Utforska termodynamikens tre lagar

Vetenskapsgrenen heter termodynamik hanterar system som kan överföra värmeenergi i åtminstone en annan form av energi (mekanisk, elektrisk, etc.) eller i arbete. Termodynamikens lagar utvecklades under åren som några av de mest grundläggande reglerna som följs när ett termodynamiskt system går genom någon slags energiförändring.

Termodynamikens historia börjar med Otto von Guericke som 1650 byggde världens första vakuumpump och demonstrerade ett vakuum med sina Magdeburg-halvkuglar. Guericke drevs att göra ett vakuum för att motbevisa Aristoteles långvariga antagande om att "naturen avstår ett vakuum". Strax efter Guericke hade den engelska fysikern och kemisten Robert Boyle lärt sig om Guerickes mönster och byggde 1656 i samordning med den engelska forskaren Robert Hooke en luftpump. Med hjälp av denna pump märkte Boyle och Hooke ett samband mellan tryck, temperatur och volym. Med tiden formulerades Boyle's Law som säger att tryck och volym är omvänt proportionella.

De termodynamiklagar tenderar att vara ganska lätt att ange och förstå... så mycket att det är lätt att underskatta den påverkan de har. De sätter bland annat begränsningar för hur energi kan användas i universum. Det skulle vara mycket svårt att betona för mycket hur betydande detta koncept är. Konsekvenserna av termodynamikens lagar berör nästan alla aspekter av vetenskaplig utredning på något sätt.

För att förstå termodynamikens lagar är det viktigt att förstå några andra termodynamikbegrepp som hänför sig till dem.

• Termodynamiköversikt - en översikt över de grundläggande principerna för termodynamikområdet
• Värmeenergi - en grundläggande definition av värmeenergi
• Temperatur - en grundläggande definition av temperatur
• Introduktion till värmeöverföring - en förklaring av olika värmeöverföringsmetoder.
• Termodynamiska processer - termodynamikens lagar gäller mestadels för termodynamiska processer, när ett termodynamiskt system går igenom någon form av energiförflyttning.

Studien av värme som en distinkt form av energi började ungefär 1798 när Sir Benjamin Thompson (även känd som Greve Rumford), en brittisk militäringenjör, märkte att värme kunde genereras i proportion till mängden arbete Gjort... ett grundläggande begrepp som i slutändan skulle bli en följd av termodynamikens första lag.

Den franska fysikern Sadi Carnot formulerade först en grundprincip för termodynamik 1824. De principer som Carnot använde för att definiera hans Carnot cykel värmemotorn skulle i slutändan översätta till den andra lagen om termodynamik av den tyska fysikern Rudolf Clausius, som också ofta krediteras med formuleringen av den första lagen av termodynamik.

En del av orsaken till den snabba utvecklingen av termodynamik under 1800-talet var behovet av att utveckla effektiva ångmotorer under den industriella revolutionen.

Termodynamikens lagar handlar inte särskilt om hur och varför av värmeöverföring, vilket är vettigt för lagar som formulerades innan atomteorin antogs fullt ut. De hanterar den totala summan av energi och värmeövergångar i ett system och tar inte hänsyn till den specifika karaktären av värmeöverföring på atom- eller molekylnivå.

Detta nollställer lagen är en slags transitiv egenskap av termisk jämvikt. Matematikens övergående egenskap säger att om A = B och B = C, då A = C. Detsamma gäller för termodynamiska system som är i termisk jämvikt.

En konsekvens av nollstatslagen är tanken att mäta temperatur har någon mening. För att mäta temperaturen, termisk jämvikt måste nås mellan termometern som helhet, kvicksilver i termometern och ämnet som mäts. Detta resulterar i sin tur i att exakt kunna berätta vad ämnets temperatur är.

Denna lag förstods utan att uttryckligen anges genom mycket av termodynamikens historia studien, och det förstod först att det var en lag i sig själv i början av 20 århundrade. Det var den brittiska fysikern Ralph H. Fowler som först myntade uttrycket "nollställer lagen", baserat på en övertygelse om att den var mer grundläggande även än de andra lagarna.

Även om detta kan låta komplicerat, är det verkligen en mycket enkel idé. Om du lägger till värme till ett system är det bara två saker som kan göras - ändra inre energi av systemet eller få systemet att arbeta (eller, naturligtvis, en kombination av de två). All värmeenergi måste gå till att göra dessa saker.

