- Mik a termodinamika törvényei?
- A termodinamika törvényeinek eredete
- A termodinamika első törvénye
- A termodinamika második főtétele
- A termodinamika harmadik főtétele
- A termodinamika nulla törvénye
Elmagyarázzuk, mik a termodinamika törvényei, miből erednek ezek az elvek, és melyek azok a főbb jellemzők.
Mik a termodinamika törvényei?
A termodinamika törvényei (vagy a termodinamika alapelvei) három alapvető fizikai mennyiség viselkedését írják le, a hőfok, a Energia és aentrópia, amelyek a termodinamikai rendszereket jellemzik. A "termodinamika" kifejezés a görögből származik termosz, Mit jelent "hőség", Y dinamók, Mit jelent "Kényszerítés”.
Matematikailag ezeket az elveket a készlet olyan egyenletek, amelyek megmagyarázzák a termodinamikai rendszerek viselkedését, bármely vizsgálati tárgyként definiálva (a molekula vagy a emberi lény, amíg légkör vagy forrásban lévő víz egy serpenyőben).
A termodinamika négy törvénye létezik, amelyek alapvetőek a fizikai törvények megértéséhez világegyetem és bizonyos jelenségek lehetetlensége, mint például a mozgalom örökös.
A termodinamika törvényeinek eredete
A négy alapelv termodinamika Különböző eredetűek, és néhányat az előzőekből fogalmaztak meg. Az elsőt valójában a második, Nicolás Léonard Sadi Carnot francia fizikus és mérnök 1824-es munkája hozta létre.
1860-ban azonban ezt az elvet ismét megfogalmazta Rudolf Clausius és William Thompson, hozzátéve azt, amit ma a termodinamika első törvényének nevezünk. Később megjelent a harmadik, más néven "Nerst-posztulátum", mert Walther Nernst 1906 és 1912 közötti tanulmányainak köszönhetően keletkezett.
Végül 1930-ban megjelent az úgynevezett „nulla törvény”, amelyet Guggenheim és Fowler javasolt. Azt kell mondani, hogy nem minden területen ismerik el valódi törvényként.
A termodinamika első törvénye
Az első törvényt "Energiamegmaradás törvényének" nevezik, mert ez diktálja ezt minden esetben rendszer környezetétől elszigetelve az energia összmennyisége mindig ugyanaz lesz, még akkor is, ha az egyik energiaformából különbözőekké alakítható át. Vagy más szóval: energiát nem lehet létrehozni vagy elpusztítani, csak átalakítani.
Így egy fizikai rendszer adott mennyiségű hővel (Q) a teljes energiamennyisége kiszámítható úgy, hogy a szolgáltatott hő mínusz amunka (W) hajtja végre a rendszer a környezetén. Képletben kifejezve: ΔU = Q - W.
Példaként erre a törvényre képzeljünk el egy repülőgépmotort. Ez egy termodinamikai rendszer, amely olyan tüzelőanyagból áll, amely kémiailag reagál a folyamat során égés, hőt bocsát ki és működik (ettől mozog a gép). Tehát: ha meg tudnánk mérni az elvégzett munka mennyiségét és a felszabaduló hőt, akkor kiszámíthatjuk a rendszer összenergiáját, és arra a következtetésre juthatunk, hogy a hajtóműben lévő energia állandó maradt a repülés során: energia nem keletkezett és nem is pusztult, hanem megváltozott. nak,-nek kémiai energia nak nek kalória energia YKinetikus energia (mozgás, vagyis munka).
A termodinamika második főtétele
A második törvény, amelyet „entrópia törvényének” is neveznek, abban foglalható össze, hogy a mennyisége entrópia az univerzumban növekszik a időjárás. Ez azt jelenti, hogy a rendszerek rendezetlenségének mértéke addig növekszik, amíg el nem érik az egyensúlyi pontot, ami a rendszer legnagyobb rendezetlenségének állapota.
Ez a törvény egy alapfogalmat vezet be a fizikába: az entrópia fogalmát (amelyet S betű jelöl), amely fizikai rendszerek esetében a rendezetlenség mértékét jelenti. Kiderül, hogy minden fizikai folyamatban, amelyben energia átalakulás történik, bizonyos mennyiségű energia nem hasznosítható, vagyis nem tud munkát végezni. Ha nem tud munkát végezni, az a legtöbb esetben hő. Ez a hő, amit a rendszer kibocsát, növeli a rendszer rendezetlenségét, entrópiáját. Az entrópia a rendszer rendezetlenségének mértéke.
Ennek a törvénynek a megfogalmazása megállapítja, hogy az entrópia változása (dS) mindig egyenlő vagy nagyobb lesz, minthőátadás (dQ), osztva a rendszer hőmérsékletével (T). Vagyis: dS ≥ dQ / T.
Ahhoz, hogy ezt egy példával megértsük, elég egy bizonyos mennyiséget elégetni ügy majd gyűjtsük össze a keletkező hamut. A mérés során ellenőrizni fogjuk, hogy az anyag kevesebb, mint a kezdeti állapotában: az anyag egy része hővé alakult gázok hogy nem tudnak dolgozni a rendszeren, és hozzájárulnak a rendszer zavarához.
A termodinamika harmadik főtétele
A harmadik törvény kimondja, hogy egy rendszer entrópiája, amelyet abszolút nullára hozunk, határozott állandó lesz. Más szavakkal:
- Az abszolút nulla (nulla Kelvin mértékegységben) elérésekor a fizikai rendszerek folyamatai leállnak.
- Az abszolút nulla (nulla Kelvin mértékegységben) elérésekor az entrópiának állandó minimumértéke van.
Napi szinten nehéz elérni az úgynevezett abszolút nullát (-273,15 °C), de ezen a törvényen elgondolkodhatunk, ha elemezzük, mi történik a fagyasztóban: étel amit ott lerakunk, akkora hideg lesz, hogy lelassulnak vagy leállnak benne a biokémiai folyamatok. Ezért késik lebomlása és annak fogyasztás sokkal hosszabb ideig.
A termodinamika nulla törvénye
A „nulla törvényt” ezen a néven ismerik, bár ez volt az utolsó. Más néven A termikus egyensúly törvénye, ez az elv azt diktálja, hogy: „Ha két rendszer van benne termikus egyensúly függetlenül egy harmadik rendszertől, ezeknek egymással is termikus egyensúlyban kell lenniük. Logikailag a következőképpen fejezhető ki: ha A = C és B = C, akkor A = B.
Ez a törvény lehetővé teszi három különböző A, B és C test hőenergiájának összehasonlítását. Ha A test termikus egyensúlyban van a C testtel (azonos hőmérsékletűek), és B is ugyanolyan hőmérsékletű, mint C, akkor A és B azonos hőmérsékletű.
Egy másik módja ennek az elvnek az az érvelés, hogy amikor két különböző hőmérsékletű test érintkezik, addig hőt cserélnek, amíg a hőmérséklet ki nem egyenlít.
Ennek a törvénynek mindennapi példáit könnyű találni. Amikor hideg vagy meleg vízbe kerülünk, csak az első percekben fogjuk észrevenni a hőmérsékletkülönbséget, mert testünk ezután termikus egyensúlyba kerül aVíz és többé nem fogjuk észrevenni a különbséget. Ugyanez történik, amikor belépünk egy meleg vagy hideg helyiségbe: először észrevesszük a hőmérsékletet, de aztán már nem érzékeljük a különbséget, mert termikus egyensúlyba kerülünk vele.