Ištirkite tris termodinamikos dėsnius

Mokslo šaka vadinosi termodinamika susijęs su sistemomis, kurias galima perduoti šiluminė energija į bent vieną kitą energijos rūšį (mechaninę, elektrinę ir kt.) arba į darbą. Termodinamikos dėsniai bėgant metams buvo kuriami kaip pagrindinės taisyklės, kurių laikomasi, kai vyksta termodinaminė sistema. per kažkokį energijos pokytį.

Termodinamikos istorija prasideda nuo Otto von Guericke, kuris 1650 m. Pastatė pirmąjį pasaulyje vakuuminį siurblį ir pademonstravo vakuumą naudodamas savo Magdeburgo pusrutulius. Guericke'as buvo priverstas padaryti vakuumą paneigti Aristotelio seniai laikomą prielaidą, kad „gamta bjaurisi vakuumu“. Netrukus po Guericke, anglų fizikas ir chemikas Robertas Boyle'as sužinojo apie Guericke'io projektus ir 1656 m., Suderinęs su anglų mokslininku Robertu Hooke'u, pastatė oro pompą. Naudodami šį siurblį, Boyle'as ir Hooke'as pastebėjo slėgio, temperatūros ir tūrio ryšį. Laikui bėgant buvo suformuluotas Boyle'io dėsnis, kuris teigia, kad slėgis ir tūris yra atvirkščiai proporcingi.

termodinamikos dėsniai paprastai yra gana lengva išdėstyti ir suprasti... tiek, kad nesunku nuvertinti jų daromą poveikį. Be kita ko, jie riboja energijos panaudojimą visatoje. Būtų labai sunku per daug pabrėžti, kokia reikšminga ši koncepcija. Termodinamikos dėsnių padariniai tam tikru būdu liečia beveik visus mokslinio tyrimo aspektus.

Norint suprasti termodinamikos dėsnius, būtina suprasti kai kurias kitas su jais susijusias termodinamikos sąvokas.

• Termodinamikos apžvalga - pagrindinių termodinamikos srities principų apžvalga
• Šilumos energija - pagrindinis šilumos energijos apibrėžimas
• Temperatūra - pagrindinis temperatūros apibrėžimas
• Įvadas į šilumos perdavimą - įvairių šilumos perdavimo būdų paaiškinimas.
• Termodinaminiai procesai - termodinamikos dėsniai dažniausiai taikomi termodinaminiams procesams, kai termodinaminė sistema eina tam tikru energiniu perdavimu.

Šilumos, kaip atskiros energijos formos, tyrimai buvo pradėti maždaug 1798 m., Kai seras Benjaminas Thompsonas (dar žinomas kaip Grafas Rumfordas), britų karo inžinierius, pastebėjo, kad šiluma gali būti gaminama proporcingai darbo kiekiui padaryta... pagrindinė sąvoka, kuri galiausiai taptų pirmojo termodinamikos dėsnio pasekme.

Prancūzų fizikas Sadi Carnot pirmą kartą suformulavo pagrindinį termodinamikos principą 1824 m. Principai, kuriais Carnot vadovavosi apibrėždamas Carnotų ciklas šiluminis variklis galiausiai perkeltų į antrąjį termodinamikos dėsnį, kurį pateikė vokiečių fizikas Rudolfas Clausius, kuriam taip pat dažnai priskiriama pirmojo įstatymo parengimas termodinamika.

Greito termodinamikos vystymosi XIX amžiuje priežastis buvo poreikis pramonės revoliucijos metu sukurti efektyvius garo variklius.

Termodinamikos dėsniai konkrečiai nesusiję su tuo, kaip ir kodėl šilumos perdavimo, kuri turi prasmę įstatymams, kurie buvo suformuluoti prieš visiškai priimant atominę teoriją. Jie nagrinėja bendrą energijos ir šilumos pokyčių sistemoje sumą ir neatsižvelgia į specifinį šilumos perdavimo pobūdį atominiame ar molekuliniame lygmenyje.

Tai nulis įstatymas yra tarsi šiluminės pusiausvyros pereinamosios savybės. Pereinamojoji matematikos savybė sako, kad jei A = B ir B = C, tada A = C. Tas pats pasakytina ir apie termodinamines sistemas, esančias pusiausvyroje.

Viena nulio įstatymo pasekmė yra idėja, kad išmatuoti temperatūra turi kokią nors prasmę. Norint išmatuoti temperatūrą, šiluminė pusiausvyra turi būti pasiektas tarp viso termometro, gyvsidabrio termometro viduje ir matuojamos medžiagos. Tai, savo ruožtu, lemia galimybę tiksliai pasakyti, kokia yra medžiagos temperatūra.

Šis dėsnis buvo suprastas aiškiai nenurodžius per didelę termodinamikos istoriją studijų, ir buvo tik suprantama, kad tai buvo savaime priimtas įstatymas XX amžiaus pradžioje amžiuje. Tai buvo britų fizikas Ralfas H. Fowleris, kuris pirmą kartą sugalvojo terminą „nulis įstatymas“, pagrįstas įsitikinimu, kad jis yra svarbesnis net už kitus įstatymus.

Nors tai gali atrodyti sudėtinga, tai tikrai labai paprasta idėja. Jei pridedate sistemos šilumą, galite padaryti tik du dalykus - pakeisti vidinė energija arba priversti sistemą veikti (arba, žinoma, kai kuriuos iš šių dviejų variantų). Šiuos veiksmus turi atlikti visa šilumos energija.

