Εξερευνήστε τους Τρεις Νόμους της Θερμοδυναμικής

Ο κλάδος της επιστήμης κάλεσε θερμοδυναμική ασχολείται με συστήματα που είναι σε θέση να μεταφέρουν θερμική ενέργεια σε μια τουλάχιστον άλλη μορφή ενέργειας (μηχανική, ηλεκτρική, κ.λπ.) ή στην εργασία. Οι νόμοι της θερμοδυναμικής αναπτύχθηκαν με την πάροδο των ετών ως μερικοί από τους πιο θεμελιώδεις κανόνες που ακολουθούνται όταν ένα θερμοδυναμικό σύστημα πηγαίνει μέσω κάποιου είδους αλλαγής της ενέργειας.

Η ιστορία της θερμοδυναμικής ξεκινά με τον Otto von Guericke, ο οποίος, το 1650, έχτισε την πρώτη αντλία κενού στον κόσμο και παρουσίασε ένα κενό χρησιμοποιώντας τα ημισφαίρια του Magdeburg. Ο Guericke οδηγήθηκε για να δημιουργήσει ένα κενό για να διαψεύσει την μακρόχρονη υπόθεση του Αριστοτέλη ότι «η φύση αποτρέπει ένα κενό». Λίγο μετά τον Guericke, ο αγγλικός φυσικός και χημικός Robert Boyle είχε μάθει για τα σχέδια του Guericke και, το 1656, σε συνεργασία με τον αγγλικό επιστήμονα Robert Hooke, έχτισε μια αντλία αέρα. Χρησιμοποιώντας αυτή την αντλία, οι Boyle και Hooke παρατήρησαν μια συσχέτιση μεταξύ πίεσης, θερμοκρασίας και όγκου. Με την πάροδο του χρόνου διαμορφώθηκε ο νόμος του Boyle, ο οποίος αναφέρει ότι η πίεση και ο όγκος είναι αντιστρόφως ανάλογες.

ο νόμους της θερμοδυναμικής τείνουν να είναι αρκετά εύκολο να δηλώσουν και να καταλάβουν... τόσο πολύ ώστε να είναι εύκολο να υποτιμηθεί ο αντίκτυπος που έχουν. Μεταξύ άλλων, θέτουν περιορισμούς για το πώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί ενέργεια στο σύμπαν. Θα ήταν πολύ δύσκολο να υπογραμμιστεί υπερβολικά η σημασία αυτής της έννοιας. Οι συνέπειες των νόμων της θερμοδυναμικής αγγίζουν κατά κάποιο τρόπο σχεδόν όλες τις πτυχές της επιστημονικής έρευνας.

Για να κατανοήσουμε τους νόμους της θερμοδυναμικής, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε κάποιες άλλες έννοιες θερμοδυναμικής που σχετίζονται με αυτές.

• Θερμοδυναμική Επισκόπηση - μια επισκόπηση των βασικών αρχών του πεδίου της θερμοδυναμικής
• Θερμότητα - βασικός ορισμός της θερμικής ενέργειας
• Θερμοκρασία - ένας βασικός ορισμός της θερμοκρασίας
• Εισαγωγή στη μεταφορά θερμότητας - μια εξήγηση για διάφορες μεθόδους μεταφοράς θερμότητας.
• Θερμοδυναμικές διεργασίες - οι νόμοι της θερμοδυναμικής εφαρμόζονται κυρίως στις θερμοδυναμικές διεργασίες, όταν ένα θερμοδυναμικό σύστημα περνάει από κάποιο είδος ενεργειακής μεταφοράς.

Η μελέτη της θερμότητας ως ξεχωριστή μορφή ενέργειας ξεκίνησε περίπου το 1798 όταν ο Sir Benjamin Thompson (επίσης γνωστός ως Ο Count Rumford), βρετανός στρατιωτικός μηχανικός, παρατήρησε ότι η θερμότητα θα μπορούσε να δημιουργηθεί ανάλογα με το μέγεθος της εργασίας Ολοκληρώθηκε... μια θεμελιώδη έννοια που τελικά θα μπορούσε να γίνει συνέπεια του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής.

