Udforsk termodynamikens tre love

Den videnskabelige gren kaldte termodynamik beskæftiger sig med systemer, der er i stand til at overføre termisk energi i mindst en anden form for energi (mekanisk, elektrisk osv.) eller i arbejde. Termodynamikens love blev udviklet gennem årene som nogle af de mest grundlæggende regler, der følges, når et termodynamisk system går gennem en slags energiændring.

Termodynamikens historie begynder med Otto von Guericke, der i 1650 byggede verdens første vakuumpumpe og demonstrerede et vakuum ved hjælp af hans Magdeburg-halvkugler. Guericke blev drevet til at skabe et vakuum for at modbevise Aristoteles 'langvarige antagelse om, at' naturen afskrækker et vakuum '. Kort efter Guericke havde den engelske fysiker og kemiker Robert Boyle hørt om Guericke's design og i 1656 i samordning med den engelske videnskabsmand Robert Hooke bygget en luftpumpe. Ved hjælp af denne pumpe bemærkede Boyle og Hooke en sammenhæng mellem tryk, temperatur og volumen. Med tiden blev Boyles lov formuleret, der siger, at tryk og volumen er omvendt proportional.

Det termodynamiske love har tendens til at være forholdsvis let at angive og forstå... så meget, at det er let at undervurdere den påvirkning, de har. De sætter blandt andet begrænsninger for, hvordan energi kan bruges i universet. Det ville være meget svært at over-understrege, hvor betydningsfuldt dette koncept er. Konsekvenserne af termodynamikens love berører næsten alle aspekter af videnskabelig undersøgelse på en eller anden måde.

For at forstå termodynamikens love er det vigtigt at forstå nogle andre termodynamiske begreber, der vedrører dem.

• Termodynamik oversigt - en oversigt over de grundlæggende principper for området termodynamik
• Varmeenergi - en grundlæggende definition af varmeenergi
• Temperatur - en grundlæggende definition af temperatur
• Introduktion til varmeoverførsel - en forklaring af forskellige varmeoverførselsmetoder.
• Termodynamiske processer - termodynamikens love gælder for det meste for termodynamiske processer, når et termodynamisk system gennemgår en slags energiforsyning.

Undersøgelsen af ​​varme som en særskilt form for energi begyndte i ca. 1798, da Sir Benjamin Thompson (også kendt som Grev Rumford), en britisk militæringeniør, bemærkede, at der kunne frembringes varme i forhold til mængden af ​​arbejde Færdig... et grundlæggende begreb, der i sidste ende ville blive en konsekvens af den første lov om termodynamik.

Den franske fysiker Sadi Carnot formulerede først et grundlæggende princip for termodynamik i 1824. De principper, som Carnot brugte til at definere hans Carnot cyklus varmemotor ville i sidste ende oversætte til den anden lov om termodynamik af den tyske fysiker Rudolf Clausius, som også ofte krediteres med formuleringen af ​​den første lov af termodynamik.

En del af grunden til den hurtige udvikling af termodynamik i det nittende århundrede var behovet for at udvikle effektive dampmotorer under den industrielle revolution.

Termodynamikens love beskæftiger sig ikke specielt med det specifikke, hvordan og hvorfor af varmeoverførsel, hvilket giver mening for love, der blev formuleret inden atomteorien blev fuldt ud vedtaget. De beskæftiger sig med summen af ​​energi og varmeovergange i et system og tager ikke hensyn til den specifikke karakter af varmeoverførsel på det atomære eller molekylære niveau.

Dette nullægger loven er en slags transitiv egenskab ved termisk ligevægt. Matematikens transitive egenskab siger, at hvis A = B og B = C, så er A = C. Det samme er tilfældet med termodynamiske systemer, der er i termisk ligevægt.

En konsekvens af nulethedsloven er ideen om måling temperatur har nogen som helst betydning. For at måle temperatur, termisk ligevægt skal nås mellem termometret som helhed, kviksølvet inde i termometeret og det stof, der måles. Dette resulterer igen i at være i stand til nøjagtigt at fortælle, hvad stoffets temperatur er.

Denne lov blev forstået uden at blive udtrykkeligt angivet gennem meget af termodynamikens historie undersøgelse, og det blev først klar over, at det var en lov i sig selv i begyndelsen af ​​det 20. århundrede. Det var den britiske fysiker Ralph H. Fowler, der først skabte udtrykket "nulleth lov", baseret på en tro på, at det var mere grundlæggende selv end de andre love.

Selvom dette muligvis lyder komplekst, er det virkelig en meget enkel idé. Hvis du tilføjer varme til et system, er der kun to ting, der kan gøres - ændre indre energi af systemet eller få systemet til at arbejde (eller selvfølgelig en kombination af de to). Al den varmeenergi skal gå til at gøre disse ting.

