Raziščite tri zakone termodinamike

Klicala je veja znanosti termodinamika se ukvarja s sistemi, ki jih je mogoče prenesti termalna energija v vsaj eno drugo obliko energije (mehansko, električno itd.) ali v delo. Zakoni termodinamike so se skozi leta razvijali kot nekatera najosnovnejša pravila, ki jih upoštevamo, ko gre za termodinamični sistem s pomočjo neke spremembe energije.

Zgodovina termodinamike se začne z Otto von Guericke, ki je leta 1650 zgradil prvo na svetu vakuumsko črpalko in demonstriral vakuum s pomočjo svojih Magdeburških polobli. Guericke je bil prisiljen narediti vakuum, da bi oporekal Aristotelovemu dolgoročni domnevi, da "narava ne prepušča vakuuma". Kmalu po Guerickeju je angleški fizik in kemik Robert Boyle izvedel Guerickejeve zasnove in leta 1656 v sodelovanju z angleškim znanstvenikom Robertom Hookeom zgradil zračno črpalko. Boyle in Hooke sta s to črpalko opazila povezavo med tlakom, temperaturo in prostornino. Sčasoma je bil oblikovan Boyleov zakon, ki pravi, da sta pritisk in volumen obratno sorazmerna.

The zakoni termodinamike ponavadi je dokaj enostavno navesti in razumeti... toliko, da je enostavno podcenjevati njihov vpliv. Med drugim postavljajo omejitve glede uporabe energije v vesolju. Zelo težko bi bilo poudariti, kako pomemben je ta koncept. Posledice zakonov termodinamike se na nek način dotikajo skoraj vseh vidikov znanstvenega raziskovanja.

Za razumevanje zakonov termodinamike je nujno razumeti nekatere druge koncepte termodinamike, ki se nanašajo nanje.

• Pregled termodinamike - pregled osnovnih načel področja termodinamike
• Toplotna energija - osnovna opredelitev toplotne energije
• Temperatura - osnovna definicija temperature
• Uvod v prenos toplote - razlaga različnih načinov prenosa toplote.
• Termodinamični procesi - zakoni termodinamike večinoma veljajo za termodinamične procese, ko termodinamični sistem preide skozi nekakšen prenos energije.

Študij toplote kot izrazite oblike energije se je začel približno leta 1798, ko je sir Benjamin Thompson (znan tudi kot Grof Rumford), britanski vojaški inženir, je opazil, da lahko toplota nastane sorazmerno s količino dela Končano... temeljni koncept, ki bi na koncu postal posledica prvega zakona termodinamike.

Francoski fizik Sadi Carnot je prvi oblikoval osnovni princip termodinamike leta 1824. Načela, ki jih je Carnot določil Carnotov cikel toplotni motor bi nemški fizik na koncu prevedel v drugi zakon termodinamike Rudolf Clausius, ki je prav tako pogosto zaslužen za oblikovanje prvega zakona z dne termodinamika.

Del vzroka za hiter razvoj termodinamike v devetnajstem stoletju je bila potreba po razvoju učinkovitih parnih strojev med industrijsko revolucijo.

Zakoni termodinamike se ne nanašajo posebej na to, kako in zakaj prenosa toplote, kar ima smisel za zakone, ki so bili oblikovani pred popolno sprejetjem atomske teorije. Ukvarjajo se z vsoto energetskih in toplotnih prehodov znotraj sistema in ne upoštevajo posebne narave prenosa toplote na atomski ali molekularni ravni.

Tole ničelni zakon je neke vrste prehodna lastnost toplotnega ravnovesja. Prehodna lastnost matematike pravi, da če sta A = B in B = C, potem je A = C. Enako velja za termodinamične sisteme, ki so v toplotnem ravnovesju.

Posledica ničelnega zakona je ideja, da merjenje temperatura ima kakršen koli pomen. Če želite izmeriti temperaturo, toplotno ravnovesje mora biti dosežen med termometrom kot celoto, živim srebrom v termometru in snovjo, ki se meri. Posledica tega je, da lahko natančno povemo, kakšna je temperatura snovi.

Ta zakon je bil razumljen, ne da bi bil izrecno naveden v večini zgodovine termodinamike študija in ugotovili so šele, da gre za zakon sam po sebi v začetku 20. stoletja stoletja. To je bil britanski fizik Ralph H. Fowler, ki je prvič skoval izraz "ničelni zakon", je temeljil na prepričanju, da je temeljnejši celo od drugih zakonov.

Čeprav se to morda sliši zapleteno, je res zelo preprosta ideja. Če v sistem dodate toploto, je mogoče storiti samo dve stvari - spremenite notranja energija sistema ali povzroči, da sistem deluje (ali pa seveda kakšna kombinacija obeh). Vsa toplotna energija mora iti v to početje.