Fizikai paprastai taiko vienodas normas kiekių vaizdavimui pirmajame termodinamikos dėsnyje. Jie yra:

• U1 (arba Ui) = pradinė vidinė energija proceso pradžioje
• U2 (arba Uf) = galutinė vidinė energija proceso pabaigoje
• delta-U = U2 - U1 = vidinės energijos pokytis (naudojamas tais atvejais, kai vidinės energijos pradžios ir pabaigos ypatumai nėra svarbūs)
• Q = šiluma, perduodama į (Q > 0) arba iš (Q <0) sistema
• W = darbas atliekama sistemos (W > 0) arba sistemoje (W < 0).

Taip gaunamas matematinis pirmojo dėsnio vaizdas, kuris yra labai naudingas ir kurį galima perrašyti keliais naudingais būdais:

A analizė termodinaminis procesas, bent jau fizikos klasėje, paprastai reikia analizuoti situaciją, kai vienas iš šių dydžių yra 0 arba bent jau pagrįstai kontroliuojamas. Pavyzdžiui, an adiabatinis procesas, šilumos perdavimas (Q) yra lygus 0, kai yra izochorinis procesas darbas (W) yra lygus 0.

pirmasis įstatymas Termodinamikos principą daugelis laiko energijos išsaugojimo koncepcijos pagrindu. Iš esmės sakoma, kad energija, patenkanti į sistemą, negali būti prarasta pakeliui, bet turi būti naudojama kažkam daryti... tokiu atveju arba pakeiskite vidinę energiją, arba atlikite darbus.

Atsižvelgiant į tai, pirmasis termodinamikos dėsnis yra viena iš toliausiai pasiektų mokslinių sąvokų.

Antrasis termodinamikos dėsnis: Antrasis termodinamikos dėsnis suformuluotas įvairiais būdais, kaip netrukus bus aptarta, tačiau iš esmės tai yra dėsnis kuriame, skirtingai nei daugelyje kitų fizikos įstatymų, kalbama ne apie tai, kaip ką nors padaryti, o apie tai, kas ribojama. padaryta.

Tai yra įstatymas, kuris sako, kad gamta neleidžia mums pasiekti tam tikros rūšies rezultatų, nereikalaujant daug darbo, ir todėl ji taip pat yra glaudžiai susijusi su energijos taupymo koncepcija, tiek, kiek yra pirmasis termodinamikos dėsnis.

Praktikoje šis įstatymas reiškia bet kurį šilumos variklis ar panašus įtaisas, pagrįstas termodinamikos principais, net teoriškai negali būti 100% efektyvus.

Šį principą pirmą kartą apšvietė prancūzų fizikas ir inžinierius Sadi Carnot, kai sukūrė savo Carnotų ciklas variklis 1824 m., o vėliau buvo įforminamas kaip termodinamikos dėsnis pateikė vokiečių fizikas Rudolfas Clausius.

Antrasis termodinamikos dėsnis yra bene populiariausias už fizikos ribų, nes jis yra glaudžiai susijęs su entropija arba sutrikimas, susidaręs termodinaminio proceso metu. Antrasis įstatymas, suformuluotas kaip pareiškimas dėl entropijos, yra toks:

Bet kurioje uždaroje sistemoje, kitaip tariant, kiekvieną kartą, kai sistema išgyvena termodinaminį procesą, sistema niekada negali visiškai grįžti į tokią pačią būseną, kokia ji buvo anksčiau. Tai yra viena apibrėžtis, naudojama laiko rodyklė nes visatos entropija laikui bėgant visada didės pagal antrąjį termodinamikos dėsnį.

Ciklinė transformacija, kurios vienintelis galutinis rezultatas yra šilumos, išgautos iš šaltinio, kurio temperatūra yra vienoda, pavertimas darbu yra neįmanomas. - Škotų fizikas Williamas Thompsonas (ciklinė transformacija, kurios vienintelis galutinis rezultatas yra šilumos perdavimas iš kūno tam tikroje temperatūroje į kūną aukštesnėje temperatūroje, yra neįmanoma). - vokiečių fizikas Rudolfas Clausius

Visos pirmiau pateiktos Antrojo termodinamikos įstatymo formuluotės yra lygiaverčiai to paties pagrindinio principo teiginiai.

Trečiasis termodinamikos dėsnis iš esmės yra teiginys apie galimybę sukurti absoliutus temperatūros skalė, kuriai absoliutus nulis yra taškas, kuriame kietojo kūno vidinė energija yra tiksliai 0.

Įvairūs šaltiniai rodo šias tris galimas trečiojo termodinamikos dėsnio formuluotes:

1. Neįmanoma sumažinti jokios sistemos iki absoliutaus nulio atliekant baigtinę operacijų seką.
2. Tobuliausio stabiliausio pavidalo elemento krištolo entropija yra lygi nuliui, kai temperatūra artėja prie absoliučios nulio.
3. Temperatūrai artėjant prie absoliučios nulio, sistemos entropija artėja prie konstantos

Trečiasis įstatymas reiškia keletą dalykų, ir vėlgi visos šios formuluotės lemia tą patį rezultatą, atsižvelgiant į tai, kiek jūs atsižvelgiate:

3 formuluotėje yra mažiausiai suvaržymų, tik teigiama, kad entropija eina į konstantą. Tiesą sakant, ši konstanta yra nulinė entropija (kaip teigiama 2 formuluotėje). Tačiau dėl kvantinių bet kurios fizinės sistemos suvaržymų ji žlugs į žemiausią kvantinę būseną, tačiau niekada nesugebės tobulai sumažinti iki 0 entropijos, todėl neįmanoma sumažinti fizinės sistemos iki absoliučios nulio per baigtinį skaičių žingsnių (tai duoda mums formuluotę 1).