Preskúmajte tri termodynamické zákony

Vedecké odvetvie zvané termodynamika sa zaoberá systémami, ktoré sú schopné prenášať termálna energia do najmenej jednej inej formy energie (mechanická, elektrická atď.) alebo do práce. Zákony termodynamiky boli vyvinuté v priebehu rokov ako niektoré z najzákladnejších pravidiel, ktoré sa dodržiavajú pri termodynamickom systéme prostredníctvom nejakej zmeny energie.

História termodynamiky sa začína u Otta von Guerickeho, ktorý v roku 1650 postavil prvé vákuové čerpadlo na svete a pomocou magdeburských hemisfér preukázal vákuum. Guericke bol nútený vyvinúť vákuum, aby vyvrátil Aristotelovu dlhodobú domnienku, že „príroda odsáva vákuum“. Krátko po Guericke sa anglický fyzik a chemik Robert Boyle dozvedel o Guerickeho dizajne av roku 1656 v koordinácii s anglickým vedcom Robertom Hookem zostavil vzduchové čerpadlo. Pomocou tohto čerpadla si Boyle a Hooke všimli koreláciu medzi tlakom, teplotou a objemom. Časom bol sformulovaný Boyleov zákon, ktorý hovorí, že tlak a objem sú nepriamo úmerné.

termodynamické zákony bývajú pomerne ľahké uviesť a pochopiť... natoľko, že je ľahké podceniť dosah, ktorý majú. Okrem iného kladú obmedzenia v tom, ako sa dá energia využívať vo vesmíre. Bolo by veľmi ťažké zdôrazniť, aký dôležitý je tento pojem. Dôsledky termodynamických zákonov sa nejakým spôsobom dotýkajú takmer všetkých aspektov vedeckého bádania.

Aby sme pochopili zákony termodynamiky, je nevyhnutné porozumieť niektorým iným termodynamickým konceptom, ktoré sa ich týkajú.

• Prehľad termodynamiky - prehľad základných princípov v oblasti termodynamiky
• Tepelná energia - základné vymedzenie tepelnej energie
• teplota - základnú definíciu teploty
• Úvod do prenosu tepla - vysvetlenie rôznych metód prenosu tepla.
• Termodynamické procesy - zákony termodynamiky sa väčšinou vzťahujú na termodynamické procesy, keď termodynamický systém prechádza nejakým druhom prenosu energie.

Štúdium tepla ako osobitnej formy energie sa začalo približne v roku 1798, keď sir Benjamin Thompson (známy tiež ako Gróf Rumford), britský vojenský inžinier, si všimol, že teplo by sa mohlo vytvárať úmerne k množstvu práce hotový... základný pojem, ktorý by sa nakoniec stal dôsledkom prvého zákona o termodynamike.

Francúzsky fyzik Sadi Carnot najprv formuloval základný princíp termodynamiky v roku 1824. Princípy, ktoré Carnot použil na definovanie svojho Carnotov cyklus tepelný motor by sa nakoniec premietol do druhého zákona o termodynamike nemeckého fyzika Rudolfu Clausiusovi, ktorému sa často pripisuje aj formulácia prvého zákona z roku 1968 termodynamika.

Súčasťou dôvodu rýchleho rozvoja termodynamiky v devätnástom storočí bola potreba vyvinúť efektívne parné stroje počas priemyselnej revolúcie.

Zákony termodynamiky sa osobitne nezaoberajú konkrétnym spôsobom a prečo prenosu tepla, čo dáva zmysel zákonom, ktoré boli sformulované pred úplným prijatím atómovej teórie. Zaoberajú sa celkovým súčtom prechodov energie a tepla v systéme a nezohľadňujú špecifickú povahu prenosu tepla na atómovej alebo molekulárnej úrovni.

toto zákon nulový je druh tranzitívnej vlastnosti tepelnej rovnováhy. Transitívna vlastnosť matematiky hovorí, že ak A = B a B = C, potom A = C. To isté platí pre termodynamické systémy, ktoré sú v tepelnej rovnováhe.

Jedným z dôsledkov nulového zákona je myšlienka, že meranie teplota má vôbec nejaký význam. Na meranie teploty tepelná rovnováha sa musí dosiahnuť medzi teplomerom ako celkom, ortuťou vo vnútri teplomeru a meranou látkou. Výsledkom toho je, že je možné presne povedať, aká je teplota látky.

Tento zákon bol chápaný bez toho, aby bol výslovne uvedený v histórii termodynamiky štúdie a bolo si uvedomené, že to bol zákon sám o sebe začiatkom 20. storočia storočia. Bol to britský fyzik Ralph H. Fowler, ktorý ako prvý razil termín „nula zákona“, vychádzal z presvedčenia, že je dokonca zásadnejší ako iné zákony.

Aj keď to môže znieť komplexne, je to naozaj veľmi jednoduchý nápad. Ak do systému pridáte teplo, môžete urobiť iba dve veci - zmeniť vnútorná energia systému alebo spôsobiť, že systém bude pracovať (alebo, samozrejme, nejaká kombinácia oboch). Všetka tepelná energia musí ísť do týchto vecí.

