- Mitkä ovat termodynamiikan lait?
- Termodynamiikan lakien alkuperä
- Termodynamiikan ensimmäinen laki
- Termodynamiikan toinen pääsääntö
- Termodynamiikan kolmas pääsääntö
- Termodynamiikan nollalaki
Selitämme, mitkä ovat termodynamiikan lait, mikä on näiden periaatteiden alkuperä ja kunkin pääominaisuudet.
Mitkä ovat termodynamiikan lait?
Termodynamiikan lait (tai termodynamiikan periaatteet) kuvaavat kolmen fysikaalisen perussuureen käyttäytymistä lämpötila, Energiaa jahaje, jotka kuvaavat termodynaamisia järjestelmiä. Termi "termodynamiikka" tulee kreikasta termospullo, Mitä se tarkoittaa "lämpöä", Y dynamot, Mitä se tarkoittaa "pakottaa”.
Matemaattisesti näitä periaatteita kuvaa a aseta yhtälöt, jotka selittävät termodynaamisten järjestelmien käyttäytymisen, jotka määritellään mille tahansa tutkimusobjektiksi (alkaen a molekyyli tai a ihminen, siihen asti kun tunnelmaa tai kiehuvaa vettä kattilassa).
Termodynamiikassa on neljä lakia, ja ne ovat tärkeitä fysikaalisten lakien ymmärtämiselle universumi ja tiettyjen ilmiöiden, kuten esim liikettä ikuinen.
Termodynamiikan lakien alkuperä
Neljä periaatetta termodynamiikka Niillä on eri alkuperä, ja osa niistä on muotoiltu aiemmista. Ensimmäinen, joka perustettiin, oli itse asiassa toinen, ranskalaisen fyysikon ja insinöörin Nicolás Léonard Sadi Carnot'n työ vuonna 1824.
Kuitenkin vuonna 1860 Rudolf Clausius ja William Thompson muotoilivat tämän periaatteen uudelleen ja lisäsivät sitten sen, mitä nyt kutsumme termodynamiikan ensimmäiseksi säännöksi. Myöhemmin ilmestyi kolmas, joka tunnetaan myös nimellä "Nerst-postulaatti", koska se syntyi Walther Nernstin vuosien 1906 ja 1912 välisten tutkimusten ansiosta.
Lopulta ns. "nollalaki" ilmestyi vuonna 1930 Guggenheimin ja Fowlerin ehdottamana. On sanottava, että kaikilla aloilla sitä ei tunnusteta todelliseksi laiksi.
Termodynamiikan ensimmäinen laki
Ensimmäistä lakia kutsutaan "energian säilymisen laiksi", koska se sanelee sen missä tahansa järjestelmä ympäristöstään eristettynä energian kokonaismäärä on aina sama, vaikka se voidaan muuntaa yhdestä energiamuodosta erilaisiin. Tai toisin sanoen: energiaa ei voida luoda tai tuhota, se vain muunnetaan.
Siten syöttämällä tietty määrä lämpöä (Q) fyysiseen järjestelmään, sen kokonaisenergiamäärä voidaan laskea syötetyllä lämmöllä vähennettynäJob (W), jonka järjestelmä suorittaa ympäristöönsä. Ilmaistaan kaavassa: ΔU = Q - W.
Esimerkkinä tästä laista, kuvitellaan lentokoneen moottori. Se on termodynaaminen järjestelmä, joka koostuu polttoaineesta, joka reagoi kemiallisesti prosessin aikana palaminen, vapauttaa lämpöä ja toimii (joka saa koneen liikkumaan). Joten: jos pystyisimme mittaamaan tehdyn työn ja vapautuneen lämmön määrän, voisimme laskea järjestelmän kokonaisenergian ja päätellä, että moottorin energia pysyi vakiona lennon aikana: energiaa ei syntynyt eikä tuhoutunut, vaan se muutettiin. / kemiallinen energia kohtaan kalorienergiaa YKineettinen energia (liikettä, eli työtä).
