Istražite tri zakona termodinamike

Grana znanosti zvala termodinamika bavi se sustavima koji su u mogućnosti prenijeti Termalna energija u barem jedan drugi oblik energije (mehaničku, električnu itd.) ili u rad. Zakoni termodinamike razvijani su tijekom godina kao neka od najosnovnijih pravila koja se slijede kada odlazi termodinamički sustav kroz neku vrstu promjene energije.

Povijest termodinamike započinje Otto von Guericke koji je 1650. godine izgradio prvu na svijetu vakuumsku pumpu i demonstrirao vakuum koristeći svoje magdeburške hemisfere. Guericke je bio natjeran da napravi vakuum kako bi opovrgnuo Aristotelovu dugotrajnu pretpostavku da "priroda odriče vakuum". Ubrzo nakon Guericke, engleski fizičar i kemičar Robert Boyle saznao je za Guerickeove nacrte i 1656. godine, u koordinaciji s engleskim znanstvenikom Robertom Hookeom, izgradio zračnu pumpu. Pomoću ove pumpe Boyle i Hooke primijetili su povezanost tlaka, temperature i volumena. Vremenom je formuliran Boyleov zakon koji kaže da su tlak i volumen obrnuto proporcionalni.

zakoni termodinamike imaju tendenciju da se prilično lako navodi i razumije... toliko da je lako podcijeniti utjecaj koji imaju. Između ostalog, oni su ograničavali kako se energija može koristiti u svemiru. Bilo bi vrlo teško pretjerano naglasiti koliko je ovaj koncept značajan. Posljedice zakona termodinamike na neki se način dotiču gotovo svakog aspekta znanstvenog istraživanja.

Da biste razumjeli zakone termodinamike, ključno je razumjeti neke druge koncepte termodinamike koji se na njih odnose.

• Termodinamički pregled - pregled osnovnih principa područja termodinamike
• Toplinska energija - osnovna definicija toplinske energije
• Temperatura - osnovna definicija temperature
• Uvod u prijenos topline - objašnjenje različitih metoda prijenosa topline.
• Termodinamički procesi - zakoni termodinamike uglavnom se odnose na termodinamičke procese, kada termodinamički sustav prolazi kroz neku vrstu energetskog transfera.

Proučavanje topline kao posebnog oblika energije započelo je otprilike 1798. godine kada je sir Benjamin Thompson (također poznat kao Grof Rumford), britanski vojni inženjer, primijetio je da se toplina može proizvesti proporcionalno količini posla učinjeno... temeljni koncept koji bi u konačnici postao posljedica prvog zakona termodinamike.

Francuski fizičar Sadi Carnot prvi je formulirao osnovni princip termodinamike 1824. godine. Načela koja je Carnot koristio u definiranju njegovih Carnotov ciklus toplinski motor bi u konačnici preveo u drugi zakon termodinamike od strane njemačkog fizičara Rudolf Clausius, koji je često zaslužan za sastavljanje prvog zakona iz termodinamika.

Dio razloga brzog razvoja termodinamike u devetnaestom stoljeću bila je potreba za razvojem učinkovitih parnih motora tijekom industrijske revolucije.

Zakoni termodinamike ne odnose se posebno na to kako i zašto prijenosa topline, što ima smisla za zakone koji su formulirani prije nego što je atomska teorija u potpunosti usvojena. Oni se bave zbrojem ukupnih prijelaza energije i topline unutar sustava i ne uzimaju u obzir specifičnost prijenosa topline na atomskoj ili molekularnoj razini.

Ovaj nula zakona je vrsta prijelaznog svojstva toplinske ravnoteže. Prijelazno svojstvo matematike kaže da ako su A = B i B = C, onda je A = C. Isto je i s termodinamičkim sustavima koji su u toplinskoj ravnoteži.

Jedna posljedica nultog zakona je ideja koja mjeri temperatura ima ikakvo značenje. Da biste izmjerili temperaturu, toplinska ravnoteža mora se doseći između termometra kao cjeline, žive unutar termometra i tvari koja se mjeri. To zauzvrat rezultira time da možemo točno odrediti temperaturu tvari.

Taj je zakon shvaćen bez izričitog izlaganja kroz veći dio povijesti termodinamike studija, a tek se shvatilo da je to sam po sebi zakon početkom 20. st. Bio je to britanski fizičar Ralph H. Fowler koji je prvi skovao pojam "nulte zakona", utemeljen na uvjerenju da je on temeljniji čak i od ostalih zakona.

Iako ovo može zvučati složeno, to je zaista vrlo jednostavna ideja. Ako sustavu dodate toplinu, mogu se učiniti samo dvije stvari - promjena unutarnja energija sustava ili uzrokovati da sustav radi (ili, naravno, neka kombinacija to dva). Sva toplinska energija mora se baviti tim stvarima.