Fyzici obvykle používajú rovnaké konvencie na znázornenie veličín v prvom termodynamickom zákone. Oni sú:

• U1 (alebo Ui) = počiatočná vnútorná energia na začiatku procesu
• U2 (alebo Uf) = konečná vnútorná energia na konci procesu
• deltaU = U2 - U1 = Zmena vnútornej energie (používa sa v prípadoch, keď špecifiká počiatočnej a konečnej vnútornej energie nie sú relevantné)
• Q = teplo prenášané do (Q > 0) alebo z (Q <0) systém
• W = práca vykonáva systém (W > 0) alebo v systéme (W < 0).

To vedie k matematickému znázorneniu prvého zákona, ktorý sa ukazuje ako veľmi užitočný a môže sa prepísať niekoľkými užitočnými spôsobmi:

Analýza a termodynamický proces, aspoň v situácii fyzickej triedy, všeobecne zahŕňa analýzu situácie, keď jedna z týchto veličín je buď 0 alebo aspoň kontrolovateľná primeraným spôsobom. Napríklad v adiabatický proces, prenos tepla (Q) sa rovná 0, zatiaľ čo v izochorický proces práca (W) sa rovná 0.

prvý zákon Termodynamika je mnohými vnímaná ako základ koncepcie zachovania energie. V zásade sa hovorí, že energia, ktorá prechádza do systému, sa nemôže stratiť, ale musí sa použiť na niečo... v takom prípade zmeňte vnútornú energiu alebo vykonajte prácu.

Z tohto pohľadu je prvý zákon termodynamiky jedným z najrozsiahlejších vedeckých konceptov, aké boli kedy objavené.

Druhý termodynamický zákon: Druhý termodynamický zákon je formulovaný mnohými spôsobmi, ako sa bude zaoberať v krátkom čase, ale v podstate je to zákon ktoré sa na rozdiel od väčšiny ostatných fyzikálnych zákonov nezaoberajú tým, ako niečo urobiť, ale skôr sa zaoberajú výlučne obmedzením toho, čo môže byť hotový.

Je to zákon, ktorý hovorí, že príroda nás obmedzuje v dosahovaní určitých druhov výsledkov bez toho, aby do toho vynaložila veľa práce, a ako taká je úzko spätá s koncept šetrenia energie, rovnako ako prvý zákon o termodynamike.

V praktických aplikáciách tento zákon znamená, že každý tepelný motor alebo podobné zariadenie založené na princípoch termodynamiky nemôže byť ani teoreticky 100% efektívne.

Tento princíp bol prvýkrát osvetlený francúzskym fyzikom a inžinierom Sadi Carnotom Carnotov cyklus v roku 1824 bol neskôr formalizovaný ako zákon termodynamiky Nemecký fyzik Rudolf Clausius.

Druhý zákon termodynamiky je pravdepodobne najobľúbenejší mimo sféry fyziky, pretože úzko súvisí s konceptom entropia alebo porucha vzniknutá počas termodynamického procesu. Druhý zákon, preformulovaný ako vyhlásenie týkajúce sa entropie, znie:

Inými slovami, zakaždým, keď systém prechádza termodynamickým procesom, systém sa nikdy nemôže úplne vrátiť do rovnakého stavu, v akom bol predtým. Toto je jedna definícia používaná pre šípka času pretože entropia vesmíru sa bude v priebehu času vždy zvyšovať podľa druhého termodynamického zákona.

Cyklická transformácia, ktorej jediným konečným výsledkom je premena tepla získaného zo zdroja, ktorý je počas celej teploty na rovnakú teplotu, je nemožná. - škótsky fyzik William Thompson (Cyklická transformácia, ktorej jediným konečným výsledkom je prenos tepla z tela pri danej teplote do tela pri vyššej teplote, je nemožná. - nemecký fyzik Rudolf Clausius

Všetky vyššie uvedené formulácie druhého termodynamického zákona sú ekvivalentnými tvrdeniami toho istého základného princípu.

Tretí zákon termodynamiky je v podstate vyjadrením o schopnosti vytvoriť absolútny teplotná stupnica, pre ktorú absolútna nula je bod, v ktorom vnútorná energia pevnej látky je presne 0.

Rôzne zdroje ukazujú nasledujúce tri potenciálne formulácie tretieho termodynamického zákona:

1. V konečnej sérii operácií nie je možné zredukovať akýkoľvek systém na absolútnu nulu.
2. Entropia dokonalého kryštálu prvku v jeho najstabilnejšej forme má sklon k nule, keď sa teplota blíži absolútnej nule.
3. Keď sa teplota blíži absolútnej nule, entropia systému sa blíži konštante

Tretí zákon znamená niekoľko vecí a opäť všetky tieto formulácie vedú k rovnakému výsledku v závislosti od toho, koľko beriete do úvahy:

Prípravok 3 obsahuje najmenšie obmedzenia, iba uvádza, že entropia ide do konštanty. V skutočnosti je touto konštantou nulová entropia (ako je uvedené vo formulácii 2). Kvôli kvantovým obmedzeniam na akomkoľvek fyzickom systéme sa však zrúti do svojho najmenšieho kvantového stavu, ale nikdy nebude schopný dokonale znížiť na 0 entropiu, preto nie je možné redukovať fyzický systém na absolútnu nulu v konečnom počte krokov (čo nám dáva formuláciu 1).