Prozkoumejte tři termodynamické zákony

Vědecké odvětví volalo termodynamika se zabývá systémy, které jsou schopny přenášet Termální energie do alespoň jedné další formy energie (mechanické, elektrické atd.) nebo do práce. Zákony termodynamiky byly vyvinuty v průběhu let jako některá z nejzákladnějších pravidel, která se dodržují, když termodynamický systém jde prostřednictvím nějaké změny energie.

Historie termodynamiky začíná u Otta von Guerickeho, který v roce 1650 postavil první vakuovou pumpu na světě a pomocí magdeburských hemisfér ukázal vakuum. Guericke byl veden, aby vytvořil vakuum, aby vyvrátil Aristotelovy dlouhodobé domněnky, že „příroda odsává vakuum“. Krátce po Guericke se anglický fyzik a chemik Robert Boyle dozvěděl o Guerickeho návrzích a v roce 1656 ve spolupráci s anglickým vědcem Robertem Hookem postavil vzduchové čerpadlo. Při použití tohoto čerpadla si Boyle a Hooke všimli korelace mezi tlakem, teplotou a objemem. Časem byl formulován Boyleův zákon, který uvádí, že tlak a objem jsou nepřímo úměrné.

termodynamické zákony bývají docela snadno řečeno a srozumitelné... natolik, že je snadné podceňovat dopad, který mají. Mimo jiné omezují způsob využití energie ve vesmíru. Bylo by velmi obtížné zdůraznit, jak důležitá je tato koncepce. Důsledky termodynamických zákonů se nějakým způsobem dotýkají téměř každého aspektu vědeckého bádání.

Abychom porozuměli zákonům termodynamiky, je nezbytné pochopit některé další termodynamické pojmy, které se jich týkají.

• Přehled termodynamiky - přehled základních principů oboru termodynamiky
• Tepelná energie - základní definice tepelné energie
• Teplota - základní definice teploty
• Úvod do přenosu tepla - vysvětlení různých metod přenosu tepla.
• Termodynamické procesy - zákony termodynamiky se většinou vztahují na termodynamické procesy, kdy termodynamický systém prochází určitým druhem energetického přenosu.

Studium tepla jako zřetelné formy energie začalo přibližně v roce 1798, kdy sir Benjamin Thompson (také známý jako Hrabě Rumford), britský vojenský inženýr, si všiml, že by mohlo být generováno teplo úměrně množství práce Hotovo... základní koncept, který by se nakonec stal důsledkem prvního zákona o termodynamice.

Francouzský fyzik Sadi Carnot nejprve formuloval základní princip termodynamiky v roce 1824. Principy, které Carnot použil k vymezení jeho Carnotův cyklus tepelný motor by se nakonec promítl do druhého zákona o termodynamice německým fyzikem Rudolfu Clausiusovi, kterému se často věnuje i formulace prvního zákona termodynamika.

Součástí důvodu rychlého vývoje termodynamiky v devatenáctém století byla potřeba vyvinout účinné parní stroje během průmyslové revoluce.

Zákony termodynamiky se zvlášť nezabývají konkrétním způsobem a proč přenosu tepla, což dává smysl pro zákony, které byly formulovány před úplným přijetím atomové teorie. Zabývají se součtem celkových přechodů energie a tepla v systému a nezohledňují specifickou povahu přenosu tepla na atomové nebo molekulární úrovni.

Tento zákon nulové je druh tranzitivní vlastnosti tepelné rovnováhy. Transitivní vlastnost matematiky říká, že pokud A = B a B = C, pak A = C. Totéž platí o termodynamických systémech, které jsou v tepelné rovnováze.

Jedním z důsledků nulového zákona je myšlenka, že měření teplota má vůbec jakýkoli význam. Za účelem měření teploty tepelná rovnováha musí být dosažena mezi teploměrem jako celkem, rtutí uvnitř teploměru a měřenou látkou. To zase vede k tomu, že je možné přesně říci, jaká je teplota látky.

Tento zákon byl chápán, aniž by byl výslovně uveden v průběhu historie termodynamiky studie, a to bylo jen si uvědomil, že to byl zákon sám o sobě na začátku 20. století století. Byl to britský fyzik Ralph H. Fowler, který poprvé vytvořil termín „zákon nulové síly“, založený na přesvědčení, že bylo podstatnější dokonce než ostatní zákony.

I když to může znít složitě, je to opravdu velmi jednoduchý nápad. Pokud do systému přidáte teplo, lze udělat pouze dvě věci - změnit vnitřní energie systému nebo způsobit, že systém bude fungovat (nebo samozřejmě nějaká kombinace těchto dvou). Veškerá tepelná energie musí tyto věci dělat.

