Termodynamiikan lait
Selitämme sinulle, mitkä ovat termodynamiikan lait, mikä on näiden periaatteiden lähtökohta ja kunkin perusominaisuudet.
Mitkä ovat termodynamiikan lait?
Kun puhumme termodynamiikan laeista tai termodynamiikan periaatteista, tarkoitamme tämän fysiikan haarojen alkeellisimpia formulaatioita, jotka ovat kiinnostuneita nimensä perusteella (kreikan kielestä) termos, kalor, ja dynos, voima, voima ) dynamiikassa lämpöä ja muita tunnetun energian muotoja.
Nämä termodynamiikan lait tai periaatteet ovat joukko kaavoja ja yhtälöitä, jotka kuvaavat ns. Termodynaamisten järjestelmien, toisin sanoen maailmankaikkeuden osan, joka on teoreettisesti eristetty käyttäytymistä sen tutkiminen ja ymmärtäminen fyysisiä perusmääriä käyttämällä: lämpötila, energia ja entropia.
Termodynaamisia lakeja on neljä, jotka on lueteltu nollasta kolmeen ja joiden tarkoituksena on ymmärtää maailmankaikkeuden fyysisiä lakeja sekä tiettyjen ilmiöiden, kuten ikuisen liikkeen, mahdotonta mahdolli suutta.
Katso myös: Energiansäästöperiaate.
Termodynamiikan lakien alkuperä
Termodynamiikan neljällä periaatteella on erilaiset lähtökohdat, ja jotkut niistä on muotoiltu aikaisemmista . Ensimmäinen, joka perustettiin, oli itse asiassa toinen, ranskalaisen fyysikon ja insinöörin Nicol Licolson Sadi Carnotin työ vuonna 1824.
Kuitenkin vuonna 1860 Rudolf Clausius ja William Thompson muotoilivat tämän periaatteen uudelleen ja lisäävät sitten sen, mitä me nyt kutsumme termodynamiikan ensimmäiseksi lakiksi. Myöhemmin kolmas, nykyaikaisempi, ilmestyy Walther Nernstin vuosien 1906 ja 1912 tutkimusten ansiosta, minkä vuoksi hänet tunnetaan Nernstin postulaattina.
Viimeinkin Guggenheimin ja Fowlerin ehdottama kutsu nolla tulee näkyviin vuonna 1930 . On sanottava, että sitä ei tunnusteta kaikilla aloilla todelliseksi lakiksi.
Termodynamiikan ensimmäinen laki
Tämän lain otsikko on "energiansäästölaki", koska se sanoo, että kaikissa ympäristöistä eristetyissä fyysisissä järjestelmissä energian kokonaismäärä on aina sama, vaikka se voidaan muuttaa energian muodoksi erilaisille. Tai toisin sanoen: "Energiaa ei voida luoda tai tuhota, vain muuntaa."
Siten toimittamalla fyysiseen järjestelmään tietty määrä lämpöä (Q), sen kokonaisenergiamäärä voidaan laskea löytämällä ero sen sisäisen energian (ΔU) lisäyksessä plus työ (W), jonka järjestelmä suorittaa sen ympäristössä. Tai ilmaistuna kaavalla: Q = ΔU + W, tai myös: ΔU = Q - W, mikä tarkoittaa, että järjestelmän energian ja tehdyn työn välinen ero irroitetaan järjestelmästä aina lämpöenergiana (lämpöä).
Esimerkiksi tästä laista kuvittelemme lentokoneen moottorin . Se on termodynaaminen järjestelmä, johon polttoaine menee ja joka reagoi ilman hapen ja palamisen aiheuttaman kipinän kanssa vapauttaa huomattavan määrän lämpöä ja työtä. Viimeksi mainittu on juuri liike, joka työntää koneen eteenpäin. Joten: jos voisimme mitata kulutetun polttoaineen määrän, työn (liikkeen) määrän ja vapautuneen lämmön määrän, voimme laskea järjestelmän kokonaisenergian ja päätellä, että moottorin energia pysyi vakiona lennon aikana: eikä sitä myöskään luotu eikä energiaa tuhoutunut, mutta se muutettiin kemiallisesta energiasta kalorienergiaksi ja kineettiseksi energiaksi (liike, ts. työ).
