- Aké sú zákony termodynamiky?
- Pôvod zákonov termodynamiky
- Prvý zákon termodynamiky
- Druhý zákon termodynamiky
- Tretí zákon termodynamiky
- Nulový zákon termodynamiky
Vysvetlíme, aké sú zákony termodynamiky, aký je pôvod týchto princípov a hlavné charakteristiky každého z nich.
Aké sú zákony termodynamiky?
Termodynamické zákony (alebo princípy termodynamiky) popisujú správanie troch základných fyzikálnych veličín, tzv teplota, energie aentropia, ktoré charakterizujú termodynamické systémy. Termín "termodynamika" pochádza z gréčtiny termoska, Čo to znamená "teplo“, Y dynamá, Čo to znamená "sila”.
Matematicky tieto princípy popisuje a nastaviť rovníc, ktoré vysvetľujú správanie termodynamických systémov, definovaných ako akýkoľvek predmet štúdia (od a molekula alebo a ľudská bytosť, až atmosféru alebo vriacou vodou v hrnci).
Existujú štyri zákony termodynamiky a sú rozhodujúce pre pochopenie fyzikálnych zákonov vesmír a nemožnosť určitých javov ako napr pohyb večný.
Pôvod zákonov termodynamiky
Štyri princípy termodynamika Majú rôzny pôvod a niektoré boli formulované z predchádzajúcich. Prvý, ktorý bol založený, bol v skutočnosti druhý, dielo francúzskeho fyzika a inžiniera Nicolása Léonarda Sadiho Carnota v roku 1824.
V roku 1860 však tento princíp opäť sformulovali Rudolf Clausius a William Thompson a pridali to, čo dnes nazývame Prvý termodynamický zákon. Neskôr sa objavil tretí, tiež známy ako „Nerstov postulát“, pretože vznikol vďaka štúdiám Walthera Nernsta v rokoch 1906 až 1912.
Nakoniec sa v roku 1930 objavil takzvaný „nulový zákon“, ktorý navrhli Guggenheim a Fowler. Treba povedať, že nie vo všetkých oblastiach je uznávaný ako pravý zákon.
Prvý zákon termodynamiky
Prvý zákon sa nazýva „Zákon o zachovaní energie“, pretože to nariaďuje v akomkoľvek systém izolované od svojho okolia, celkové množstvo energie bude vždy rovnaké, aj keď sa môže transformovať z jednej formy energie na rôzne. Alebo inak: energiu nemožno vytvárať ani ničiť, iba premieňať.
Dodaním daného množstva tepla (Q) do fyzického systému teda možno vypočítať jeho celkové množstvo energie ako dodané teplo mínusprácu (W) vykonávaný systémom na svojom okolí. Vyjadrené vo vzorci: ΔU = Q - W.
Ako príklad tohto zákona si predstavme motor lietadla. Ide o termodynamický systém, ktorý pozostáva z paliva, ktoré chemicky reaguje počas procesu spaľovanie, uvoľňuje teplo a vykonáva prácu (pri ktorej sa lietadlo pohybuje). Takže: ak by sme mohli zmerať množstvo vykonanej práce a uvoľneného tepla, mohli by sme vypočítať celkovú energiu systému a dospieť k záveru, že energia v motore zostala počas letu konštantná: energia nebola vytvorená ani zničená, ale bola zmenená. z chemická energia do kalorická energia YKinetická energia (pohyb, teda práca).
Druhý zákon termodynamiky
Druhý zákon, nazývaný aj «Zákon entropie», možno zhrnúť do toho, že množstvo entropia vo vesmíre má tendenciu zvyšovať sa počasie. To znamená, že miera neusporiadanosti systémov sa zvyšuje až do dosiahnutia bodu rovnováhy, čo je stav najväčšieho neusporiadania systému.
Tento zákon zavádza základný pojem vo fyzike: pojem entropia (reprezentovaný písmenom S), ktorý v prípade fyzikálnych systémov predstavuje stupeň neusporiadanosti. Ukazuje sa, že v každom fyzikálnom procese, v ktorom dochádza k premene energie, je určité množstvo energie nevyužiteľné, teda nemôže konať. Ak nemôžete pracovať, vo väčšine prípadov je tou energiou teplo. To teplo, ktoré systém uvoľňuje, zvyšuje neusporiadanosť systému, jeho entropiu. Entropia je mierou neusporiadanosti systému.
Formulácia tohto zákona stanovuje, že zmena entropie (dS) bude vždy rovnaká alebo väčšia akoprenos tepla (dQ), delené teplotou (T) systému. To znamená, že: dS ≥ dQ / T.
Aby sme to pochopili na príklade, stačí spáliť určité množstvo záležitosť a potom pozbierať výsledný popol. Pri ich vážení si overíme, že ide o menej hmoty, ako bolo v pôvodnom stave: časť hmoty sa premenila na teplo vo forme plynov že nemôžu vykonávať prácu na systéme a že prispievajú k jeho poruche.
Tretí zákon termodynamiky
Tretí zákon hovorí, že entropia systému, ktorý sa dostane na absolútnu nulu, bude určitou konštantou. Inými slovami:
- Po dosiahnutí absolútnej nuly (nula v jednotkách Kelvina) sa procesy fyzikálnych systémov zastavia.
- Po dosiahnutí absolútnej nuly (nula v jednotkách Kelvina) má entropia konštantnú minimálnu hodnotu.
Je ťažké dosiahnuť takzvanú absolútnu nulu (-273,15 ° C) na dennej báze, ale môžeme o tomto zákone uvažovať pri analýze toho, čo sa deje v mrazničke: jedlo ktoré tam uložíme, vychladne natoľko, že sa biochemické procesy v ňom spomalia alebo dokonca zastavia. Preto sa jeho rozklad oneskoruje a jeho spotreba oveľa dlhšie.
Nulový zákon termodynamiky
"Nulový zákon" je známy pod týmto názvom, hoci bol posledný, ktorý spustil. Taktiež známy ako Zákon tepelnej rovnováhy, tento princíp diktuje, že: „Ak sú dva systémy in tepelná rovnováha nezávisle od tretieho systému musia byť aj navzájom v tepelnej rovnováhe“. Dá sa to logicky vyjadriť takto: ak A = C a B = C, potom A = B.
Tento zákon nám umožňuje porovnať tepelnú energiu troch rôznych telies A, B a C. Ak je teleso A v tepelnej rovnováhe s telesom C (majú rovnakú teplotu) a B má tiež rovnakú teplotu ako C, potom A a B majú rovnakú teplotu.
Ďalším spôsobom vyjadrenia tohto princípu je tvrdenie, že keď sa dve telesá s rôznymi teplotami dostanú do kontaktu, vymieňajú si teplo, kým sa ich teploty nevyrovnajú.
Každodenné príklady tohto zákona sa dajú ľahko nájsť. Keď sa dostaneme do studenej alebo horúcej vody, rozdiel teplôt si všimneme len počas prvých minút, pretože potom sa naše telo dostane do tepelnej rovnováhy sVoda a rozdiel si už nevšimneme. To isté sa stane, keď vstúpime do horúcej alebo studenej miestnosti: najskôr si všimneme teplotu, ale potom prestaneme vnímať rozdiel, pretože s ňou vstúpime do tepelnej rovnováhy.