Ένας γρήγορος οδηγός για τους 3 νόμους της θερμοδυναμικής

Οι νόμοι της θερμοδυναμικής υπάρχουν εδώ και λίγο καιρό – από τον 19ο αιώνα, στην πραγματικότητα. Ωστόσο, μόνο και μόνο επειδή είναι καλά καθιερωμένοι δεν σημαίνει ότι δεν μπορούν να μπερδευτούν. Μέρος της κατανόησης αυτών των τριών νόμων είναι να τους ξεμπερδέψεις ο ένας από τον άλλο και να συνδυάσεις τα επιμέρους γεγονότα.

Η θερμοδυναμική είναι ένας κλάδος της επιστήμης που περιλαμβάνει σχέσεις μεταξύ της θερμότητας και όλων των μορφών ενέργειας, όπως η μηχανική, η ηλεκτρική και η χημική. Είναι μια φυσική έννοια, επομένως ασχολείται με απτά συστήματα ή μηχανές. Με αυτές τις πληροφορίες να λειτουργούν ως θεμέλιο, ερευνητές και επιστήμονες άρχισαν να αναπτύσσουν τους τρεις νόμους που γνωρίζουμε σήμερα.

Η εμφάνιση των Θερμοδυναμικών Νόμων

Κατά τη διάρκεια της Βιομηχανικής Επανάστασης, οι νόμοι της θερμοδυναμικής άρχισαν να εμφανίζονται. Υπήρχε η ιδέα ότι ένα μηχάνημα θα έπρεπε να μπορεί να λειτουργεί χωρίς τη δική του θερμότητα, παρέχοντας ένα μέσο λειτουργίας για αόριστο χρονικό διάστημα.

Οι μηχανικοί απέκλεισαν αργότερα αυτή την ιδέα λόγω της φύσης μιας μηχανής εργασίας. Θα υπάρχει πάντα απώλεια θερμότητας ή μετατροπή ενέργειας κατά τη διάρκεια οποιασδήποτε διαδικασίας. Από εκεί, οι νόμοι της θερμοδυναμικής μπήκαν σιγά σιγά στο παιχνίδι και βοήθησαν τους ειδικούς να κατανοήσουν τις ιδιότητες της ενέργειας και της θερμότητας.

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής εστιάζει στη φύση της ενέργειας και της θερμότητας. Είναι ίσως ο πιο κοινός νόμος – μπορεί να ακούσετε ανθρώπους να τον αναφέρουν ή να τον θυμούνται από το σχολείο. Δηλώνει ότι η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί. Ακόμη και σε επίπεδο υποατομικών σωματιδίων, αυτός ο νόμος παραμένει. Ωστόσο, μπορείτε να εξοικονομήσετε ή να μεταφέρετε ενέργεια. Αυτή η ιδέα οδήγησε τους επιστήμονες να αναπτύξουν μια απλή εξίσωση, E2 – E1 =Q – W.

Το Ε αντιπροσωπεύει την εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος. Το Q αντιπροσωπεύει τη μεταφορά θερμότητας σε ένα σύστημα και το W είναι το έργο που εκτελεί το σύστημα. Αυτή η εξίσωση αντιπροσωπεύει πώς η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος ισούται με τη διαφορά στη μεταφορά θερμότητας και στην εργασία. Όπου τα Q και W εξαρτώνται από το σύστημα και τη διαδικασία, το E δεν εξαρτώνται. Αντίθετα, λειτουργεί ως η εσωτερική ενέργεια, η οποία είναι κάτι σαν κινητική ή δυνητική ενέργεια. Επομένως, ένα σύστημα μπορεί να αποθηκεύσει ή να αλλάξει αυτήν την ενέργεια ανάλογα με τη διαδικασία.

Ως μέρος αυτού του νόμου, η ιδέα ότι η ροή θερμότητας εξαρτάται από τα στάδια μιας διαδικασίας είναι απαραίτητη. Αυτή η ιδέα μπορεί να φαίνεται προφανής, αλλά μπορεί να γίνει πιο περίπλοκη. Η αρχική και η τελική κατάσταση, καθώς και οι διεργασίες, επηρεάζουν την ποσότητα της ροής θερμότητας και συνεπώς το αποτέλεσμα της τελικής κατάστασης.

