Utforsk de tre lovene for termodynamikk

Vitenskapens gren ringte termodynamikk omhandler systemer som er i stand til å overføre Termisk energi i minst en annen form for energi (mekanisk, elektrisk, etc.) eller i arbeid. Lovene om termodynamikk ble utviklet gjennom årene som noen av de mest grunnleggende reglene som følges når et termodynamisk system går gjennom en slags energiendring.

Termodynamikkens historie begynner med Otto von Guericke som i 1650 bygde verdens første vakuumpumpe og demonstrerte et vakuum ved hjelp av hans Magdeburg-halvkuler. Guericke ble drevet til å lage et vakuum for å motbevise Aristoteles langvarige antakelse om at 'naturen avsky et vakuum'. Rett etter Guericke hadde den engelske fysikeren og kjemikeren Robert Boyle lært om Guerickes design, og i 1656, i samordning med den engelske forskeren Robert Hooke, bygget en luftpumpe. Ved bruk av denne pumpen merket Boyle og Hooke en sammenheng mellom trykk, temperatur og volum. Med tiden ble Boyle's Law formulert, som sier at trykk og volum er omvendt proporsjonale.

De lover for termodynamikk har en tendens til å være ganske lett å oppgi og forstå... så mye at det er lett å undervurdere virkningen de har. De setter blant annet begrensninger for hvordan energi kan brukes i universet. Det ville være veldig vanskelig å over-understreke hvor viktig dette konseptet er. Konsekvensene av lovene for termodynamikk berører nesten alle aspekter av vitenskapelig undersøkelse på noen måte.

For å forstå lovene i termodynamikk, er det viktig å forstå noen andre termodynamiske begreper som er relatert til dem.

• Termodynamikk oversikt - en oversikt over de grunnleggende prinsippene for feltet for termodynamikk
• Varme energi - en grunnleggende definisjon av varmeenergi
• Temperatur - en grunnleggende definisjon av temperatur
• Introduksjon til Heat Transfer - en forklaring på ulike varmeoverføringsmetoder.
• Termodynamiske prosesser - lovene i termodynamikk gjelder for det meste for termodynamiske prosesser, når et termodynamisk system går gjennom en slags energioverføring.

Studiet av varme som en distinkt form for energi begynte i omtrent 1798 da Sir Benjamin Thompson (også kjent som Grev Rumford), en britisk militæringeniør, la merke til at det kunne genereres varme i forhold til mengden arbeid gjort... et grunnleggende begrep som til slutt ville bli en konsekvens av termodynamikkens første lov.

Den franske fysikeren Sadi Carnot formulerte først et grunnleggende prinsipp for termodynamikk i 1824. Prinsippene som Carnot brukte for å definere hans Carnot syklus varmemotor vil til slutt oversette til den andre loven om termodynamikk av den tyske fysikeren Rudolf Clausius, som også ofte krediteres formuleringen av den første loven fra termodynamikk.

En del av grunnen til den raske utviklingen av termodynamikk på det nittende århundre var behovet for å utvikle effektive dampmaskiner under den industrielle revolusjonen.

Lovene i termodynamikk dreier seg ikke særlig om det konkrete hvordan og hvorfor av varmeoverføring, noe som gir mening for lover som ble formulert før atomteorien ble fullt ut adoptert. De tar for seg summen av energi og varmeoverganger i et system og tar ikke hensyn til den spesifikke arten av varmeoverføring på atom- eller molekylnivå.

Dette nullerer loven er en slags transitiv egenskap av termisk likevekt. Matematikkens transitive egenskap sier at hvis A = B og B = C, så er A = C. Det samme er tilfelle for termodynamiske systemer som er i termisk likevekt.

En konsekvens av nulletalloven er ideen om å måle temperatur har noen som helst betydning. For å måle temperatur, termisk likevekt må nås mellom termometeret som helhet, kvikksølvet inne i termometeret og stoffet som måles. Dette resulterer igjen i å kunne fortelle nøyaktig hva temperaturen på stoffet er.

Denne loven ble forstått uten å bli eksplisitt uttalt gjennom mye av termodynamikkens historie studium, og det ble først innsett at det var en lov i seg selv på begynnelsen av det 20. århundre århundre. Det var den britiske fysikeren Ralph H. Fowler som først myntet begrepet "nullethet lov", basert på en tro på at det var mer grunnleggende selv enn de andre lovene.

Selv om dette kan høres sammensatt ut, er det egentlig en veldig enkel idé. Hvis du tilfører varme til et system, er det bare to ting som kan gjøres - endre indre energi av systemet eller få systemet til å utføre arbeid (eller, selvfølgelig, en kombinasjon av de to). All varmeenergien må gå til å gjøre disse tingene.

