Изучите три закона термодинамики

Раздел науки называется термодинамика имеет дело с системами, которые могут передавать тепловая энергия по крайней мере, в одну другую форму энергии (механическую, электрическую и т. д.) или в работу. Законы термодинамики были разработаны на протяжении многих лет как некоторые из самых фундаментальных правил, которые соблюдаются, когда термодинамическая система работает через какое-то изменение энергии.

История термодинамики начинается с Отто фон Герике, который в 1650 году построил первый в мире вакуумный насос и продемонстрировал вакуум, используя свои магдебургские полушария. Герике был вынужден создать вакуум, чтобы опровергнуть давнее предположение Аристотеля о том, что «природа не терпит пустоты». Вскоре после Герике английский физик и химик Роберт Бойль узнал о конструкции Герике и в 1656 году по согласованию с английским ученым Робертом Гуком построил воздушный насос. Используя этот насос, Бойл и Гук заметили корреляцию между давлением, температурой и объемом. Со временем был сформулирован закон Бойля, согласно которому давление и объем обратно пропорциональны.

законы термодинамики как правило, довольно легко изложить и понять... настолько, что легко недооценить влияние, которое они оказывают. Среди прочего, они накладывают ограничения на то, как энергия может быть использована во вселенной. Было бы очень трудно переоценить важность этой концепции. Последствия законов термодинамики так или иначе затрагивают почти все аспекты научных исследований.

Чтобы понять законы термодинамики, важно понять некоторые другие концепции термодинамики, которые к ним относятся.

• Обзор термодинамики - обзор основных принципов в области термодинамики
• Тепловая энергия - базовое определение тепловой энергии
• температура - базовое определение температуры
• Введение в теплопередачу - объяснение различных методов теплопередачи.
• Термодинамические процессы - законы термодинамики в основном применяются к термодинамическим процессам, когда термодинамическая система проходит через своего рода энергетический перенос.

Изучение тепла как особой формы энергии началось примерно в 1798 году, когда сэр Бенджамин Томпсон (также известный как Граф Рамфорд, британский военный инженер, заметил, что тепло может генерироваться пропорционально объему работы сделано... фундаментальная концепция, которая в конечном итоге стала бы следствием первого закона термодинамики.

Французский физик Сади Карно впервые сформулировал основной принцип термодинамики в 1824 году. Принципы, которые Карно использовал, чтобы определить его Карно цикл Тепловой двигатель в конечном итоге перешел бы во второй закон термодинамики немецкого физика Рудольф Клаузиус, которому также часто приписывают формулировку первого закона термодинамика.

Одной из причин быстрого развития термодинамики в XIX веке была необходимость разработки эффективных паровых двигателей во время промышленной революции.

Законы термодинамики не особенно касаются того, как и почему теплообмена, что имеет смысл для законов, которые были сформулированы до того, как атомная теория была полностью принята. Они имеют дело с общей суммой энергетических и тепловых переходов внутри системы и не учитывают специфический характер переноса тепла на атомном или молекулярном уровне.

Эта нулевой закон является своего рода переходным свойством теплового равновесия. Транзитивное свойство математики говорит, что если A = B и B = C, то A = C. То же самое относится и к термодинамическим системам, находящимся в тепловом равновесии.

Одним из следствий нулевого закона является идея, что измерение температура имеет какое-либо значение. Чтобы измерить температуру, тепловое равновесие между термометром в целом, ртутью внутри термометра и измеряемым веществом. Это, в свою очередь, приводит к возможности точно определить температуру вещества.

Этот закон был понят без явного указания на протяжении большей части истории термодинамики. учиться, и было только понято, что это был закон сам по себе в начале 20-го века. Это был британский физик Ральф Х. Фаулер, который впервые ввел термин «нулевой закон», основывался на убеждении, что он более фундаментален, чем другие законы.

Хотя это может показаться сложным, это действительно очень простая идея. Если вы добавляете тепло в систему, можно сделать только две вещи - изменить внутренняя энергия системы или заставить систему работать (или, конечно, некоторую комбинацию двух). Вся тепловая энергия должна идти на эти вещи.