Για παράδειγμα, αντικαταστήστε την εξίσωση με μέρη ενός κινητήρα. Ο πρώτος νόμος αποδεικνύει ότι η απόδοση του έργου από τον κινητήρα που προστίθεται στην αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας θα ισούται με την εισερχόμενη θερμότητα του.

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής περιπλέκει τα θέματα του πρώτου προσθέτοντας την εντροπία, τον βαθμό αταξίας και την τυχαιότητα σε ένα σύστημα. Αντιπροσωπεύει τη μη διαθέσιμη ή μη χρησιμοποιήσιμη ενέργεια σε ένα σύστημα και καθώς αυξάνεται, η χρησιμοποιήσιμη ενέργεια μειώνεται.

Για να βοηθήσουν στην καλύτερη κατανόηση του τρόπου λειτουργίας της εντροπίας στα θερμοδυναμικά συστήματα, οι επιστήμονες ανέπτυξαν μια άλλη εξίσωση, ΔS =∆Q/T. Εδώ, το Q αντιπροσωπεύει και πάλι τη μεταφορά θερμότητας σε ένα σύστημα. Το T αντιπροσωπεύει τη θερμοκρασία και το S αντιπροσωπεύει το επίπεδο εντροπίας.

Η εντροπία περιλαμβάνει την κατάρρευση ενός συστήματος, το οποίο είναι φυσικό φαινόμενο και μέρος του γιατί δεν μπορούν να λειτουργούν επ' αόριστον. Επομένως, η ενέργεια, κάποια στιγμή, θα διαλυθεί. Τα σωματίδια θα θέλουν συνεχώς να διαστέλλονται, αλλά τελικά θα κυριαρχήσει η εντροπία.

Ο δεύτερος νόμος παίρνει το παράδειγμα του κινητήρα από τον πρώτο νόμο και προσθέτει εντροπία σε αυτόν. Τι μοιάζει όμως; Πρώτον, να έχετε κατά νου ότι η απόδοση εργασίας δεν μπορεί ποτέ να ξεπεράσει την εισροή ενέργειας. Για παράδειγμα, ο κινητήρας δεν μπορεί να μεταφέρει το 100% της ενέργειάς του στην παραγωγή εργασίας, επειδή μερικά θα γίνουν θερμότητα και ήχος. Στη συνέχεια, η εντροπία είναι παρούσα σε κάθε σύστημα, οπότε καθώς μεταφέρεται ενέργεια, ένα τμήμα γίνεται άχρηστο. Αυτή η ιδέα είναι η ρίζα της εντροπίας, η οποία τελικά θα εξαπλωθεί όλο και περισσότερο.

Σε ποιο βαθμό η εντροπία μπορεί να επιβραδύνει την κίνηση ή τη θερμοκρασία; Ο τρίτος νόμος επεκτείνεται σε αυτήν την ιδέα.

Ο Τρίτος Νόμος της Θερμοδυναμικής

Ο τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής ενσωματώνει την ιδέα του απόλυτου μηδέν. Το απόλυτο μηδέν είναι η χαμηλότερη θεωρητικά δυνατή θερμοκρασία όπου η κίνηση των σωματιδίων γίνεται όσο πιο αργή μπορεί να είναι. Για την προοπτική, το απόλυτο μηδέν είναι μηδέν Kelvin. Ισοδυναμεί με -459,67˚F ή -273,15˚C. Αν αυτό σας φαίνεται απίστευτα ψυχρό, έχετε δίκιο, γιατί το απόλυτο μηδέν είναι αδύνατο να επιτευχθεί. Σε αυτή τη θερμοκρασία, δεν παραμένει θερμική ενέργεια σε ένα σύστημα.

Επειδή η εντροπία συνεχώς αυξάνεται, τίποτα δεν μπορεί να φτάσει στο απόλυτο μηδέν. Η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί και πάντα αποθηκεύεται ή μεταφέρεται. Στο απόλυτο μηδέν, η εντροπία θα έπρεπε επίσης να φτάσει στο μηδέν. Η εξίσωση που αντιπροσωπεύει καλύτερα αυτόν τον νόμο ενσωματώνει πολλά από τα στοιχεία από τους άλλους νόμους, αλλά διαφορετικά, limT -> 0, S =0.

