Мы объясняем, что такое законы термодинамики, происхождение этих принципов и основные характеристики каждого из них
Законы термодинамики используются для понимания физических законов Вселенной
Каковы законы термодинамики?
Законы термодинамики (или принципы термодинамики) описывают поведение трех фундаментальных физических величин, температуры энергии энтропии , которые характеризуют термодинамические системы. Термин ‘термодинамика’ происходит от греческого thermos, что означает тепло , и dynamos, что означает сила
Математически эти принципы описываются набором уравнений, которые объясняют поведение термодинамических систем , определяемых как любой объект исследования (от молекулы или человека до атмосферы или кипящей воды в кастрюле)
Существует четыре закона термодинамики, и они имеют решающее значение для понимания физических законов Вселенной и невозможности некоторых явлений, таких как вечный двигатель
Происхождение законов термодинамики
Четыре принципа термодинамики имеют разное происхождение, и некоторые были сформулированы на основе предыдущих. На самом деле, первым был создан второй, французским физиком и инженером Николя Леонардом Сади Карно в 1824 году
Однако в 1860 году этот принцип был переформулирован Рудольфом Клаузиусом и Уильямом Томпсоном, добавив то, что мы сейчас называем Первым законом термодинамики. Позже появился третий, также известный как ‘постулат Нерста’, поскольку он возник в результате исследований Вальтера Нернста в период между 1906 и 1912 годами
Наконец, в 1930 году появился так называемый нулевой закон, предложенный Гуггенхаймом и Фаулером. Следует сказать, что он не везде признается как истинный закон
Первый закон термодинамики
Энергию нельзя создать или уничтожить, ее можно только преобразовать.
Первый закон называется законом сохранения энергии, поскольку он диктует, что в любой физической системе , изолированной от окружающей среды, общее количество энергии всегда будет одинаковым , даже если она может быть преобразована из одной формы энергии в другие. Или, говоря иначе: энергию нельзя ни создать, ни уничтожить, ее можно только преобразовать
Таким образом, при подводе заданного количества тепла (Q) к физической системе, ее общее количество энергии может быть рассчитано как подведенное тепло минус работа (W), совершенная системой над своим окружением. Выражается формулой: ΔU = Q – W
(В качестве примера этого закона представим себе двигатель аэроплана). Это термодинамическая система, состоящая из топлива, которое, вступая в химическую реакцию в процессе сгорания , выделяет тепло и совершает работу (что заставляет самолет двигаться). Итак: если бы мы могли измерить количество проделанной работы и выделившегося тепла, мы могли бы рассчитать полную энергию системы и сделать вывод, что энергия в двигателе оставалась постоянной во время полета: энергия не создавалась и не уничтожалась, а переходила из химической энергии тепловую энергию кинетическую энергию (движение, т.е. работа)
Второй закон термодинамики
При наличии достаточного времени все системы в конечном итоге будут стремиться к неравновесию.
Второй закон, также называемый ‘Законом энтропии’, можно кратко сформулировать так: количество энтропии во Вселенной имеет тенденцию к увеличению во времени. Это означает, что степень беспорядка в системах увеличивается до тех пор, пока не будет достигнута точка равновесия, которая является наиболее неупорядоченным состоянием системы
Этот закон вводит фундаментальное понятие в физике: понятие энтропии (обозначается буквой S), которая в случае физических систем представляет собой степень беспорядка. Оказывается, что в каждом физическом процессе, в котором происходит преобразование энергии, определенное количество энергии не может быть использовано, то есть не может совершить работу. Если она не может совершить работу, то в большинстве случаев эта энергия является тепловой. Это тепло, выделяемое системой, увеличивает беспорядок в системе, ее энтропию. Энтропия – это мера беспорядка в системе
Формулировка этого закона гласит, что изменение энтропии (dS) всегда будет равно или больше, чем теплопередача (dQ), деленная на температуру (T) системы. То есть: dS ≥ dQ / T
Чтобы понять это на примере, достаточно сжечь заданное количество материи , а затем собрать полученный пепел. Взвесив их, мы увидим, что это меньше материи, чем было в исходном состоянии: часть материи была превращена в тепло в виде газов , которые не могут совершать работу над системой и способствуют ее беспорядку
Третий закон термодинамики
При достижении абсолютного нуля процессы в физических системах прекращаются.
Третий закон гласит, что энтропия системы, доведенная до абсолютного нуля, будет определенной константой. Другими словами:
- При достижении абсолютного нуля (нуля в единицах Кельвина) процессы в физических системах прекращаются.
- При достижении абсолютного нуля (нуля в единицах Кельвина) энтропия имеет постоянное минимальное значение.
В повседневной жизни трудно достичь так называемого абсолютного нуля (-273,15 °С), но мы можем вспомнить этот закон, посмотрев, что происходит в морозильной камере: продукты , которые мы туда положим, станут настолько холодными, что биохимические процессы внутри них замедлятся или даже остановятся. Поэтому их разложение замедляется, и они остаются пригодными для потребления гораздо дольше
Нулевой закон термодинамики
Нулевой закон’ логически выражается следующим образом: если A = C и B = C, то A= B.
Нулевой закон известен под этим названием, несмотря на то, что он был постулирован последним. Также известный как закон теплового равновесия, этот принцип диктует следующее: Если две системы находятся в тепловом равновесии независимо с третьей системой, они также должны находиться в тепловом равновесии друг с другом. Логически это можно выразить так: если A = C и B = C, то A = B
Этот закон позволяет нам сравнить тепловую энергию трех различных тел A, B и C. Если тело A находится в тепловом равновесии с телом C (у них одинаковая температура), а B также имеет такую же температуру, как и C, то A и B имеют одинаковую температуру
Другой способ изложения этого принципа заключается в том, что когда два тела с разными температурами вступают в контакт друг с другом, они обмениваются теплом до тех пор, пока их температуры не сравняются
Повседневные примеры этого закона легко найти. Когда мы заходим в горячую или холодную воду, мы замечаем разницу в температуре только в течение первых нескольких минут, потому что затем наше тело приходит в тепловое равновесие с водой и мы больше не замечаем разницы. То же самое происходит, когда мы входим в жаркую или холодную комнату: сначала мы заметим температуру, но потом перестанем замечать разницу, так как придем в тепловое равновесие с ней
Добавить комментарий