Izpētiet trīs termodinamikas likumus

Zinātnes nozare, ko sauca termodinamika nodarbojas ar sistēmām, kuras spēj pārsūtīt siltumenerģija vismaz vienā citā enerģijas veidā (mehāniskā, elektriskā utt.) vai darbā. Termodinamikas likumi gadu gaitā tika izstrādāti kā daži no pamatnoteikumiem, kas tiek ievēroti, kad iet termodinamiskā sistēma caur kaut kādām enerģijas izmaiņām.

Termodinamikas vēsture sākas ar Otto fon Guericke, kurš 1650. gadā uzbūvēja pasaulē pirmo vakuuma sūkni un demonstrēja vakuumu, izmantojot savas Magdeburgas puslodes. Guericke tika virzīts uz vakuumu, lai atspēkotu Aristoteļa ilgstošo pieņēmumu, ka “daba rada vakuumu”. Neilgi pēc Guericke angļu fiziķis un ķīmiķis Roberts Boyle bija uzzinājis par Guericke projektiem un 1656. gadā, saskaņojot ar angļu zinātnieku Robertu Hooke, uzcēla gaisa sūkni. Izmantojot šo sūkni, Boyle un Hooke pamanīja korelāciju starp spiedienu, temperatūru un tilpumu. Laika gaitā tika formulēts Boiles likums, kas nosaka, ka spiediens un tilpums ir apgriezti proporcionāli.

termodinamikas likumi mēdz būt diezgan viegli izteikt un saprast... tik daudz, ka ir viegli nenovērtēt viņu radīto ietekmi. Cita starpā viņi ierobežo, kā enerģiju var izmantot Visumā. Būtu ļoti grūti pārāk uzsvērt, cik nozīmīga ir šī koncepcija. Termodinamikas likumu sekas kaut kādā veidā skar gandrīz visus zinātniskās izpētes aspektus.

Lai izprastu termodinamikas likumus, ir svarīgi saprast dažus citus termodinamikas jēdzienus, kas uz tiem attiecas.

• Termodinamikas pārskats - pārskats par termodinamikas lauka pamatprincipiem
• Siltuma enerģija - siltumenerģijas pamatdefinīcija
• Temperatūra - temperatūras pamatdefinīcija
• Ievads siltuma pārnesē - dažādu siltuma pārneses metožu skaidrojums.
• Termodinamiskie procesi - termodinamikas likumi lielākoties attiecas uz termodinamiskajiem procesiem, kad termodinamiskā sistēma iziet kaut kādā veidā enerģētiski.

Siltuma kā atsevišķas enerģijas formas izpēte sākās aptuveni 1798. gadā, kad sers Benjamins Tompsons (pazīstams arī kā Grāfs Rumfords), britu militārais inženieris, pamanīja, ka siltumu var ģenerēt proporcionāli darba apjomam darīts... pamatkoncepcija, kas galu galā kļūtu par pirmā termodinamikas likuma sekām.

Franču fiziķis Sadi Karnots pirmo reizi formulēja termodinamikas pamatprincipu 1824. gadā. Principi, kurus Carnot izmantoja, lai definētu savu Karotona cikls siltuma dzinējs galu galā vācu fiziķa pārvērtīsies otrajā termodinamikas likumā Rūdolfs Klausius, kurš arī bieži tiek kreditēts pirmā likuma izstrādē termodinamika.

Daļa no termodinamikas straujās attīstības deviņpadsmitajā gadsimtā bija nepieciešamība rūpnieciskās revolūcijas laikā attīstīt efektīvus tvaika dzinējus.

Termodinamikas likumi īpaši neattiecas uz to, kā un kāpēc siltuma pārnese, kas ir jēga likumiem, kuri tika formulēti pirms atomu teorijas pilnīgas pieņemšanas. Tie attiecas uz kopējo enerģijas un siltuma pāreju sistēmu sistēmā un neņem vērā siltuma pārneses īpatnības atomu vai molekulārā līmenī.

Šis nulles likums ir sava veida termiskā līdzsvara pārejas īpašība. Matemātikas pārejas īpašība saka, ka, ja A = B un B = C, tad A = C. Tas pats attiecas uz termodinamiskajām sistēmām, kas atrodas termiskā līdzsvarā.

Viena no nulles likuma sekām ir ideja, ka mērīšana temperatūra tam ir kāda nozīme. Lai izmērītu temperatūru, termiskais līdzsvars jāsasniedz starp termometru kopumā, dzīvsudrabu termometra iekšpusē un mērāmu vielu. Tas, savukārt, rada iespēju precīzi noteikt, kāda ir vielas temperatūra.

Šis likums tika saprasts, nepārprotami izsakoties visā termodinamikas vēsturē pētījumu, un tika saprasts tikai tas, ka 20. gadsimta sākumā tas bija patstāvīgs likums gadsimtā. Tas bija britu fiziķis Ralfs H. Fowlers, kurš pirmais izgudroja terminu "nulle likuma", balstoties uz pārliecību, ka tas ir fundamentālāks pat nekā citi likumi.

Lai gan tas var šķist sarežģīti, tā patiešām ir ļoti vienkārša ideja. Ja sistēmai pievienojat siltumu, var izdarīt tikai divas lietas - mainīt iekšējā enerģija vai izraisīt sistēmas darbību (vai, protams, kaut kāda abu kombinācija). Visu siltumenerģijai ir jāiegūst, veicot šīs lietas.

