- Kakšni so zakoni termodinamike?
- Izvor zakonov termodinamike
- Prvi zakon termodinamike
- Drugi zakon termodinamike
- Tretji zakon termodinamike
- Termodinamični zakon nič
Pojasnimo, kaj so zakoni termodinamike, kakšen je izvor teh principov in glavne značilnosti vsakega od njih.
Kakšni so zakoni termodinamike?
Zakoni termodinamike (ali principi termodinamike) opisujejo obnašanje treh osnovnih fizikalnih veličin, temperaturo, Energija inentropija, ki so značilni za termodinamične sisteme. Izraz "termodinamika" izvira iz grščine termos, Kaj to pomeni "toplote«, Y dinamo, Kaj to pomeni "sila”.
Matematično te principe opisuje a set enačb, ki pojasnjujejo obnašanje termodinamičnih sistemov, opredeljenih kot kateri koli predmet preučevanja (iz a molekula ali a človeško bitje, dokler vzdušje ali vrelo vodo v ponvi).
Obstajajo štirje zakoni termodinamike in so ključni za razumevanje fizikalnih zakonov vesolje in nezmožnost nekaterih pojavov, kot so premikanje večno.
Izvor zakonov termodinamike
Štiri načela oz termodinamika Imajo drugačen izvor, nekateri pa so bili oblikovani iz prejšnjih. Prvi, ki je bil ustanovljen, je bil pravzaprav drugi, delo francoskega fizika in inženirja Nicolása Léonarda Sadija Carnota leta 1824.
Vendar sta leta 1860 to načelo ponovno oblikovala Rudolf Clausius in William Thompson, nato pa dodala tisto, kar danes imenujemo prvi zakon termodinamike. Kasneje se je pojavil tretji, znan tudi kot "Nerstov postulat", ker je nastal zaradi študij Waltherja Nernsta med letoma 1906 in 1912.
Končno se je leta 1930 pojavil tako imenovani "ničelni zakon", ki sta ga predlagala Guggenheim in Fowler. Povedati je treba, da ni na vseh področjih priznan kot pravi zakon.
Prvi zakon termodinamike
Prvi zakon se imenuje "Zakon o ohranjanju energije", ker to narekuje v katerem koli sistem izolirana od svojega okolja, bo skupna količina energije vedno enaka, čeprav jo je mogoče preoblikovati iz ene oblike energije v različne. Ali z drugimi besedami: energije ni mogoče ustvariti ali uničiti, temveč le transformirati.
Tako lahko z dovajanjem določene količine toplote (Q) fizičnemu sistemu izračunamo njegovo skupno količino energije kot dovedena toplota minusdelo (W), ki ga izvaja sistem v svoji okolici. Izraženo s formulo: ΔU = Q - W.
Kot primer tega zakona si predstavljajmo letalski motor. To je termodinamični sistem, ki je sestavljen iz goriva, ki kemično reagira med procesom zgorevanje, sprošča toploto in opravlja delo (zaradi katerega se letalo premika). Torej: če bi lahko izmerili količino opravljenega dela in sproščene toplote, bi lahko izračunali skupno energijo sistema in zaključili, da je energija v motorju med letom ostala konstantna: energija ni bila niti ustvarjena niti uničena, temveč se je spremenila od kemična energija do kalorična energija YKinetična energija (gibanje, to je delo).
Drugi zakon termodinamike
Drugi zakon, imenovan tudi "zakon entropije", lahko povzamemo tako, da je količina entropija v vesolju se nagiba k povečanju v vreme. To pomeni, da se stopnja neurejenosti sistemov povečuje, dokler ne doseže ravnotežne točke, ki je stanje največje neurejenosti sistema.
Ta zakon uvaja temeljni koncept v fiziki: pojem entropije (predstavljena s črko S), ki v primeru fizičnih sistemov predstavlja stopnjo neurejenosti. Izkazalo se je, da v vsakem fizikalnem procesu, pri katerem pride do transformacije energije, določena količina energije ni uporabna, torej ne more opravljati dela. Če ne morete opravljati dela, je v večini primerov ta energija toplota. Tista toplota, ki jo sistem sprošča, kar počne, je povečanje neurejenosti sistema, njegove entropije. Entropija je merilo neurejenosti sistema.
Formulacija tega zakona določa, da bo sprememba entropije (dS) vedno enaka ali večja odprenos toplote (dQ), deljeno s temperaturo (T) sistema. To pomeni, da: dS ≥ dQ / T.
Da bi to razumeli s primerom, je dovolj, da zažgete določeno količino zadeva in nato zberemo nastali pepel. Ko jih stehtamo, bomo preverili, da gre za manj snovi od tistega, kar je bilo v začetnem stanju: del snovi se je pretvoril v toploto v obliki plini da ne morejo delati na sistemu in da prispevajo k njegovemu motenju.
Tretji zakon termodinamike
Tretji zakon pravi, da bo entropija sistema, ki je postavljen na absolutno nič, določena konstanta. Z drugimi besedami:
- Ko dosežemo absolutno ničlo (nič v kelvinovih enotah), se procesi fizičnih sistemov ustavijo.
- Ko doseže absolutno nič (nič v Kelvinovih enotah), ima entropija konstantno minimalno vrednost.
Težko je vsakodnevno doseči tako imenovano absolutno ničlo (-273,15 °C), vendar lahko o tem zakonu razmišljamo tako, da analiziramo, kaj se dogaja v zamrzovalniku: hrano ki ga tam odlagamo, se bo tako ohladilo, da se bodo biokemični procesi v njem upočasnili ali celo ustavili. Zato je njegova razgradnja odložena in njen porabe za veliko dlje.
Termodinamični zakon nič
"Ničelni zakon" je znan pod tem imenom, čeprav je bil zadnji. Poznan tudi kot Zakon toplotnega ravnovesja, to načelo narekuje: »Če sta dva sistema v toplotno ravnovesje neodvisno s tretjim sistemom, morajo biti tudi med seboj v toplotnem ravnovesju. Logično se lahko izrazi takole: če je A = C in B = C, potem je A = B.
Ta zakon nam omogoča primerjavo toplotne energije treh različnih teles A, B in C. Če je telo A v toplotnem ravnovesju s telesom C (imata enako temperaturo) in ima tudi B enako temperaturo kot C, potem A in B imajo enako temperaturo.
Drug način navedbe tega načela je trditi, da ko dve telesi z različnimi temperaturami prideta v stik, izmenjujeta toploto, dokler se njuni temperaturi ne izenačita.
Vsakodnevne primere tega zakona je enostavno najti. Ko vstopimo v hladno ali vročo vodo, bomo razliko v temperaturi opazili šele v prvih minutah, saj bo naše telo nato vstopilo v toplotno ravnovesje zVoda in ne bomo več opazili razlike. Enako se zgodi, ko vstopimo v topel ali hladen prostor: najprej bomo opazili temperaturo, potem pa ne bomo več zaznavali razlike, ker bomo z njo vstopili v toplotno ravnovesje.