Fizičari obično koriste jedinstvene konvencije za predstavljanje količina iz prvog zakona termodinamike. Oni su:

• U1 (ili Ui) = početna unutarnja energija na početku procesa
• U2 (ili Uf) = konačna unutarnja energija na kraju procesa
• delta-U = U2 - U1 = Promjena unutarnje energije (koristi se u slučajevima kada su specifičnosti početnih i završnih unutarnjih energija nebitne)
• P = toplina prenesena u (P > 0) ili izvan (P <0) sustav
• W = raditi izvodi sustav (W > 0) ili na sustavu (W < 0).

Ovo daje matematički prikaz prvog zakona koji se pokazuje vrlo korisnim i može se prepisati na nekoliko korisnih načina:

Analiza a termodinamički proces, barem unutar situacije u nastavi fizike, uglavnom uključuje analizu situacije u kojoj je jedna od tih količina 0 ili najmanje na razuman način. Na primjer, u an adijabatski proces, prijenos topline (P) jednak je 0 dok je u an izohorski proces posao (W) jednak je 0.

prvi zakon termodinamike mnogi vide kao temelj koncepta očuvanja energije. To u osnovi kaže da se energija koja ulazi u sustav ne može izgubiti na putu, već ga treba iskoristiti za nešto... u ovom slučaju ili promijenite unutarnju energiju ili obavite posao.

Zauzeto s ovog stajališta, prvi zakon termodinamike jedan je od najdugovječnijih znanstvenih koncepata ikada otkrivenih.

Drugi zakon termodinamike: Drugi zakon termodinamike formuliran je na više načina, kao što ćemo ukratko riješiti, ali u osnovi je zakon koji se - za razliku od većine drugih zakona fizike - ne bavi načinom kako nešto učiniti, već se u potpunosti bavi ograničenjem na ono što može biti učinjeno.

To je zakon koji kaže da nas priroda ograničava da postignemo određene vrste ishoda, a da pritom ne uložimo puno posla i kao takav je usko povezan s koncept očuvanja energije, koliko je prvi zakon termodinamike.

U praktičnoj primjeni, ovaj zakon znači da bilo koji toplotna mašina ili sličan uređaj temeljen na principima termodinamike ne može, čak ni u teoriji, biti 100% učinkovit.

Taj je princip prvi obrazložio francuski fizičar i inženjer Sadi Carnot, dok je razvijao svoj Carnotov ciklus motor 1824., a kasnije je formaliziran kao zakon termodinamike njemački fizičar Rudolf Clausius.

Drugi zakon termodinamike možda je najpopularniji izvan područja fizike jer je usko povezan s pojmom entropija ili poremećaj nastao tokom termodinamičkog procesa. Reformuliran kao izjava u vezi s entropijom, drugi zakon glasi:

U bilo kojem zatvorenom sustavu, drugim riječima, svaki put kad sustav prođe kroz termodinamički proces, sustav se nikada ne može u potpunosti vratiti u točno ono stanje u kojem je bio prije. Ovo je jedna definicija koja se koristi za strelica vremena jer će se entropija svemira s vremenom uvijek povećavati prema drugom zakonu termodinamike.

Ne može se dogoditi ciklička transformacija čiji je jedini konačni rezultat pretvorba topline dobivene iz izvora koji je pri istoj temperaturi tijekom rada. - škotski fizičar William Thompson (ciklička transformacija čiji je jedini konačni rezultat prenošenje topline s tijela na određenoj temperaturi u tijelo na višoj temperaturi, nemoguće je. - Njemački fizičar Rudolf Clausius

Sve gore navedene formulacije Drugog zakona termodinamike ekvivalentne su izjave istog temeljnog principa.

Treći zakon termodinamike u osnovi je izjava o sposobnosti stvaranja apsolutan temperaturna ljestvica, za koju apsolutna nula je točka u kojoj je unutarnja energija krutine točno 0.

Različiti izvori pokazuju sljedeće tri potencijalne formulacije trećeg zakona termodinamike:

1. Nemoguće je smanjiti bilo koji sustav na apsolutnu nulu u konačnom nizu operacija.
2. Entropija savršenog kristala nekog elementa u njegovom najstabilnijem obliku teži nuli kada se temperatura približava apsolutnoj nuli.
3. Kako se temperatura približava apsolutnoj nuli, entropija sustava približava se konstanti

Treći zakon znači nekoliko stvari, i opet sve ove formulacije rezultiraju istim ishodom, ovisno o tome koliko uzimate u obzir:

Formulacija 3 sadrži najmanje ograničenja, samo navodi da entropija postaje konstanta. Zapravo, ta konstanta je nulta entropija (kao što je navedeno u formulaciji 2). Međutim, zbog kvantnih ograničenja na bilo kojem fizičkom sustavu, on će se srušiti u svoje najniže kvantno stanje, ali nikada neće biti u stanju savršeno smanjiti na 0 entropije, dakle nemoguće je smanjiti fizički sustav na apsolutnu nulu u ograničenom broju koraka (što nam daje formulaciju 1).