Termodynamiikan toinen laki
Tämä toinen periaate, jota joskus kutsutaan entropian lakiksi, voidaan tiivistää siten, että ”maailmankaikkeuden entropian määrällä on taipumus kasvaa ajan myötä” . Tämä tarkoittaa, että järjestelmien häiriöaste kasvaa, kun ne ovat saavuttaneet tasapainopisteen, joten riittävästi aikaa annettaessa kaikilla järjestelmillä on lopulta taipumus epätasapainoon.
Tämä laki selittää fyysisten ilmiöiden peruuttamattomuuden, toisin sanoen tosiasian, että kun paperi palataan, sitä ei voida palauttaa alkuperäiseen muotoonsa . Ja lisäksi, se esittelee entropiatilafunktion (edustatuna S: nä), joka fyysisten järjestelmien tapauksessa edustaa häiriön astetta, toisin sanoen sen väistämätöntä menetystä. energian. Siksi entropia liittyy energian määrään, jota järjestelmä ei voi käyttää, ja se häviää ympäristölle. Varsinkin jos se on muutos tasapainotilasta A tasapainotilaan B: jälkimmäisessä on korkeampi entropiaaste kuin ensimmäisessä.
Tämän lain sanamuoto vahvistaa, että entropian muutos (dS) on aina yhtä suuri tai suurempi kuin lämmönsiirto (Q) jaettuna järjestelmän lämpötilalla (T). Eli että dS Q / T.
Ja ymmärtääksesi se esimerkillä, polta vain tietty määrä ainetta ja kerää sitten syntyvät tuhkat. Punnitsemalla ne varmennamme, että se on vähemmän asia kuin alkuperäisessä tilassa. Miksi? Koska osasta ainetta tuli korjaamattomia kaasuja, joilla on taipumus hajautua ja häiriöitä, ts. Prosessissa menetettyjä. Siksi tätä reaktiota ei voida kumota.
Kolmas termodynamiikan laki
Tämä periaate koskee lämpötilaa ja jäähdytystä, todeten, että absoluuttiseen nollaan saatetun järjestelmän entroopia on varma vakio . Toisin sanoen:
- Saavuttuaan absoluuttiseen nollaan (0 K) fyysisten järjestelmien prosessit pysähtyvät.
- Kun saavutetaan absoluuttinen nolla (0 K), entropialla on vakio minimiarvo.
On vaikeaa saavuttaa ns. Absoluuttinen nolla päivittäin (-273, 15 ° C), ikään kuin antaa yksinkertainen esimerkki tästä laista. Mutta voimme rinnastaa sen siihen, mitä tapahtuu pakastimessamme: siellä talletettava ruoka jäähtyy niin paljon ja niin alhaisissa lämpötiloissa, että se hidastaa tai jopa pysäyttää biokemialliset prosessit sisällä. Tästä syystä sen hajoaminen viivästyy ja kestää paljon kauemmin sen kulutuksessa.
Termodynamiikan laki
¤ leyley zero tunnetaan tällä nimellä, koska vaikka se oli viimeinen, se asettaa perus- ja perustavanlaatuiset määräykset muista kolmesta . Mutta todellisuudessa sen nimi on termisen tasapainon laki. Tämä periaate sanelee, että: Jos kaksi järjestelmää on lämpötasapainossa itsenäisesti kolmannen järjestelmän kanssa, niiden on myös oltava niiden välisessä lämpötasapainossa. Se voidaan jotain ilmaista loogisesti seuraavasti: jos A = C ja B = C, niin A = B.
Yksinkertaisesti sanottuna tämä laki antaa meille mahdollisuuden vahvistaa lämpötilan periaate kahden eri ruumiin lämpöenergian vertailun perusteella: jos ne ovat lämpötasapainossa Kyllä, niin heillä on välttämättä sama lämpötila. Ja siksi, jos molemmat ovat lämpötasapainossa kolmannen järjestelmän kanssa, niin he ovat myös toistensa kanssa.
Jokapäiväisiä esimerkkejä tästä laista on helppo löytää. Kun joudumme kylmään tai kuumaan veteen, havaitsemme lämpötilaeron vain hetkeksi, koska kehomme tulee sitten lämpötasapainoon veden kanssa ja emme huomaa eroa enää. Se tapahtuu myös tullessamme kuumaan tai kylmään huoneeseen: huomaa lämpötila aluksi, mutta sitten lopetamme erotuksen havaitsemisen astuessaan sen kanssa lämpötasapainoon.
