Истражите три закона термодинамике

Грана науке је названа термодинамика бави се системима који могу да се пренесу топлотна енергија у барем један други облик енергије (механичке, електричне итд.) или у рад. Закони термодинамике развијани су током година као нека од најосновнијих правила која се следе када термодинамички систем прелази кроз неку врсту промене енергије.

Историја термодинамике започиње Отто вон Гуерицке који је 1650. године изградио прву на свету вакуум пумпу и демонстрирао вакуум користећи своје Магдебург хемисфере. Гуерицке је био приморан да направи вакуум како би оповргнуо Аристотелову дуготрајну претпоставку да "природа подноси вакуум". Убрзо након Гуерицке-а, енглески физичар и хемичар Роберт Боиле сазнао је за Гуерицке-ове нацрте и 1656. године у координацији са енглеским научником Робертом Хоокеом изградио ваздушну пумпу. Помоћу ове пумпе Боиле и Хооке су приметили повезаност притиска, температуре и запремине. Временом је формулисан Боилеов закон који каже да су притисак и запремина обрнуто пропорционални.

Тхе закони термодинамике обично је лако објаснити и разумети... толико да је лако подценити њихов утицај. Између осталог, они су ограничавали како се енергија може користити у универзуму. Било би тешко претјерано нагласити колико је овај концепт значајан. Последице закона термодинамике на неки начин се тичу готово сваког аспекта научног испитивања.

Да бисте разумели законе термодинамике, неопходно је разумети неке друге концепте термодинамике који се на њих односе.

• Термодинамички преглед - преглед основних принципа области термодинамике
• Топлотна енергија - основна дефиниција топлотне енергије
• Температура - основна дефиниција температуре
• Увод у пренос топлоте - објашњење различитих метода преноса топлоте.
• Термодинамички процеси - закони термодинамике углавном се примењују на термодинамичке процесе, када термодинамички систем пролази кроз неку врсту енергетског преноса.

Проучавање топлоте као различитог облика енергије почело је отприлике 1798. године када је сир Бењамин Тхомпсон (такође познат као Гроф Румфорд), британски војни инжењер, приметио је да се топлота може произвести сразмерно количини посла Готово... основни концепт који би на крају постао последица првог закона термодинамике.

Француски физичар Сади Царнот први је формулисао основни принцип термодинамике 1824. године. Принципи које је Царнот користио за дефинисање његових Царнот циклус топлотни мотор би се на крају превео у други закон термодинамике од стране немачког физичара Рудолф Клаузије, за који се такође често приписује формулација првог закона из термодинамика.

Део разлога убрзаног развоја термодинамике у деветнаестом веку била је потреба за развојем ефикасних парних мотора током индустријске револуције.

Закони термодинамике не односе се посебно на то како и зашто преноса топлоте, што има смисла за законе који су формулисани пре него што је атомска теорија у потпуности усвојена. Они се баве збиром укупних енергетских и топлотних прелаза унутар система и не узимају у обзир специфичну природу преноса топлоте на атомском или молекуларном нивоу.

Ово нула закона је врста транзитивне особине топлотне равнотеже. Прелазно својство математике каже да ако су А = Б и Б = Ц, онда је А = Ц. Исто је и са термодинамичким системима који су у топлотној равнотежи.

Последица нултог закона је идеја која мери температура има било какво значење. Да бисте мерили температуру, топлотна равнотежа мора бити постигнут између термометра као целине, живе у термометру и супстанце која се мери. То заузврат резултира тиме да се тачно може рећи која је температура супстанце.

Овај закон је схваћен без изричитог излагања кроз већину историја термодинамике студија, и тек се схватило да је то сам по себи закон почетком 20. година век. Био је то британски физичар Ралпх Х. Фовлер који је први сковао појам "нулте закона", заснивао се на уверењу да је он фундаменталнији чак и од осталих закона.

Иако ово може звучати сложено, то је заиста веома једноставна идеја. Ако систему додате топлоту, могу се урадити само две ствари - променити унутрашња енергија система или узроковати да систем ради (или, наравно, нека комбинација то двоје). Сва топлотна енергија мора ићи у обављање ових ствари.