Ο γάλλος φυσικός Sadi Carnot διατύπωσε αρχικά μια βασική αρχή της θερμοδυναμικής το 1824. Οι αρχές που ο Carnot χρησιμοποίησε για να ορίσει τον Carnot κύκλος ο κινητήρας θερμότητας τελικά θα μεταφραστεί στο δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής από το γερμανικό φυσικό Rudolf Clausius, ο οποίος επίσης συχνά πιστώνεται με τη διατύπωση του πρώτου νόμου του θερμοδυναμική.

Μέρος του λόγου για την ταχεία ανάπτυξη της θερμοδυναμικής τον δέκατο ένατο αιώνα ήταν η ανάγκη ανάπτυξης αποδοτικών ατμομηχανών κατά τη διάρκεια της βιομηχανικής επανάστασης.

Οι νόμοι της θερμοδυναμικής δεν ασχολούνται ιδιαίτερα με το πώς και γιατί της μεταφοράς θερμότητας, το οποίο έχει νόημα για τους νόμους που διατυπώθηκαν πριν από την ατομική θεωρία υιοθετήθηκε πλήρως. Αντιμετωπίζουν το συνολικό άθροισμα μεταπτώσεων ενέργειας και θερμότητας σε ένα σύστημα και δεν λαμβάνουν υπόψη την ειδική φύση της μεταφοράς θερμότητας σε ατομικό ή μοριακό επίπεδο.

Αυτό μηδέν δίκαιο είναι είδος μεταβατικής ιδιότητας της θερμικής ισορροπίας. Η μεταβατική ιδιότητα των μαθηματικών λέει ότι αν A = B και B = C τότε A = C. Το ίδιο ισχύει και για τα θερμοδυναμικά συστήματα που βρίσκονται σε θερμική ισορροπία.

Μια συνέπεια του μηδενικού νόμου είναι η ιδέα της μέτρησης θερμοκρασία έχει κάθε νόημα. Προκειμένου να μετρηθεί η θερμοκρασία, θερμική ισορροπία πρέπει να επιτευχθεί μεταξύ του θερμόμετρου στο σύνολό του, του υδραργύρου μέσα στο θερμόμετρο και της ουσίας που μετράται. Αυτό, με τη σειρά του, έχει ως αποτέλεσμα να είναι σε θέση να προσδιορίσει με ακρίβεια ποια είναι η θερμοκρασία της ουσίας.

Ο νόμος αυτός έγινε κατανοητός χωρίς ρητή αναφορά σε μεγάλο μέρος της ιστορίας της θερμοδυναμικής μελέτη, και μόνο συνειδητοποίησε ότι ήταν ένας νόμος από μόνος του στις αρχές του 20ου αιώνας. Ήταν ο Βρετανός φυσικός Ralph H. Ο Fowler ο οποίος εφάρμοσε για πρώτη φορά τον όρο "zeroeth law", βασισμένος στην πεποίθηση ότι ήταν πιο θεμελιώδης από τους άλλους νόμους.

Αν και αυτό μπορεί να ακούγεται περίπλοκο, είναι πραγματικά μια πολύ απλή ιδέα. Εάν προσθέτετε θερμότητα σε ένα σύστημα, υπάρχουν μόνο δύο πράγματα που μπορείτε να κάνετε - αλλάξτε το εσωτερική ενέργεια του συστήματος ή να κάνει το σύστημα να κάνει δουλειά (ή, φυσικά, κάποιο συνδυασμό των δύο). Όλη η θερμική ενέργεια πρέπει να πάει να κάνει αυτά τα πράγματα.