Αυτή η εξίσωση μπορεί να φαίνεται πιο περίπλοκη, αλλά οι μεταβλητές παραμένουν οι ίδιες. Το T αντιπροσωπεύει τη θερμοκρασία και το S αντιπροσωπεύει το επίπεδο της εντροπίας. Τι ακριβώς σημαίνει όμως; Καθώς η θερμοκρασία φτάνει στο μηδέν, η εντροπία θα πρέπει επίσης να είναι ίση με το μηδέν. Και πάλι, ωστόσο, το απόλυτο μηδέν είναι αδύνατο και δυστυχώς θα παραμείνει έτσι.

Όλη η ύλη - στερεά, υγρά και αέρια - είναι πάντα σε κίνηση σε μοριακό επίπεδο. Το απόλυτο μηδέν θα απαιτούσε και αυτά τα μόρια και τα άτομα να φτάσουν στο μηδέν. Ωστόσο, καθώς η εντροπία επεκτείνεται συνεχώς, το απόλυτο μηδέν είναι αδύνατο.

Ο μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής

Ένας άλλος λιγότερο κοινός νόμος της θερμοδυναμικής είναι ο μηδενικός. Αυτός ο νόμος είναι απλούστερος και πιο παγιωμένος από τους άλλους και είναι περισσότερο κανόνας. Δηλώνει ότι αν A=B και A=C, τότε B=C. Με άλλα λόγια, εάν το σύστημα Β ισούται με το σύστημα Α και το σύστημα Γ ίσο επίσης με το σύστημα Α, τότε τα συστήματα Β και Γ θα ισούνται επίσης μεταξύ τους.

Αυτός ο νόμος βοήθησε τους επιστήμονες να προσδιορίσουν τη θερμοκρασία σε εξισώσεις. Ως αποτέλεσμα, εάν η θερμοκρασία του Α είναι ίση με Β και ίση με C, τότε οι Β και Γ πρέπει επίσης να έχουν την ίδια θερμοκρασία όταν βρίσκονται κοντά και να βρίσκονται σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους. Δύο συστήματα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία όταν δεν ανταλλάσσουν θερμότητα, παρά το γεγονός ότι βρίσκονται σε επαφή μεταξύ τους.

Λόγω της επαφής τους, δεν επηρεάζουν πλέον τη θερμοκρασία του άλλου. Σκεφτείτε να προσθέσετε γάλα σε ένα φλιτζάνι καφέ. Τα δύο βρίσκονται σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους και τελικά θα είναι η θερμοκρασία του δείγματος. Εάν ένα τρίτο σύστημα μπει στο παιχνίδι, θα γίνει επίσης η ίδια θερμοκρασία με τα άλλα δύο. Έτσι, αυτός ο νόμος βοήθησε τους ερευνητές να κατανοήσουν και να εξάγουν τη μεταβλητή για τη θερμοκρασία όταν την τοποθετούν σε μια εξίσωση.

Σημασία της Θερμοδυναμικής

Η θερμοδυναμική και οι νόμοι της έχουν σημαντική σχέση στη χημεία, τη φυσική και τη μηχανική. Βοηθούν σε πράγματα όπως η ανάπτυξη κατάλληλων συστημάτων για χρήση ενέργειας, η κατανόηση των χημικών διεργασιών, οι φυσικές αντιδράσεις, οι μετατροπές θερμοκρασίας και πολλά άλλα. Βοηθούν και στην καθημερινότητα. Η ψύξη, ο κλιματισμός, οι λέβητες, η ακτινοβολία και πολλά άλλα βασίζονται στη θερμοδυναμική και τις ιδιότητες μεταφοράς θερμότητας. Τα μικρότερα πράγματα, επίσης, όπως φορητοί υπολογιστές και tablet, χρησιμοποιούν νόμους για τη θερμότητα και την ενέργεια.

Ουσιαστικά, η θερμοδυναμική χρησιμεύει ως βάση για τα πάντα. Περιλαμβάνει άτομα, σωματίδια, ενέργεια και εντροπία, τα οποία αποτελούν μέρος κάθε απτού πράγματος. Χωρίς αυτούς τους νόμους, οι επιστήμονες δεν θα καταλάβαιναν πώς λειτουργεί η ενέργεια και η θερμότητα και πώς συνθέτουν συστήματα, πράγματα, ανθρώπους και οτιδήποτε άλλο.