Физичари обично користе јединствене конвенције за представљање количина из првог закона термодинамике. Су:

• У1 (или Уи) = почетна унутрашња енергија на почетку процеса
• У2 (или Уф) = коначна унутрашња енергија на крају процеса
• делта-У = У2 - У1 = промена унутрашње енергије (користи се у случајевима када су специфичности почетних и завршних унутрашњих енергија небитне)
• К = топлота која се преноси у (К > 0) или ван (К <0) систем
• В = посао изводи систем (В > 0) или на систему (В < 0).

Ово даје математички приказ првог закона који се показује врло корисним и може се преписати на неколико корисних начина:

Анализа а термодинамички процес, барем унутар ситуације у настави физике, углавном укључује анализу ситуације у којој је једна од тих количина 0 или најмање на разуман начин. На пример, у ан адијабатски процес, пренос топлоте (К) је једнак 0 док је у ан изохорски процес Рад (В) је једнак 0.

Тхе први закон термодинамике многи виде као основа концепта очувања енергије. У основи пише да се енергија која улази у систем не може изгубити на путу, већ се мора искористити да се нешто уради... у овом случају или промените унутрашњу енергију или обавите посао.

Узевши у обзир ово гледиште, први закон термодинамике један је од најсексепилнијих научних концепата икада откривених.

Други закон термодинамике: Други закон термодинамике формулисан је на више начина, као што ћемо ускоро посветити, али у основи је закон који се - за разлику од већине других закона физике - не бави како нешто учинити, већ се у потпуности бави ограничењем на оно што може бити Готово.

То је закон који каже да нас природа ограничава да постигнемо одређене врсте исхода, а да притом не уложимо пуно посла и као такав је уско повезан са концепт очувања енергије, колико је први закон термодинамике.

У практичној примени, овај закон значи да било који топлотни мотор или сличан уређај заснован на принципима термодинамике не може, чак ни у теорији, бити 100% ефикасан.

Овај принцип је први образложио француски физичар и инжењер Сади Царнот, приликом развоја свог Царнот циклус мотор 1824. године, а касније је озваничен као закон термодинамике немачког физичара Рудолфа Клаусија.

Други закон термодинамике је можда најпопуларнији изван сфере физике, јер је уско повезан са концептом ентропија или поремећај настао током термодинамичког процеса. Преформулисан као изјава о ентропији, други закон гласи:

У било којем затвореном систему, другим речима, сваки пут када систем прође кроз термодинамички процес, систем се никада не може у потпуности вратити у потпуно исто стање у којем је био пре. Ово је једна дефиниција која се користи за стрелица времена јер ће ентропија свемира с временом увек порасти према другом закону термодинамике.

Циклична трансформација чији је једини крајњи резултат преображавање топлоте из извора који је при истој температури током рада није могућа. - шкотски физичар Виллиам Тхомпсон (цикличка трансформација чији је једини коначни резултат преношење топлоте са тела на одређеној температури у тело на вишој температури, немогуће је. - Немачки физичар Рудолф Цлаусиус

Све горе наведене формулације Другог закона термодинамике представљају еквивалентне изјаве истог темељног принципа.

Трећи закон термодинамике је у суштини изјава о способности креирања апсолутни температурна скала, за коју апсолутна нула је тачка у којој је унутрашња енергија чврстоће тачно 0.

Различити извори показују следеће три потенцијалне формулације трећег закона термодинамике:

1. Немогуће је смањити било који систем на апсолутну нулу у коначном низу операција.
2. Ентропија савршеног кристала неког елемента у његовом најстабилнијем облику тежи нули када се температура приближи апсолутној нули.
3. Како се температура приближава апсолутној нули, ентропија система приближава се константи

Трећи закон значи неколико ствари, и опет све ове формулације резултирају истим исходом, у зависности од тога колико узимате у обзир:

Формулација 3 садржи најмање ограничења, само наводи да ентропија постаје константна. У ствари, та константа је нулта ентропија (као што је наведено у формулацији 2). Међутим, због квантних ограничења на било којем физичком систему, он ће се срушити у своје најниже квантно стање, али никада неће бити у стању да савршено смањи на 0 ентропије, па је немогуће редуцирати физички систем на апсолутну нулу у ограниченом броју корака (што нам даје формулацију 1).