Tutvuge termodünaamika kolme seadusega

Teaduse haru nimetati termodünaamika tegeleb süsteemidega, mida on võimalik edastada soojusenergia vähemalt ühte muusse energiavormi (mehaaniline, elektriline jne) või tööle. Termodünaamika seadused töötati aastate jooksul välja kui mõned kõige põhilisemad reeglid, mida termodünaamilise süsteemi käimisel järgitakse läbi mingisuguse energiamuutuse.

Termodünaamika ajalugu algab Otto von Guericke'ist, kes ehitas 1650. aastal maailma esimese vaakumpumba ja demonstreeris vaakumit oma Magdeburgi poolkerade abil. Guericke ajendati tegema vaakumit, et kummutada Aristotelese kauaaegne väide, et „loodus hoiab vaakumit”. Vahetult pärast Guericke oli inglise füüsik ja keemik Robert Boyle õppinud Guericke kavanditest ja ehitas 1656. aastal koostöös inglise teadlase Robert Hookega õhupumba. Seda pumpa kasutades märkasid Boyle ja Hooke seost rõhu, temperatuuri ja mahu vahel. Aja jooksul sõnastati Boyle'i seadus, mis väidab, et rõhk ja maht on pöördvõrdelised.

termodünaamika seadused kipub olema üsna lihtne sõnastada ja aru saada... nii palju, et nende mõju on lihtne alahinnata. Muu hulgas seavad nad piirangud sellele, kuidas energiat saab universumis kasutada. Selle kontseptsiooni olulisust oleks väga raske üle rõhutada. Termodünaamika seaduste tagajärjed puudutavad mingil moel peaaegu kõiki teadusuuringute aspekte.

Termodünaamika seaduste mõistmiseks on oluline mõista mõnda muud nendega seotud termodünaamika mõistet.

• Termodünaamika ülevaade - ülevaade termodünaamika valdkonna põhiprintsiipidest
• Soojusenergia - soojusenergia põhimääratlus
• Temperatuur - temperatuuri põhimääratlus
• Sissejuhatus soojusülekandesse - erinevate soojusülekande meetodite selgitus.
• Termodünaamilised protsessid - termodünaamika seadused kehtivad enamasti termodünaamilistele protsessidele, kui termodünaamiline süsteem läbib mingisuguse energeetilise ülekande.

Soojuse kui energia erivormi uurimine algas umbes 1798. aastal, kui Sir Benjamin Thompson (tuntud ka kui Krahv Rumford), Briti sõjaväeinsener, märkas, et soojust saab toota võrdeliselt töö mahuga tehtud... põhikontseptsioon, mis saab lõpuks termodünaamika esimese seaduse tagajärjeks.

Prantsuse füüsik Sadi Carnot sõnastas 1824. aastal termodünaamika põhiprintsiibi. Põhimõtted, mida Carnot määratles oma Carnot tsükkel soojusmootor tõlgiks lõppkokkuvõttes saksa füüsiku poolt termodünaamika teiseks seaduseks Rudolf Clausius, keda tunnustatakse sageli ka esimese seaduse sõnastamisega termodünaamika.

Termodünaamika kiire arengu üheks põhjuseks XIX sajandil oli vajadus töötada välja tõhusad aurumasinad tööstusrevolutsiooni ajal.

Termodünaamika seadused ei puuduta eriti seda, kuidas ja miks soojusülekandest, mis on mõttekas seaduste jaoks, mis sõnastati enne aatomiteooria täielikku vastuvõtmist. Need käsitlevad süsteemis energia ja soojusenergia üleminekute summat ega võta arvesse soojusülekande eripära aatomi või molekuli tasandil.

See null seadus on termilise tasakaalu omamoodi transitiivne omadus. Matemaatika transitiivne omadus ütleb, et kui A = B ja B = C, siis A = C. Sama kehtib termodünaamiliste süsteemide kohta, mis on termilises tasakaalus.

Nullpunkti seaduse üks tagajärg on idee, et mõõtmine temperatuur sellel on mingisugune tähendus. Temperatuuri mõõtmiseks termiline tasakaal tuleb saavutada termomeetri kui terviku, termomeetri sees oleva elavhõbeda ja mõõdetava aine vahel. See omakorda annab tulemuseks võimaluse täpselt öelda, milline on aine temperatuur.

Seda seadust mõisteti ilma, et seda oleks termodünaamika ajaloo jooksul selgesõnaliselt öeldud uurimist ja alles 20. sajandi alguses saadi aru, et see on omaette seadus sajandil. See oli Briti füüsik Ralph H. Fowler, kes esmakordselt lõi mõiste "null seadus", tuginedes veendumusele, et see on põhimõttelisem isegi kui teised seadused.

Ehkki see võib tunduda keeruline, on see tõesti väga lihtne idee. Kui lisate süsteemile soojuse, saab teha ainult kahte asja - muuta sisemine energia või põhjustada süsteemi töö (või muidugi nende kahe kombinatsiooni). Kogu soojusenergia peab nende asjade tegemiseks kuluma.