Fysiker använder vanligtvis enhetliga konventioner för att representera mängderna i den första lagen för termodynamik. Dom är:

• U1 (eller Ui) = initial intern energi i början av processen
• U2 (eller Uf) = slutlig intern energi i slutet av processen
• delta-U = U2 - U1 = Förändring i inre energi (används i fall där specifikationerna för inledande och slutande inre energi är irrelevanta)
• Q = värme överfört till (Q > 0) eller av (Q <0) systemet
• W = arbete utförs av systemet (W > 0) eller på systemet (W < 0).

Detta ger en matematisk representation av den första lagen som visar sig vara mycket användbar och kan skrivas om på ett par användbara sätt:

Analysen av a termodynamisk process, åtminstone inom en fysikklassrumssituation, innebär i allmänhet att analysera en situation där en av dessa mängder är antingen 0 eller åtminstone kontrollerbar på ett rimligt sätt. Till exempel i en adiabatisk process, värmeöverföringen (Q) är lika med 0 i en isokorisk process arbetet (W) är lika med 0.

De första lagen av termodynamik ses av många som grunden för begreppet bevarande av energi. Det säger i princip att energin som går in i ett system inte kan gå förlorad på vägen utan måste användas för att göra något... i det här fallet, antingen byta intern energi eller utföra arbete.

Med denna åsikt är termodynamikens första lag ett av de mest vidsträckta vetenskapliga begreppen som någonsin upptäckts.

Termodynamikens andra lag: Termodynamikens andra lag är formulerad på många sätt, vilket kommer att behandlas inom kort, men är i princip en lag som - till skillnad från de flesta andra fysiska lagar - inte handlar om hur man gör något utan snarare helt och hållet handlar om att begränsa vad som kan vara Gjort.

Det är en lag som säger att naturen begränsar oss från att få vissa slags resultat utan att lägga mycket arbete på det, och som sådan är det också nära knutet till begreppet bevarande av energi, precis som den första lagen i termodynamiken är.

I praktiska tillämpningar innebär denna lag att alla värme motor eller liknande anordning baserad på principerna för termodynamik kan inte ens i teorin vara 100% effektiv.

Denna princip belyses först av den franska fysikern och ingenjör Sadi Carnot när han utvecklade sin Carnot cykel 1824 och formaliserades senare som en lag för termodynamik av den tyska fysikern Rudolf Clausius.

Termodynamikens andra lag är kanske den mest populära utanför fysikens rike eftersom den är nära besläktad med begreppet entropi eller störningen som skapats under en termodynamisk process. Omformulerad som ett uttalande angående entropi lyder den andra lagen:

I något stängt system, med andra ord, varje gång ett system går igenom en termodynamisk process kan systemet aldrig helt återgå till exakt samma tillstånd som det var i tidigare. Detta är en definition som används för tidens pil eftersom entropin av universum alltid kommer att öka med tiden enligt termodynamikens andra lag.

En cyklisk omvandling vars enda slutliga resultat är att omvandla värme som utvinns från en källa som hela tiden har samma temperatur till arbete är omöjlig. - Skotsk fysiker William Thompson (en cyklisk transformation vars enda slutliga resultat är att överföra värme från en kropp vid en given temperatur till en kropp vid en högre temperatur är omöjligt. - Den tyska fysikern Rudolf Clausius

Alla ovanstående formuleringar av termodynamikens andra lag är likvärdiga uttalanden av samma grundläggande princip.

Termodynamikens tredje lag är i huvudsak ett uttalande om förmågan att skapa en absolut temperaturskala, för vilken absolut noll är den punkt där den inre energin i ett fast ämne är exakt 0.

Olika källor visar följande tre potentiella formuleringar av termodynamikens tredje lag:

1. Det är omöjligt att reducera något system till absolut noll i en ändlig serie av operationer.
2. Entropin för en perfekt kristall av ett element i sin mest stabila form tenderar att noll när temperaturen närmar sig absolut noll.
3. När temperaturen närmar sig absolut noll närmar sig systemets entropi en konstant

Den tredje lagen betyder några saker, och återigen ger alla dessa formuleringar samma resultat beroende på hur mycket du tar hänsyn till:

Formulering 3 innehåller de minsta begränsningarna, endast med uppgift att entropin går till en konstant. I själva verket är denna konstant noll entropi (som anges i formulering 2). På grund av kvantbegränsningar på något fysiskt system kommer det dock att kollapsa i sitt lägsta kvanttillstånd men aldrig kunna reducera perfekt till 0 entropi, därför är det omöjligt att reducera ett fysiskt system till absolut noll i ett begränsat antal steg (vilket ger oss formulering 1).