Fysikere bruger typisk ensartede konventioner til at repræsentere mængderne i den første lov om termodynamik. De er:

• U1 (eller Ui) = indledende intern energi i starten af ​​processen
• U2 (eller Uf) = endelig intern energi i slutningen af ​​processen
• delta-U = U2 - U1 = Ændring i intern energi (bruges i tilfælde, hvor specificiteten for begyndelse og slutning af interne energier er irrelevant)
• Q = varme overført til (Q > 0) eller ud af (Q <0) systemet
• W = arbejde udført af systemet (W > 0) eller på systemet (W < 0).

Dette giver en matematisk repræsentation af den første lov, som viser sig meget nyttig og kan omskrives på et par nyttige måder:

Analysen af ​​en termodynamisk proces, i det mindste inden for en fysikklasserumssituation, involverer generelt en analyse af en situation, hvor en af ​​disse mængder enten er 0 eller i det mindste kontrollerbar på en rimelig måde. For eksempel i en adiabatisk proces, varmeoverførslen (Q) er lig med 0 i en isochorisk proces arbejdet (W) er lig med 0.

Det første lov af termodynamik ses af mange som grundlaget for begrebet bevarelse af energi. Det siger dybest set, at energien, der går ind i et system, ikke kan gå tabt undervejs, men skal bruges til at gøre noget... i dette tilfælde skal du enten skifte intern energi eller udføre arbejde.

Set i denne opfattelse er den første lov om termodynamik et af de mest vidtrækkende videnskabelige begreber nogensinde opdaget.

Anden lov om termodynamik: Den anden lov om termodynamik er formuleret på mange måder, som det snart vil blive behandlet, men er dybest set en lov der - i modsætning til de fleste andre fysiske love - ikke handler om, hvordan man gør noget, men snarere handler om at begrænse hvad der kan være Færdig.

Det er en lov, der siger, at naturen begrænser os fra at opnå visse slags resultater uden at lægge meget arbejde i det, og som sådan også er tæt knyttet til begreb om bevarelse af energi, ligesom den første lov om termodynamik er.

I praktiske anvendelser betyder denne lov, at enhver varme motor eller lignende anordning, der er baseret på termodynamikens principper, kan ikke selv i teorien være 100% effektiv.

Dette princip blev først belyst af den franske fysiker og ingeniør Sadi Carnot, da han udviklede sit Carnot cyklus motor i 1824, og blev senere formaliseret som en lov om termodynamik af den tyske fysiker Rudolf Clausius.

Den anden lov om termodynamik er måske den mest populære uden for fysikområdet, fordi den er tæt knyttet til begrebet entropi eller den forstyrrelse, der er skabt under en termodynamisk proces. Omformuleret som en erklæring vedrørende entropi lyder den anden lov:

I ethvert lukket system, med andre ord, hver gang et system gennemgår en termodynamisk proces, kan systemet aldrig helt vende tilbage til nøjagtigt den samme tilstand, som det var i før. Dette er en definition, der bruges til Tidens pil da entropien af ​​universet altid vil stige over tid i henhold til den anden lov om termodynamik.

En cyklisk transformation, hvis eneste slutresultat er at omdanne varme, der er udvundet fra en kilde, som hele tiden har samme temperatur, til arbejde er umulig. - Den skotske fysiker William Thompson (En cyklisk transformation, hvis eneste endelige resultat er at overføre varme fra et legeme ved en given temperatur til et legeme ved en højere temperatur, er umulig. - Den tyske fysiker Rudolf Clausius

Alle ovennævnte formuleringer af den anden lov om termodynamik er ækvivalente udsagn om det samme grundlæggende princip.

Den tredje lov om termodynamik er i det væsentlige en erklæring om evnen til at skabe en absolutte temperaturskala, som absolut nul er det punkt, hvor den indre energi i et fast stof er nøjagtigt 0.

Forskellige kilder viser følgende tre potentielle formuleringer af den tredje lov om termodynamik:

1. Det er umuligt at reducere noget system til absolut nul i en endelig række af operationer.
2. Entropien af ​​en perfekt krystal af et element i sin mest stabile form har en tendens til nul, når temperaturen nærmer sig absolut nul.
3. Når temperaturen nærmer sig absolut nul, nærmer sig et systems entropi en konstant

Den tredje lov betyder nogle få ting, og igen resulterer alle disse formuleringer i det samme resultat afhængigt af hvor meget du tager højde for:

Formulering 3 indeholder de mindst begrænsninger, kun med angivelse af, at entropi går til en konstant. Faktisk er denne konstant nul entropi (som angivet i formulering 2). På grund af kvantebegrænsninger på ethvert fysisk system vil det imidlertid kollapse i dets laveste kvantetilstand, men aldrig være i stand til perfekt at reducere til 0 entropi, derfor er det umuligt at reducere et fysisk system til absolut nul i et begrænset antal trin (hvilket giver os formulering 1).