Füüsikud kasutavad tavaliselt termodünaamika esimeses seaduses koguste esitamiseks ühtseid meetodeid. Nemad on:

• U1 (või Ui) = esialgne sisemine energia protsessi alguses
• U2 (või Uf) = lõplik sisemine energia protsessi lõpus
• delta-U = U2 - U1 = sisemise energia muutus (kasutatakse juhtudel, kui sisemise energia alguse ja lõpu eripärad pole olulised)
• Q = soojus, mis kantakse üle (Q > 0) või (Q <0) süsteem
• W = töö teostab süsteem (W > 0) või süsteemis (W < 0).

See annab esimese seaduse matemaatilise esituse, mis on osutunud väga kasulikuks ja mida saab ümber kirjutada paaril kasulikul viisil:

A analüüs termodünaamiline protsesshõlmab vähemalt füüsika klassiruumis üldiselt olukorra analüüsimist, kus üks neist suurustest on kas 0 või vähemalt mõistlikul viisil kontrollitav. Näiteks adiabaatiline protsess, soojusülekanne (Q) võrdub an-is 0-ga isohooriline protsess töö (W) on võrdne 0-ga.

esimene seadus termodünaamika teemasid peavad paljud energia säästmise kontseptsiooni alustalaks. Põhimõtteliselt öeldakse, et süsteemi sisenevat energiat ei saa teel kaotada, vaid seda tuleb kasutada millegi tegemiseks... sel juhul muutke kas sisemine energia või tehke tööd.

Sellest seisukohast lähtudes on termodünaamika esimene seadus üks kaugeleulatuvamaid teaduslikke kontseptsioone, mida eales avastatud.

Termodünaamika teine ​​seadus: Termodünaamika teine ​​seadus on sõnastatud mitmel viisil, nagu käsitletakse varsti, kuid põhimõtteliselt on see seadus mis - erinevalt enamikust teistest füüsikaseadustest - ei käsitle mitte seda, kuidas midagi teha, vaid tegeleb täielikult piirangu kehtestamisega sellele, mis võib olla tehtud.

See on seadus, mis ütleb, et loodus takistab meil teatud tüüpi tulemuste saavutamisest ilma palju tööd tegemata ning on seetõttu tihedalt seotud ka energiasäästu kontseptsioon, sama palju kui termodünaamika esimene seadus on.

Praktilistes rakendustes tähendab see seadus, et ükskõik mida soojusmootor või muu sarnane termodünaamika põhimõtetel põhinev seade ei saa isegi teoorias olla 100% efektiivne.

Seda põhimõtet valgustas esmakordselt Prantsuse füüsik ja insener Sadi Carnot Carnot tsükkel mootor 1824. aastal ja hiljem vormistati kui termodünaamika seadus autor Saksa füüsik Rudolf Clausius.

Termodünaamika teine ​​seadus on võib-olla kõige populaarsem väljaspool füüsika valdkonda, kuna see on tihedalt seotud entroopia või termodünaamilise protsessi käigus tekkinud häire. Entroopia kohta ümber sõnastatud teise seaduse sõnastus on järgmine:

Mis tahes suletud süsteemis, teisisõnu, iga kord, kui süsteem läbib termodünaamilise protsessi, ei saa süsteem kunagi täielikult naasta täpselt samasse olekusse, nagu ta oli enne. See on üks määratluses kasutatud mõiste aja nool kuna vastavalt termodünaamika teisele seadusele kasvab universumi entroopia aja jooksul alati.

Tsükliline muundamine, mille ainus lõpptulemus on kogu temperatuuril samal temperatuuril allikast eraldatud soojuse muundamine tööks, on võimatu. - Šoti füüsik William Thompson (tsükliline muundamine, mille ainus lõpptulemus on soojuse ülekandmine kehast antud temperatuuril kehasse kõrgemal temperatuuril, on võimatu. - Saksa füüsik Rudolf Clausius

Kõik ülaltoodud teise termodünaamika seaduse sõnastused on sama aluspõhimõtte samaväärsed avaldused.

Termodünaamika kolmas seadus on sisuliselt avaldus võime kohta luua absoluutne temperatuuriskaala, mille jaoks absoluutne null on punkt, kus tahke aine sisemine energia on täpselt 0.

Erinevad allikad näitavad termodünaamika kolmanda seaduse kolme potentsiaalset koostist:

1. Ükski süsteem on piiratud toimingute seerias võimatu taandada absoluutse nullini.
2. Elemendi kõige stabiilsema kujuga täiusliku kristalli entroopia kaldub temperatuurile lähenedes absoluutsele nullile nulli.
3. Temperatuuri lähenedes absoluutsele nullile läheneb süsteemi entroopia konstandile

Kolmas seadus tähendab mõnda asja ja jällegi annavad kõik need sõnastused sama tulemuse sõltuvalt sellest, kui palju te arvesse võtate:

Preparaat 3 sisaldab kõige vähem piiranguid, öeldes vaid, et entroopia läheb konstandiks. Tegelikult on see konstant null-entroopia (nagu on öeldud formulatsioonis 2). Mis tahes füüsilise süsteemi kvantpiirangute tõttu variseb see madalaimasse kvantolekusse, kuid ei suuda seda kunagi ideaalselt vähendada kuni 0 entroopia, seetõttu on võimatu füüsilist süsteemi taandada absoluutse nullini lõpliku arvu sammudega (mis annab meile formuleerimise 1).