Νόμοι της Θερμοδυναμικής

Η θερμοδυναμική είναι η μελέτη της ενέργειας και της θερμότητας. Οι νόμοι της θερμοδυναμικής περιγράψτε τη σχέση μεταξύ ύλης και ενέργειας και πώς σχετίζονται με τη θερμοκρασία και την εντροπία. Πολλά κείμενα απαριθμούν τους τρεις νόμους της θερμοδυναμικής, αλλά στην πραγματικότητα υπάρχουν τέσσερις νόμοι (αν και ο 4ος νόμος ονομάζεται μηδενικός νόμος).

Ακολουθεί μια λίστα με τους νόμους της θερμοδυναμικής και μια γρήγορη περίληψη του τι σημαίνει κάθε νόμος.

Μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής

Ο μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής καθιερώνει την έννοια της θερμοκρασίας:

Εάν δύο συστήματα βρίσκονται σε θερμική ισορροπία με ένα τρίτο σύστημα, πρέπει να βρίσκονται σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους.

Παράδειγμα: Εάν το αυτοκίνητό σας έχει την ίδια θερμοκρασία με το σπίτι σας και το αυτοκίνητό σας την ίδια θερμοκρασία με το γραφείο σας, τότε το σπίτι και το γραφείο σας έχουν την ίδια θερμοκρασία μεταξύ τους.

Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής

Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής είναι επίσης γνωστός ως Νόμος Διατήρησης της Ενέργειας . Δηλώνει η ενέργεια ενός συστήματος μπορεί να αλλάξει μορφή, αλλά ούτε δημιουργείται ούτε καταστρέφεται . Ένας τρόπος να δηλωθεί αυτός ο νόμος είναι «δεν μπορείς να πάρεις κάτι για τίποτα».

Ένας άλλος τρόπος έκφρασης του πρώτου νόμου είναι ότι η εσωτερική ενέργεια (ΔE) ενός συστήματος είναι το άθροισμα της ροής θερμότητας στα όριά του (q) και της εργασίας που γίνεται στο σύστημα (W).

∆E =q + W

Παράδειγμα :Η ενέργεια ενός παιδιού σε μια κούνια είναι ένας συνδυασμός κινητικής και δυνητικής ενέργειας. Η συνολική ενέργεια του συστήματος είναι η ίδια είτε το παιδί βρίσκεται στην κορυφή του τόξου της κούνιας (ελάχιστη κινητική ενέργεια, μέγιστη δυναμική ενέργεια), στο κάτω μέρος του τόξου (μέγιστη κινητική ενέργεια, ελάχιστη δυναμική ενέργεια), είτε οπουδήποτε ενδιάμεσα.

Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει η εντροπία ενός συστήματος που δεν βρίσκεται σε θερμική ισορροπία αυξάνεται . Η εντροπία είναι ένα μέτρο της τυχαιότητας ή της αταξίας ενός θερμοδυναμικού συστήματος. Καθώς η εντροπία αυξάνεται, λιγότερη ενέργεια είναι διαθέσιμη για χρήσιμη εργασία. Εάν ο πρώτος νόμος ορίζει ότι δεν μπορείτε να πάρετε κάτι χωρίς τίποτα, θα μπορούσατε να θεωρήσετε ότι ο δεύτερος νόμος σημαίνει "… και δεν μπορείτε να παραβιάσετε τα ίσα."

Παράδειγμα: Ένα ρολόι που κινείται από ένα ελατήριο πέφτει καθώς η δυναμική του ενέργεια μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια. Μετά από αυτό, το ρολόι δεν θα λειτουργεί ξανά έως ότου προσθέσετε νέα ενέργεια στο σύστημα τυλίγοντας το ρολόι.

Παράδειγμα: Με τον καιρό, η κρεβατοκάμαρά σας γίνεται όλο και πιο ακατάστατη. Γίνεται πιο καθαρό μόνο αν ξοδεύετε ενέργεια και μαζεύετε πράγματα.

Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής υποδεικνύει επίσης την κατεύθυνση της ροής θερμότητας σε ένα σύστημα. Η θερμική ενέργεια ρέει μόνο από υψηλότερη ενέργεια σε χαμηλότερη ενέργεια.

Τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής

Ο τρίτος νόμος λέει η εντροπία ενός συστήματος πλησιάζει τόσο σταθερή όσο η θερμοκρασία πλησιάζει το απόλυτο μηδέν . Το απόλυτο μηδέν είναι η χαμηλότερη θεωρητικά δυνατή θερμοκρασία (0K ή μηδέν Kelvin).

Η εντροπία ενός συστήματος στο απόλυτο μηδέν είναι σχεδόν μηδέν, αλλά όχι απαραίτητα ακριβώς μηδέν. Η εντροπία εξαρτάται από το πόσες θεμελιώδεις καταστάσεις έχει ένα σύστημα. Η καθαρή κρυσταλλική ύλη επιτυγχάνει τέλεια τάξη. Έχει μια ελάχιστη θεμελιώδη κατάσταση και έχει μηδενική εντροπία στο απόλυτο μηδέν. Ωστόσο, το μεγαλύτερο μέρος της ύλης δεν επιτυγχάνει ποτέ εντελώς μηδενική εντροπία.

Οι μηχανές διαρκούς κίνησης είναι αδύνατες

Μια συνέπεια των νόμων της θερμοδυναμικής είναι ότι οι μηχανές αέναης κίνησης δεν είναι δυνατές. Ενώ η ενέργεια μπορεί να αλλάξει από μια μορφή σε άλλη, η εντροπία αυξάνεται και χάνεται ένα κομμάτι της χρησιμοποιήσιμης ενέργειας. Οι μηχανές τροφοδοτούνται από πηγές ενέργειας που τελικά εξαντλούνται. Το πιο κοντινό άτομο που μπορούν να φτάσουν στην αέναη κίνηση είναι να χρησιμοποιήσουν ένα αρχικό τροφοδοτικό που φαίνεται ατελείωτες, όπως η ηλιακή ενέργεια, ως αρχική εισροή ενέργειας.

Αναφορές

• Atkins, Peter (2007). Τέσσερις νόμοι που οδηγούν το σύμπαν . OUP Οξφόρδη. ISBN 978-0199232369.
• Guggenheim, E.A. (1985). Θερμοδυναμική. Μια προηγμένη θεραπεία για χημικούς και φυσικούς (7η έκδ.). Βόρεια Ολλανδία, Άμστερνταμ. ISBN 0-444-86951-4.
• Kittel, C.; Kroemer, Η. (1980). Θερμική Φυσική (2η έκδ.). Σαν Φρανσίσκο:W.H. Φρίμαν. ISBN 0-7167-1088-9.
• Wendt, Richard P. (1974). «Απλοποιημένη θεωρία μεταφοράς για διαλύματα ηλεκτρολυτών». Journal of Chemical Education . Αμερικανική Χημική Εταιρεία (ACS). 51 (10):646. doi:10.1021/ed051p646