?

Prawa termodynamiki (lub zasady termodynamiki) opisują zachowanie trzech podstawowych wielkości fizycznych, temperatura, ten Energia ientropia, które charakteryzują układy termodynamiczne. Termin „termodynamika” pochodzi z języka greckiego termos, Co to znaczy "ciepło", Y dynamo, Co to znaczy "zmuszać”.

Matematycznie zasady te są opisane przez: ustawić równań wyjaśniających zachowanie układów termodynamicznych, zdefiniowanych jako dowolny przedmiot badań (od a cząsteczka lub istota ludzka, dopóki atmosfera lub wrzącej wody w rondlu).

Istnieją cztery prawa termodynamiki i są one kluczowe dla zrozumienia fizycznych praw wszechświat oraz niemożność pewnych zjawisk, takich jak ruch wieczny.

Pochodzenie praw termodynamiki

Cztery zasady termodynamika Mają różne pochodzenie, a niektóre zostały sformułowane z poprzednich. W rzeczywistości pierwszym, który został ustalony, był drugi, dzieło francuskiego fizyka i inżyniera Nicolása Léonarda Sadi Carnota z 1824 roku.

Jednak w 1860 r. zasada ta została ponownie sformułowana przez Rudolfa Clausiusa i Williama Thompsona, dodając następnie to, co teraz nazywamy Pierwszym Prawem Termodynamiki. Później pojawił się trzeci, znany również jako „postulat Nersta”, ponieważ powstał dzięki badaniom Walthera Nernsta w latach 1906-1912.

Wreszcie tak zwane „prawo zerowe” pojawiło się w 1930 r., zaproponowane przez Guggenheima i Fowlera. Trzeba powiedzieć, że nie we wszystkich dziedzinach jest uznawane za prawdziwe prawo.

Pierwsza zasada termodynamiki

Energii nie można tworzyć ani niszczyć, a jedynie przekształcać.

Pierwsze prawo nazywa się „Prawem zachowania energii”, ponieważ dyktuje to w każdym przypadku system odizolowana od otoczenia, całkowita ilość energii będzie zawsze taka sama, nawet jeśli może zostać przekształcona z jednej formy energii w różne. Innymi słowy: energii nie można tworzyć ani niszczyć, a jedynie przekształcać.

Zatem dostarczając określoną ilość ciepła (Q) do układu fizycznego, jego całkowitą ilość energii można obliczyć jako dostarczone ciepło pomniejszone ostanowisko (W) wykonywane przez system na jego otoczeniu. Wyrażony wzorem: ΔU = Q - W.

Jako przykład tego prawa wyobraźmy sobie silnik samolotu. Jest to układ termodynamiczny składający się z paliwa, które reaguje chemicznie podczas procesu spalanie, uwalnia ciepło i działa (wprawiając samolot w ruch). Czyli: gdybyśmy mogli zmierzyć ilość wykonanej pracy i uwolnionego ciepła, moglibyśmy obliczyć całkowitą energię układu i stwierdzić, że energia w silniku pozostawała stała podczas lotu: energia nie została ani stworzona, ani zniszczona, raczej została zmieniona z energia chemiczna do energia kaloryczna YEnergia kinetyczna (ruch, czyli praca).

Druga zasada termodynamiki

Po upływie wystarczającego czasu wszystkie systemy w końcu będą miały tendencję do utraty równowagi.

Drugie prawo, zwane także „Prawem Entropii”, można podsumować w ten sposób, że ilość entropia we wszechświecie ma tendencję do zwiększania się pogoda. Oznacza to, że stopień nieuporządkowania układów wzrasta aż do osiągnięcia punktu równowagi, który jest stanem największego nieuporządkowania układu.

Prawo to wprowadza fundamentalne pojęcie w fizyce: pojęcie entropii (reprezentowane przez literę S), które w przypadku układów fizycznych reprezentuje stopień nieuporządkowania. Okazuje się, że w każdym fizycznym procesie, w którym zachodzi przemiana energii, pewna ilość energii nie nadaje się do użytku, czyli nie może działać. Jeśli nie możesz pracować, w większości przypadków tą energią jest ciepło. To ciepło, które uwalnia system, zwiększa nieporządek systemu, jego entropię. Entropia jest miarą nieporządku systemu.

Sformułowanie tego prawa stanowi, że zmiana entropii (dS) będzie zawsze równa lub większa niżwymiana ciepła (dQ), podzielone przez temperaturę (T) układu. Oznacza to, że: dS ≥ dQ / T.

Aby to zrozumieć na przykładzie, wystarczy spalić określoną ilość materiał a następnie zebrać powstałe popiół. Kiedy je zważymy, zweryfikujemy, że jest to mniej materii niż to, co było w stanie początkowym: część materii została zamieniona w ciepło w postaci gazy że nie mogą pracować w systemie i że przyczyniają się do jego nieporządku.

Trzecia zasada termodynamiki

Po osiągnięciu zera absolutnego procesy systemów fizycznych zatrzymują się.

Trzecie prawo mówi, że entropia układu doprowadzona do zera absolutnego będzie określoną stałą. Innymi słowy:

  • Po osiągnięciu zera absolutnego (zero w jednostkach Kelvina) procesy układów fizycznych zatrzymują się.
  • Po osiągnięciu zera absolutnego (zero w jednostkach Kelvina) entropia ma stałą wartość minimalną.

Na co dzień trudno jest osiągnąć tak zwane zero absolutne (-273,15 ° C), ale możemy pomyśleć o tym prawie analizując co dzieje się w zamrażarce: jedzenie że będziemy tam składać, zrobi się tak zimno, że procesy biochemiczne w jej wnętrzu spowolnią, a nawet zatrzymają się. Dlatego jego rozkład jest opóźniony, a jego konsumpcja na znacznie dłużej.

Zerowa zasada termodynamiki

„Prawo zerowe” jest logicznie wyrażone w następujący sposób: jeśli A = C i B = C, to A = B.

„Prawo zerowe” jest znane pod tą nazwą, chociaż działało jako ostatnie. Znany również jako Prawo równowagi termicznej, zasada ta mówi, że: „Jeżeli dwa systemy są równowaga termiczna; równowaga cieplna niezależnie z trzecim systemem, muszą również znajdować się w równowadze termicznej ze sobą ”. Można to logicznie wyrazić w następujący sposób: jeśli A = C i B = C, to A = B.

To prawo pozwala nam porównać energię cieplną trzech różnych ciał A, B i C. Jeśli ciało A jest w równowadze termicznej z ciałem C (mają tę samą temperaturę), a B również ma taką samą temperaturę jak C, wtedy A i B mają taką samą temperaturę.

Innym sposobem wyrażenia tej zasady jest twierdzenie, że kiedy dwa ciała o różnych temperaturach wchodzą w kontakt, wymieniają ciepło, aż ich temperatury się wyrównają.

Codzienne przykłady tego prawa są łatwe do znalezienia. Kiedy wejdziemy do zimnej lub gorącej wody, różnicę temperatur zauważymy dopiero w pierwszych minutach, ponieważ wtedy nasz organizm wejdzie w równowagę termiczną zWoda i nie zauważymy już różnicy. To samo dzieje się, gdy wchodzimy do gorącego lub zimnego pomieszczenia: najpierw zauważymy temperaturę, ale potem przestaniemy dostrzegać różnicę, ponieważ wejdziemy z nią w równowagę termiczną.

!-- GDPR -->