Fiziki običajno uporabljajo enotne konvencije za predstavljanje količin v prvem zakonu termodinamike. To so:

• U1 (oz Ui) = začetna notranja energija na začetku procesa
• U2 (oz Uf) = končna notranja energija na koncu postopka
• delta-U = U2 - U1 = Sprememba notranje energije (uporablja se v primerih, ko posebnosti začetne in končne notranje energije niso pomembne)
• V = toplota, prenesena v (V > 0) ali izven (V <0) sistem
• W = delati izvaja sistem (W > 0) ali v sistemu (W < 0).

Tako dobimo matematični prikaz prvega zakona, ki se izkaže za zelo uporabnega in ga je mogoče na novo napisati na nekaj uporabnih načinov:

Analiza a termodinamični procesvsaj v razmerah v učilnici fizike na splošno vključuje analizo situacije, ko je ena od teh količin 0 ali vsaj razumna. Na primer v an adiabatski proces, prenos toplote (V) je enak 0, medtem ko je v izohorični postopek delo (W) je enako 0.

The prvi zakon termodinamike mnogi vidijo kot temelj koncepta ohranjanja energije. V bistvu piše, da energije, ki gre v sistem, ni mogoče izgubiti na poti, ampak ga je treba uporabiti za nekaj... v tem primeru bodisi spremenite notranjo energijo bodisi opravljajte delo.

V skladu s tem stališčem je prvi zakon termodinamike eden najbolj daljnosežnih znanstvenih konceptov, kar jih je bilo kdaj koli odkritih.

Drugi zakon termodinamike: Drugi zakon termodinamike je oblikovan na več načinov, kot bomo obravnavali v kratkem, vendar je v osnovi zakon ki se - za razliko od večine drugih fizikalnih zakonov - ne ukvarja s tem, kako nekaj storiti, temveč se v celoti ukvarja s postavljanjem omejitev, kaj lahko Končano.

To je zakon, ki pravi, da nas narava omejuje pri doseganju določenih rezultatov, ne da bi vanj vložili veliko dela, zato je tesno povezan z koncept ohranjanja energije, kolikor je prvi zakon termodinamike.

V praksi uporabe ta zakon pomeni, da kateri koli toplotni motor ali podobna naprava, ki temelji na principih termodinamike, tudi v teoriji ne more biti stoodstotno učinkovita.

To načelo je najprej razkril francoski fizik in inženir Sadi Carnot, ko je razvil svoje Carnotov cikel motor leta 1824, pozneje pa formaliziran kot zakon termodinamike nemškega fizika Rudolfa Clausiusa.

Drugi zakon termodinamike je morda najbolj priljubljen zunaj področja fizike, ker je tesno povezan s konceptom entropija ali motnjo, nastalo med termodinamičnim postopkom. Drugi zakon, preoblikovan kot izjava v zvezi z entropijo, se glasi:

V katerem koli zaprtem sistemu, z drugimi besedami, sistem se vsakič, ko gre skozi termodinamični proces, ne more popolnoma vrniti v točno tisto stanje, v katerem je bil prej. To je ena definicija, ki se uporablja za puščica časa saj se bo entropija vesolja skozi čas vedno povečala po drugem zakonu termodinamike.

Ciklična transformacija, katere edini končni rezultat je pretvorba toplote, ki se pridobiva iz vira, ki je pri isti temperaturi ves čas, v delo nemogoče. - škotski fizik William Thompson (ciklična transformacija, katere edini končni rezultat je prenos toplote s telesa pri določeni temperaturi na telo pri višji temperaturi, nemogoč. - nemški fizik Rudolf Clausius

Vse zgornje formulacije drugega zakona termodinamike so enakovredne izjave istega temeljnega načela.

Tretji zakon termodinamike je v bistvu izjava o sposobnosti ustvarjanja absolutno temperaturna lestvica, za katero absolutna nič je točka, kjer je notranja energija trdne snovi natančno 0.

Različni viri kažejo naslednje tri potencialne formulacije tretjega zakona termodinamike:

1. V končnem nizu operacij ni mogoče zmanjšati nobenega sistema na absolutno ničlo.
2. Entropija popolnega kristala elementa v svoji najbolj stabilni obliki se nagiba k nič, ko se temperatura približa absolutni ničli.
3. Ko se temperatura približa absolutni ničli, se entropija sistema približa stalnici

Tretji zakon pomeni nekaj stvari in spet vse te formulacije vodijo do istega rezultata, odvisno od tega, koliko upoštevate:

Formulacija 3 vsebuje najmanj omejitev, zgolj navaja, da je entropija konstantna. V resnici je ta konstanta enaka ničelni entropiji (kot je navedeno v formulaciji 2). Toda zaradi kvantnih omejitev v katerem koli fizičnem sistemu se bo sesedel v svoje najnižje kvantno stanje, vendar nikoli ne bo mogel popolnoma zmanjšati do 0 entropije, zato je nemogoče v omejenem številu korakov zmanjšati fizični sistem na absolutno ničlo (kar nam daje formulacijo 1).