Termodynamiikan toinen pääsääntö
Toinen laki, jota kutsutaan myös "entropian laiksi", voidaan tiivistää siten, että määrä haje universumissa on taipumus lisääntyä sää. Tämä tarkoittaa, että järjestelmien epäjärjestysaste kasvaa kunnes saavutetaan tasapainopiste, joka on järjestelmän suurimman epäjärjestyksen tila.
Tämä laki esittelee fysiikan peruskäsitteen: entropian käsitteen (esittää kirjaimella S), joka fyysisten järjestelmien tapauksessa edustaa epäjärjestyksen astetta. Osoittautuu, että jokaisessa fysikaalisessa prosessissa, jossa tapahtuu energian muunnos, tietty määrä energiaa ei ole käyttökelpoinen, eli se ei voi tehdä työtä. Jos et voi tehdä työtä, se energia on useimmissa tapauksissa lämpöä. Se lämpö, jonka järjestelmä vapauttaa, se lisää järjestelmän epäjärjestystä, sen entropiaa. Entropia on järjestelmän epäjärjestyksen mitta.
Tämän lain muotoilu määrää, että entropian muutos (dS) on aina yhtä suuri tai suurempi kuinlämmönsiirto (dQ), jaettuna järjestelmän lämpötilalla (T). Eli: dS ≥ dQ / T.
Tämän ymmärtämiseksi esimerkillä riittää polttaa tietty määrä asia ja kerää sitten syntynyt tuhka. Punnitessaan ne varmistamme, että se on vähemmän ainetta kuin alkuperäisessä tilassaan: osa aineesta muuttui lämmöksi kaasut että he eivät voi tehdä työtä järjestelmän parissa ja että he myötävaikuttavat sen häiriintymiseen.
Termodynamiikan kolmas pääsääntö
Kolmas laki sanoo, että järjestelmän entropia, joka on saatettu absoluuttiseen nollaan, on määrätty vakio. Toisin sanoen:
- Kun absoluuttinen nolla (nolla Kelvin-yksiköissä) saavutetaan, fyysisten järjestelmien prosessit pysähtyvät.
- Kun absoluuttinen nolla (nolla Kelvin-yksiköissä) saavutetaan, entropialla on vakio minimiarvo.
Niin sanottua absoluuttista nollaa (-273,15 °C) on vaikea saavuttaa päivittäin, mutta voimme ajatella tätä lakia analysoimalla, mitä pakastimessa tapahtuu: ruokaa että jäämme sinne niin kylmäksi, että sen sisällä olevat biokemialliset prosessit hidastuvat tai jopa pysähtyvät. Siksi sen hajoaminen viivästyy ja sen kulutus paljon pidempään.
Termodynamiikan nollalaki
"Nollalaki" tunnetaan tällä nimellä, vaikka se olikin viimeinen voimassa. Tunnetaan myös Lämmön tasapainon laki, tämä periaate määrää, että: "Jos kaksi järjestelmää on mukana lämpötasapaino riippumattomasti kolmannesta järjestelmästä, niiden on myös oltava termisessä tasapainossa keskenään. Se voidaan ilmaista loogisesti seuraavasti: jos A = C ja B = C, niin A = B.
Tämän lain avulla voimme verrata kolmen eri kappaleen A, B ja C lämpöenergiaa. Jos kappale A on termisessä tasapainossa kappaleen C kanssa (niillä on sama lämpötila) ja B:llä on myös sama lämpötila kuin C:llä, niin A ja C B on sama lämpötila.
Toinen tapa ilmaista tämä periaate on väittää, että kun kaksi erilämpöistä kappaletta joutuvat kosketuksiin, ne vaihtavat lämpöä, kunnes niiden lämpötilat tasoittuvat.
Arkipäiväisiä esimerkkejä tästä laista on helppo löytää. Kun joudumme kylmään tai kuumaan veteen, huomaamme lämpötilaeron vasta ensimmäisten minuuttien aikana, koska kehomme tulee sitten lämpötasapainoonVesi emmekä enää huomaa eroa. Sama tapahtuu, kun astumme kuumaan tai kylmään huoneeseen: huomaamme ensin lämpötilan, mutta sitten lakkaamme havaitsemasta eroa, koska joudumme lämpötasapainoon sen kanssa.