Οι φυσικοί χρησιμοποιούν συνήθως ομοιόμορφες συμβάσεις για την αναπαράσταση των ποσοτήτων στον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής. Αυτοί είναι:

• U1 (ή Ui) = αρχική εσωτερική ενέργεια στην αρχή της διαδικασίας
• U2 (ή Uf) = τελική εσωτερική ενέργεια στο τέλος της διαδικασίας
• δέλτα-U = U2 - U1 = Αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας (χρησιμοποιείται σε περιπτώσεις όπου οι ιδιαιτερότητες των αρχικών και τελικών ενεργειών είναι άσχετες)
• Q = θερμότητα που μεταφέρεται σε (Q > 0) ή από (Q <0) το σύστημα
• W = δουλειά από το σύστημα (W > 0) ή στο σύστημα (W < 0).

Αυτό δίνει μια μαθηματική αναπαράσταση του πρώτου νόμου που αποδεικνύεται πολύ χρήσιμη και μπορεί να ξαναγραφεί με μερικούς χρήσιμους τρόπους:

Η ανάλυση του a θερμοδυναμική διαδικασία, τουλάχιστον σε μια κατάσταση στην τάξη της φυσικής, περιλαμβάνει γενικά την ανάλυση μιας κατάστασης όπου μία από αυτές τις ποσότητες είναι είτε 0 είτε τουλάχιστον ελεγχόμενη με λογικό τρόπο. Για παράδειγμα, σε ένα αδιαβατική διαδικασία, η μεταφορά θερμότητας (Q) είναι ίσο με το 0 ενώ σε ένα ισοχορική διαδικασία η δουλειά (W) είναι ίση με 0.

ο πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής θεωρείται από πολλούς ως το θεμέλιο της έννοιας της διατήρησης της ενέργειας. Βασικά λέει ότι η ενέργεια που πηγαίνει σε ένα σύστημα δεν μπορεί να χαθεί κατά μήκος του δρόμου, αλλά πρέπει να χρησιμοποιηθεί για να κάνει κάτι... σε αυτή την περίπτωση, είτε να αλλάξετε εσωτερική ενέργεια είτε να εκτελέσετε εργασία.

Από την άποψη αυτή, ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι μία από τις πιο εκτεταμένες επιστημονικές έννοιες που ανακαλύφθηκαν ποτέ.

Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής: Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής διατυπώνεται με πολλούς τρόπους, όπως θα εξεταστεί σύντομα, αλλά είναι βασικά ένας νόμος η οποία - σε αντίθεση με τους περισσότερους άλλους νόμους στη φυσική - δεν ασχολείται με το πώς να κάνει κάτι, αλλά μάλλον ασχολείται εξ ολοκλήρου με τον περιορισμό σε ό, τι μπορεί να Ολοκληρώθηκε.

Είναι ένας νόμος που λέει ότι η φύση μας εμποδίζει να πάρουμε συγκεκριμένα αποτελέσματα χωρίς να δουλέψουμε πολλή δουλειά σε αυτήν και ως εκ τούτου είναι επίσης στενά συνδεδεμένη με την έννοια της διατήρησης της ενέργειας, όπως είναι ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής.

Σε πρακτικές εφαρμογές, αυτός ο νόμος σημαίνει ότι οποιοσδήποτε κινητήρα θερμότητας ή παρόμοια συσκευή που βασίζεται στις αρχές της θερμοδυναμικής δεν μπορεί, ακόμη και θεωρητικά, να είναι 100% αποτελεσματική.

Αυτή η αρχή φωτίστηκε για πρώτη φορά από τον γάλλο φυσικό και μηχανικό Sadi Carnot, όπως ανέπτυξε τον Carnot κύκλος κινητήρα το 1824, και αργότερα επισημοποιήθηκε ως νόμος της θερμοδυναμικής από τον γερμανό φυσικό Rudolf Clausius.

