Jakie są zasady termodynamiki?

czy zmagasz się z zasady termodynamiki? Analizując je razem, zobaczymy, że wyjaśniają one wiele doświadczeń, którymi żyjemy nieprzerwanie: w praktyce znaliśmy je jeszcze przed ich studiowaniem!

ZASADA ZERA

Aby wszystko uporządkować… zacznijmy od zera: zerowa zasada termodynamiki mówi, że:

Kiedy dwa systemy są w równowadze termicznej z trzecim, są one również w równowadze termicznej ze sobą.

Dwa ciała znajdują się w równowadze termicznej, jeśli mają tę samą temperaturę i dlatego wymiana ciepła między cieplejszym a chłodniejszym ustała. Zgodnie z zasadą zera jeśli A jest w równowadze termicznej z B, a C jest w równowadze termicznej z B, to A i C również byłyby w równowadze, gdyby były w kontakcie.

Brzmi to oczywiste, prawda? Jednak pomimo swojej nazwy, zasada zera jest dużo warta i jest fundamentalną przesłanką dla pozostałych trzech. Bez tego w rzeczywistości nie moglibyśmy określić temperatury, czyli tak właściwość fizyczna, która mierzy transfer energii cieplnej z jednego systemu do drugiego (ten sam transfer, który ma miejsce, gdy mamy gorączkę i kładziemy termometr pod pachą).

zasada zera został sformułowany jako ostatni, po pozostałych trzech: tę nazwę nadano, ponieważ inne były już ponumerowane i uznano jej fundamentalne znaczenie.

PIERWSZA ZASADA TERMODYNAMIKI

Pierwsza zasada termodynamiki jest tradycyjnie wyrażana w następujący sposób:

Ciepło dostarczane do układu termodynamicznego jest równe sumie pracy wykonanej przez układ w środowisku i zmianie jego energii wewnętrznej.

Ta zasada mówi nam prosty fakt: kiedy dodamy ciepło do systemu, część tej energii pozostaje w systemie, a część go opuszcza. Energia, która pozostaje w systemie, powoduje zmianę w twojej wewnętrznej energii, a energia, która opuszcza, wpływa na otaczający obszar.

wyobraź sobie posiadanie garnek wody w temperaturze pokojowej. Jeśli dodamy ciepło do systemu (tzn. włączymy gaz), najpierw wzrośnie temperatura i energia wody; więc system puli uwalnia część energii i działa na otaczające środowisko, na przykład podgrzewanie powietrza wokół patelni i uwalnianie pary. Ta zasada wyjaśnia, że ​​energii nie można stworzyć ani zniszczyć: można ją jedynie przekształcić. Oznacza to, że za każdym razem, gdy używamy energii, nie tworzymy niczego nowego, ale przekształcamy jedną formę energii w inną. Na przykład: kiedy wykonujemy aktywność fizyczną przekształcamy energię chemiczną dostarczaną przez pożywienie w energię kinetyczną (bieganie, pompki).

Energia nie jest tworzona ani niszczona, ale tylko to się zmienia: ta zasada jest również nazywana di oszczędzanie energii i nie ma nic w naturze, co mogłoby go naruszyć. Całkowita energia Wszechświata jest stała, chociaż może być przekształcana i przenoszona z jednej części Wszechświata do drugiej.

DRUGA ZASADA TERMODYNAMIKI

Będziemy! Ale teraz pojawia się problem. Pierwsza zasada termodynamiki nie mówi w jakim kierunku nastąpią te przekształcenia?. Gdybyśmy posłuchali tylko pierwszej zasady, mogłoby się również zdarzyć, że chłodniejsze ciało mogło spontanicznie nagrzać cieplejsze ciało. Jak jednak wiemy, w rzeczywistości nie może to nastąpić naturalnie. Kanały energetyczne w świecie, w którym żyjemy, zawsze mają kierunek, preferowany kierunek. Para wydobywająca się z miski nie kondensuje się sama, aby powrócić do miski.

I tu pojawia się druga zasada termodynamiki, zgodnie z którą:

Niemożliwe jest przeprowadzenie przemiany, której jedynym rezultatem jest przeniesienie ciepła z jednego ciała o określonej temperaturze do drugiego o wyższej temperaturze.

to jest tak zwane Oświadczenie klauzuli, od nazwiska niemieckiego fizyka, który sformułował ją w XIX wieku, ale jest to tylko jeden ze sposobów sformułowania drugiej zasady.

Są inni, jak Deklaracja Kelvina (fizyk brytyjski znany w skali o tej samej nazwie):

Niemożliwe jest przeprowadzenie transformacji, której wynikiem jest jedynie zamiana ciepła pobranego z jednego źródła na pracę mechaniczną.

Pierwsze stwierdzenie jest być może bardziej oczywiste: ciepło chce naturalnie płynąć z cieplejszych do chłodniejszych obszarów. Gdyby przeszło z chłodniejszych do cieplejszych obszarów, byłoby to sprzeczne z naturą, więc konieczne byłoby dodanie pracy do systemu, aby tak się stało. Drugie stwierdzenie mówi nam, że nie można mieć cyklicznego, powtarzalnego procesu, który całkowicie zamienia ciepło w pracę.

Uspokójmy nasze dusze: żadna reakcja nie jest w 100% skuteczna. Część energii reakcji zostanie utracona w postaci ciepła, a żaden system nie będzie w stanie zamienić całej energii w pracę. Weźmy przykład pociąg parowy, jedna z maszyn, które zrewolucjonizowały transport w XIX wieku; działała dzięki spalaniu węgla w piecu, który podgrzewał wodę obecną w kotle i wytwarzał parę, która była wysyłana do silnika, energię cieplną zamieniając w ruch. Wyobraźmy sobie naszą lokomotywę w akcji: wytworzonego ciepła nie da się w pełni przekształcić w ruch. część tego zostanie rozproszony do otoczenia w postaci obłoków pary, które nie zostały przekształcone w energię mechaniczną. Jak widzieliśmy, nieunikniony „marnotrawstwo”.

Jeśli poszerzymy nasze spojrzenie (bardzo) i uznamy Wszechświat za kompletny system, możemy sądzić, że nawet w kosmosie energia jest przenoszona z ciał cieplejszych do mniej gorących, a z każdym transferem energii ilość energii również wzrasta. niedostępny dla pracy: entropia, to jest – dużo upraszczając – miara „zaburzenia” systemu.

Systemy naturalnie dążą do tego nieład, aż osiągną Nowa równowaga.

TRZECIA ZASADA TERMODYNAMIKI

I ta mowa prowadzi nas do trzecia zasada termodynamiki, według którego, nie jest możliwe osiągnięcie zera absolutnego w procesie termodynamicznym obejmującym skończoną liczbę operacji. Lub, jeśli wolisz, „doskonale krystaliczna” substancja w zera absolutnego ma zerową entropię.

Oznacza to, że jeśli obiekt osiągnie temperaturę zera absolutnego (0 Kelvina lub -273,15°C), jego atomy są nieruchome: jego nieporządek, entropia, zniknęła i nie ma już w nim ruchu. Ponieważ temperatura jest miarą zmian tych ruchów, Nie może byćprzynajmniej z teoretycznego punktu widzenia, temperatura poniżej zera absolutnego. Jednak w 2013 roku niektórzy niemieccy naukowcy udało się spaść poniżej tej wartości, choć bardzo niewiele, blokując zmianę entropii w układzie, do którego dodawali energię.

Dodaj komentarz