Физики обычно используют единообразные условные обозначения для представления величин в первом законе термодинамики. Они есть:

• U1 (или Ui) = начальная внутренняя энергия в начале процесса
• U2 (или Uе) = конечная внутренняя энергия в конце процесса
• дельта-U = U2 - U1 = изменение внутренней энергии (используется в тех случаях, когда особенности начальной и конечной внутренних энергий не имеют значения)
• Q = тепло передается в (Q > 0) или из (Q <0) система
• W = Работа выполняется системой (W > 0) или в системе (W < 0).

Это дает математическое представление первого закона, который оказывается очень полезным и может быть переписан несколькими полезными способами:

Анализ термодинамический процессПо крайней мере, в ситуации в классе физики, как правило, включает анализ ситуации, когда одна из этих величин либо равна 0, либо, по крайней мере, контролируется разумным образом. Например, в адиабатический процесстеплопередача (Q) равен 0 в то время как в изохорный процесс работа (W) равно 0.

первый закон термодинамика рассматривается многими как основа концепции сохранения энергии. По сути, это говорит о том, что энергия, которая поступает в систему, не может быть потеряна по пути, а должна использоваться для чего-то... в этом случае либо меняйте внутреннюю энергию, либо выполняйте работу.

Исходя из этого, первый закон термодинамики является одним из самых далеко идущих научных понятий, когда-либо обнаруженных.

Второй закон термодинамики: второй закон термодинамики сформулирован во многих отношениях, как будет рассмотрено в ближайшее время, но в основном это закон который, в отличие от большинства других законов физики, имеет дело не с тем, как что-то делать, а скорее с тем, чтобы ограничить то, что может быть сделано.

Это закон, который гласит, что природа не позволяет нам получать определенные результаты, не вкладывая в это много работы, и поэтому также тесно связана с концепция сохранения энергииКак и первый закон термодинамики.

В практическом применении этот закон означает, что любой Тепловой двигатель или подобное устройство, основанное на принципах термодинамики, даже теоретически не может быть эффективным на 100%.

Этот принцип был впервые освещен французским физиком и инженером Сади Карно, когда он разработал свой Карно цикл двигатель в 1824 году и был впоследствии оформлен как закон термодинамики немецкий физик Рудольф Клаузиус.

Второй закон термодинамики, пожалуй, самый популярный за пределами физики, потому что он тесно связан с понятием энтропия или беспорядок, созданный во время термодинамического процесса. Сформулированный как утверждение об энтропии второй закон гласит:

Другими словами, в любой замкнутой системе каждый раз, когда система проходит термодинамический процесс, система никогда не сможет полностью вернуться в то же состояние, в котором она находилась ранее. Это одно определение, используемое для стрела времени поскольку энтропия вселенной всегда будет увеличиваться со временем согласно второму закону термодинамики.

Циклическое преобразование, единственным конечным результатом которого является преобразование тепла, извлеченного из источника с одинаковой температурой, в работу, невозможно. - шотландский физик Уильям Томпсон (циклическое преобразование, единственным конечным результатом которого является передача тепла от тела с заданной температурой к телу с более высокой температурой, невозможно. - немецкий физик Рудольф Клаузиус

Все приведенные выше формулировки Второго закона термодинамики являются эквивалентными утверждениями одного и того же фундаментального принципа.

Третий закон термодинамики - это, по сути, утверждение о способности создавать абсолютный температурная шкала, для которой полный ноль это точка, в которой внутренняя энергия твердого тела точно равна 0.

Различные источники показывают следующие три потенциальные формулировки третьего закона термодинамики:

1. Невозможно свести любую систему к абсолютному нулю за конечный ряд операций.
2. Энтропия идеального кристалла элемента в его наиболее устойчивой форме стремится к нулю, когда температура приближается к абсолютному нулю.
3. Когда температура приближается к абсолютному нулю, энтропия системы приближается к постоянной

Третий закон означает несколько вещей, и снова все эти формулировки приводят к одному и тому же результату в зависимости от того, сколько вы принимаете во внимание:

Формулировка 3 содержит наименьшие ограничения, просто заявляя, что энтропия переходит в постоянную. Фактически эта константа является нулевой энтропией (как указано в формулировке 2). Тем не менее, из-за квантовых ограничений на любую физическую систему, она упадет до своего самого низкого квантового состояния, но никогда не сможет полностью до 0 энтропии, поэтому невозможно свести физическую систему к абсолютному нулю за конечное число шагов (что дает нам формулировку 1).