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής είναι ίσως ο πιο δημοφιλής εκτός της φυσικής, επειδή είναι στενά συνδεδεμένος με την έννοια της η εντροπία ή τη διαταραχή που δημιουργείται κατά τη διάρκεια μιας θερμοδυναμικής διαδικασίας. Αναμορφωμένη ως δήλωση σχετικά με την εντροπία, ο δεύτερος νόμος αναφέρει:

Σε κάθε κλειστό σύστημα, με άλλα λόγια, κάθε φορά που ένα σύστημα περνάει από μια θερμοδυναμική διαδικασία, το σύστημα δεν μπορεί ποτέ να επιστρέψει τελείως σε ακριβώς την ίδια κατάσταση που υπήρχε στο παρελθόν. Αυτός είναι ένας ορισμός που χρησιμοποιείται για το βέλος του χρόνου καθώς η εντροπία του σύμπαντος θα αυξάνεται πάντοτε με την πάροδο του χρόνου σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής.

Ένας κυκλικός μετασχηματισμός, του οποίου το μόνο τελικό αποτέλεσμα είναι η μετατροπή της θερμότητας που εξάγεται από μια πηγή που βρίσκεται στην ίδια θερμοκρασία καθ 'όλη τη διάρκεια της εργασίας, είναι αδύνατη. - Ο σκωτσέζος φυσικός William Thompson (Ένας κυκλικός μετασχηματισμός, του οποίου το μόνο τελικό αποτέλεσμα είναι η μεταφορά θερμότητας από ένα σώμα σε δεδομένη θερμοκρασία σε ένα σώμα σε υψηλότερη θερμοκρασία, είναι αδύνατο. - Ο Γερμανός φυσικός Rudolf Clausius

Όλες οι παραπάνω διατυπώσεις του Δεύτερου Νόμου Θερμοδυναμικής είναι ισοδύναμες δηλώσεις της ίδιας θεμελιώδους αρχής.

Ο τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι ουσιαστικά μια δήλωση σχετικά με την ικανότητα δημιουργίας ενός απόλυτος κλίμακα θερμοκρασίας, για την οποία απόλυτο μηδενικό είναι το σημείο στο οποίο η εσωτερική ενέργεια ενός στερεού είναι ακριβώς 0.

Διάφορες πηγές δείχνουν τις ακόλουθες τρεις πιθανές συνθέσεις του τρίτου νόμου της θερμοδυναμικής:

1. Είναι αδύνατο να μειώσουμε οποιοδήποτε σύστημα στο απόλυτο μηδέν σε μια πεπερασμένη σειρά λειτουργιών.
2. Η εντροπία ενός τέλειου κρυστάλλου ενός στοιχείου στην πιο σταθερή μορφή του τείνει στο μηδέν καθώς η θερμοκρασία προσεγγίζει το απόλυτο μηδέν.
3. Καθώς η θερμοκρασία προσεγγίζει το απόλυτο μηδέν, η εντροπία ενός συστήματος προσεγγίζει μια σταθερά

Ο τρίτος νόμος σημαίνει μερικά πράγματα και πάλι όλες αυτές οι συνταγές έχουν ως αποτέλεσμα το ίδιο αποτέλεσμα ανάλογα με το πόσο λαμβάνετε υπόψη:

Το σκεύασμα 3 περιέχει τους ελάχιστους περιορισμούς, δηλώνοντας απλά ότι η εντροπία πηγαίνει σε μια σταθερά. Στην πραγματικότητα, αυτή η σταθερά είναι μηδενική εντροπία (όπως αναφέρεται στη διατύπωση 2). Ωστόσο, λόγω των κβαντικών περιορισμών σε οποιοδήποτε φυσικό σύστημα, θα καταρρεύσει στη χαμηλότερη κβαντική κατάσταση, αλλά ποτέ δεν θα είναι σε θέση να μειώσει τέλεια σε 0 εντροπία, επομένως είναι αδύνατο να μειώσουμε ένα φυσικό σύστημα στο απόλυτο μηδέν σε ένα πεπερασμένο αριθμό βημάτων (που μας δίνει τη διατύπωση 1).