Fyzici obvykle používají jednotné konvence pro reprezentaci veličin v prvním zákoně termodynamiky. Oni jsou:

• U1 (nebo Ui) = počáteční vnitřní energie na začátku procesu
• U2 (nebo Uf) = konečná vnitřní energie na konci procesu
• delta-U = U2 - U1 = změna vnitřní energie (používá se v případech, kdy specifika počáteční a koncové vnitřní energie nejsou relevantní)
• Q = teplo přenesené do (Q > 0) nebo z (Q <0) systém
• W = práce provádí systém (W > 0) nebo v systému (W < 0).

To vede k matematickému znázornění prvního zákona, který se ukáže jako velmi užitečný a může být přepsán několika užitečnými způsoby:

Analýza a termodynamický proces, alespoň v situaci ve fyzikální učebně, obecně zahrnuje analýzu situace, kdy jedna z těchto veličin je buď 0 nebo alespoň kontrolovatelná přiměřeným způsobem. Například v adiabatický proces, přenos tepla (Q) se rovná 0, zatímco v isochorický proces práce (W) se rovná 0.

první zákon Termodynamika je mnohými považována za základ konceptu zachování energie. V zásadě se říká, že energii, která jde do systému, nelze ztratit po cestě, ale musí se použít k něčemu... v takovém případě změňte vnitřní energii nebo vykonejte práci.

Z tohoto pohledu je první zákon termodynamiky jedním z nejrozsáhlejších vědeckých konceptů, jaké kdy byly objeveny.

Druhý termodynamický zákon: Druhý termodynamický zákon je formulován mnoha způsoby, jak bude brzy popsáno, ale je to v zásadě zákon který se - na rozdíl od většiny ostatních fyzikálních zákonů - nezabývá tím, jak něco udělat, ale spíše se zabývá výhradně omezením toho, co může být Hotovo.

Je to zákon, který říká, že příroda nás omezuje v dosahování určitých druhů výsledků, aniž by do toho bylo vynaloženo mnoho práce, a jako taková je také úzce spjata s koncept zachování energie, stejně jako první zákon termodynamiky.

V praktických aplikacích tento zákon znamená, že jakýkoli tepelný motor nebo podobné zařízení založené na principech termodynamiky nemůže být ani teoreticky 100% efektivní.

Tento princip byl poprvé osvětlen francouzským fyzikem a inženýrem Sadi Carnotem, když ho rozvíjel Carnotův cyklus v roce 1824 byl později formalizován jako zákon termodynamiky německý fyzik Rudolf Clausius.

Druhý zákon termodynamiky je snad nejoblíbenější mimo oblast fyziky, protože úzce souvisí s konceptem entropie nebo porucha vzniklá během termodynamického procesu. Druhý zákon, přeformulovaný jako prohlášení o entropii, zní:

V jakémkoli uzavřeném systému, jinými slovy, pokaždé, když systém prochází termodynamickým procesem, nemůže se systém nikdy úplně vrátit do přesně stejného stavu, v jakém byl předtím. Toto je jedna definice používaná pro šipka času protože entropie vesmíru se bude v průběhu času vždy zvyšovat podle druhého termodynamického zákona.

Cyklická transformace, jejímž jediným výsledkem je přeměna tepla získaného ze zdroje, který je po celou dobu na stejnou teplotu, je nemožná. - Skotský fyzik William Thompson (Cyklická transformace, jejímž jediným konečným výsledkem je přenos tepla z těla při dané teplotě do těla při vyšší teplotě, je nemožná. - německý fyzik Rudolf Clausius

Všechny výše uvedené formulace druhého termodynamického zákona jsou ekvivalentními tvrzeními stejného základního principu.

Třetím zákonem termodynamiky je v podstatě prohlášení o schopnosti vytvořit absolutní teplotní stupnice, pro kterou absolutní nula je bod, ve kterém vnitřní energie pevné látky je přesně 0.

Různé zdroje ukazují následující tři potenciální formulace třetího termodynamického zákona:

1. Je nemožné redukovat jakýkoli systém na absolutní nulu v konečné sérii operací.
2. Entropie dokonalého krystalu prvku v jeho nejstabilnější formě má sklon k nule, když se teplota blíží absolutní nule.
3. Jak se teplota blíží absolutní nule, entropie systému se blíží konstantě

Třetí zákon znamená několik věcí a všechny tyto formulace opět vedou ke stejnému výsledku v závislosti na tom, jak moc berete v úvahu:

Formulace 3 obsahuje nejméně omezení, pouze uvádí, že entropie jde do konstanty. Ve skutečnosti je tato konstanta nulová entropie (jak je uvedeno ve formulaci 2). Kvůli kvantovým omezením na jakémkoli fyzickém systému se však zhroutí do svého nejnižšího kvantového stavu, ale nikdy nebude moci dokonale redukovat na 0 entropii, proto je nemožné redukovat fyzický systém na absolutní nulu v konečném počtu kroků (což nám dává formulaci 1).