Fiziķi parasti izmanto vienotas konvencijas, lai parādītu daudzumus pirmajā termodinamikas likumā. Viņi ir:

• U1 (vai Ui) = sākotnējā iekšējā enerģija procesa sākumā
• U2 (vai Uf) = galīgā iekšējā enerģija procesa beigās
• delta-U = U2 - U1 = iekšējās enerģijas izmaiņas (izmanto gadījumos, kad iekšējās enerģijas sākuma un beigu specifikai nav nozīmes)
• Q = siltums, kas nodots (Q > 0) vai no (Q <0) sistēma
• W = darbs veic sistēma (W > 0) vai sistēmā (W < 0).

Tādējādi tiek iegūts pirmā likuma matemātiskais attēlojums, kas izrādās ļoti noderīgs un ko var pārrakstīt pāris noderīgos veidos:

A analīze termodinamiskais process, vismaz fizikas klases apstākļos, parasti ietver situācijas analīzi, kad viens no šiem lielumiem ir vai nu 0, vai vismaz saprātīgā veidā kontrolējams. Piemēram, adiabātiskais process, siltuma pārnese (Q) ir vienāds ar 0, atrodoties an izohorisks process darbs (W) ir vienāds ar 0.

pirmais likums Termodinamikas teoriju daudzi uzskata par enerģijas saglabāšanas koncepcijas pamatu. Tas būtībā saka, ka enerģiju, kas nonāk sistēmā, nevar pazaudēt pa ceļam, bet tā ir jāizmanto, lai kaut ko izdarītu... šajā gadījumā nomainiet iekšējo enerģiju vai veiciet darbu.

Šajā skatījumā pirmais termodinamikas likums ir viens no tālejošākajiem zinātniskajiem jēdzieniem, kāds jebkad atklāts.

Otrais termodinamikas likums: otrais termodinamikas likums ir formulēts daudzos veidos, kā tas drīz tiks apskatīts, bet tas būtībā ir likums kas atšķirībā no vairuma citu fizikas likumu attiecas nevis uz to, kā kaut ko izdarīt, bet gan pilnībā uz ierobežojuma noteikšanu tam, kas var būt darīts.

Tas ir likums, kas saka, ka daba mums ierobežo iegūt noteikta veida iznākumus, nepadarot daudz darba, un kā tāds arī ir cieši saistīts ar enerģijas saglabāšanas koncepcija, tāpat kā pirmais termodinamikas likums.

Praksē šis likums nozīmē, ka jebkurš siltuma motors vai līdzīga ierīce, kuras pamatā ir termodinamikas principi, pat teorētiski nevar būt 100% efektīva.

Šo principu pirmo reizi izgaismoja franču fiziķis un inženieris Sadi Karnots, kad viņš izstrādāja savu Karotona cikls motors 1824. gadā, un vēlāk tika formalizēts kā termodinamikas likums autors - vācu fiziķis Rūdolfs Klausius.

Termodinamikas otrais likums, iespējams, ir vispopulārākais ārpus fizikas jomas, jo tas ir cieši saistīts ar entropija vai traucējumi, kas rodas termodinamiskā procesa laikā. Pārformulēts kā paziņojums par entropiju, otrajā likumā teikts:

Jebkurā slēgtā sistēmā, citiem vārdiem sakot, katru reizi, kad sistēma iziet termodinamisko procesu, sistēma nekad nevar pilnībā atgriezties precīzi tādā pašā stāvoklī, kādā tā bija iepriekš. Šī ir viena definīcija, kas izmantota laika bultiņa jo Visuma entropija laika gaitā vienmēr palielināsies saskaņā ar otro termodinamikas likumu.

Nav iespējama cikliska pārveidošana, kuras vienīgais galīgais rezultāts ir siltuma, kas iegūts no avota, kura visā laikā ir vienāda temperatūra, pārveidošana. - Skotu fiziķis Viljams Tompsons (cikliska transformācija, kuras vienīgais gala rezultāts ir siltuma pārnešana no ķermeņa noteiktā temperatūrā uz ķermeni augstākā temperatūrā, nav iespējama. - vācu fiziķis Rūdolfs Klausius

Visi iepriekš minētie otrā termodinamikas likuma formulējumi ir tā paša pamatprincipa ekvivalenti apgalvojumi.

Trešais termodinamikas likums būtībā ir paziņojums par spēju radīt absolūts temperatūras skala, kurai absolūtā nulle ir punkts, kurā cietās vielas iekšējā enerģija ir precīzi 0.

Dažādi avoti parāda šādus trīs iespējamos termodinamikas trešā likuma formulējumus:

1. Nevar samazināt nevienu sistēmu līdz absolūtai nullei ierobežotā darbību sērijā.
2. Elementa perfekta kristāla entropijai visstabilākajā formā ir tendence uz nulli, temperatūrai tuvojoties absolūtai nullei.
3. Temperatūrai tuvojoties absolūtai nullei, sistēmas entropija tuvojas konstantei

Trešais likums nozīmē dažas lietas, un atkal visi šie formulējumi rada tādu pašu iznākumu atkarībā no tā, cik daudz jūs ņemat vērā:

3. formulējums satur vismazāk ierobežojumus, tikai norādot, ka entropija nonāk konstanti. Faktiski šī konstante ir nulles entropija (kā teikts 2. formulējumā). Jebkuras fiziskās sistēmas kvantu ierobežojumu dēļ tas tomēr sabruks zemākajā kvantu stāvoklī, bet nekad nespēs to pilnībā samazināt līdz 0 entropijai, tāpēc nav iespējams fizisko sistēmu samazināt līdz absolūtai nullei ar ierobežotu soļu skaitu (kas dod mums formulējumu 1).