Fysikere bruker vanligvis ensartede konvensjoner for å representere mengdene i den første loven om termodynamikk. De er:

• U1 (eller Ui) = innledende indre energi i starten av prosessen
• U2 (eller Uf) = endelig intern energi på slutten av prosessen
• delta-U = U2 - U1 = Endring i indre energi (brukt i tilfeller der spesifikasjonene til begynnelse og slutt av interne energier er uten betydning)
• Q = varme overført til (Q > 0) eller ut av (Q <0) systemet
• W = arbeid utført av systemet (W > 0) eller på systemet (W < 0).

Dette gir en matematisk fremstilling av den første loven som viser seg veldig nyttig og kan skrives om på et par nyttige måter:

Analysen av a termodynamisk prosess, i det minste i en fysikkklasseromsituasjon, innebærer generelt å analysere en situasjon hvor en av disse mengdene enten er 0 eller i det minste kontrollerbar på en rimelig måte. For eksempel i en adiabatisk prosess, varmeoverføringen (Q) er lik 0 mens du er i et isokorisk prosess arbeidet (W) er lik 0.

De første lov av termodynamikk blir av mange sett på som grunnlaget for konseptet konservering av energi. Den sier i utgangspunktet at energien som går inn i et system ikke kan gå tapt underveis, men må brukes til å gjøre noe... i dette tilfellet, enten endre intern energi eller utføre arbeid.

Sett i dette synspunktet, er den første loven om termodynamikk et av de mest vidstrakte vitenskapelige begrepene som noen gang er oppdaget.

Andre lov om termodynamikk: Den andre loven om termodynamikk er formulert på mange måter, slik det vil bli behandlet i løpet av kort tid, men er i utgangspunktet en lov som - i motsetning til de fleste andre fysiske lover - ikke handler om hvordan man gjør noe, men heller fullstendig handler med å begrense hva som kan være gjort.

Det er en lov som sier at naturen hindrer oss i å oppnå visse slags utfall uten å legge mye arbeid i det, og som sådan også er tett knyttet til konseptet om bevaring av energi, omtrent som den første loven om termodynamikk er.

I praktiske anvendelser betyr denne loven at noen varmemotor eller lignende enhet basert på prinsippene for termodynamikk kan ikke, i teorien, være 100% effektive.

Dette prinsippet ble først belyst av den franske fysikeren og ingeniøren Sadi Carnot, da han utviklet sitt Carnot syklus motor i 1824, og ble senere formalisert som en lov om termodynamikk av den tyske fysikeren Rudolf Clausius.

Den andre loven om termodynamikk er kanskje den mest populære utenfor fysikkens rike fordi den er nært knyttet til begrepet entropi eller lidelsen som er opprettet under en termodynamisk prosess. Omformulert som en uttalelse angående entropi lyder den andre loven:

I et hvilket som helst lukket system, med andre ord, hver gang et system går gjennom en termodynamisk prosess, kan systemet aldri helt tilbake til nøyaktig samme tilstand som det var i før. Dette er en definisjon som brukes for tidens pil siden entropi av universet alltid vil øke over tid i henhold til termodynamikkens andre lov.

En syklisk transformasjon hvis eneste sluttresultat er å transformere varme utvunnet fra en kilde som er med samme temperatur gjennom hele arbeid, er umulig. - Den skotske fysikeren William Thompson (En syklisk transformasjon hvis eneste sluttresultat er å overføre varme fra et legeme ved en gitt temperatur til et legeme ved en høyere temperatur er umulig. - Den tyske fysikeren Rudolf Clausius

Alle de ovennevnte formuleringene av den andre loven om termodynamikk er likeverdige uttalelser av samme grunnleggende prinsipp.

Den tredje loven om termodynamikk er i hovedsak en uttalelse om evnen til å lage en absolutte temperaturskala, som absolutt null er punktet der den indre energien til et faststoff er nøyaktig 0.

Ulike kilder viser følgende tre potensielle formuleringer av den tredje loven om termodynamikk:

1. Det er umulig å redusere noe system til absolutt null i en begrenset serie av operasjoner.
2. Entropien til en perfekt krystall av et element i sin mest stabile form har en tendens til null når temperaturen nærmer seg absolutt null.
3. Når temperaturen nærmer seg absolutt null, nærmer systemets entropi seg en konstant

Den tredje loven betyr noen få ting, og igjen resulterer alle disse formuleringene i samme resultat, avhengig av hvor mye du tar hensyn til:

Formulering 3 inneholder de minste begrensningene, og sier bare at entropi går til en konstant. Faktisk er denne konstanten null entropi (som angitt i formulering 2). På grunn av kvantebegrensninger på et hvilket som helst fysisk system, vil det imidlertid kollapse i sin laveste kvantetilstand, men aldri kunne fullstendig redusere til 0 entropi, derfor er det umulig å redusere et fysisk system til absolutt null i et begrenset antall trinn (som gir oss formulering 1).