- Koji su zakoni termodinamike?
- Postanak zakona termodinamike
- Prvi zakon termodinamike
- Drugi zakon termodinamike
- Treći zakon termodinamike
- Nulti zakon termodinamike
Objašnjavamo koji su zakoni termodinamike, porijeklo ovih principa i glavne karakteristike svakog od njih.
Koji su zakoni termodinamike?
Zakoni termodinamike (ili principi termodinamike) opisuju ponašanje triju osnovnih fizikalnih veličina, temperatura, the Energija ientropija, koji karakteriziraju termodinamičke sustave. Izraz "termodinamika" dolazi od grčkog termos, Što to znači "toplina“, Y dinamo, Što to znači "sila”.
Matematički, ova načela opisuje a skupa jednadžbi koje objašnjavaju ponašanje termodinamičkih sustava, definiranih kao bilo koji predmet proučavanja (iz a molekula ili a ljudsko biće, do atmosfera ili kipuće vode u loncu).
Postoje četiri zakona termodinamike i oni su ključni za razumijevanje fizikalnih zakona svemir te nemogućnost određenih pojava kao što su pokret vječni.
Postanak zakona termodinamike
Četiri principa termodinamika Imaju različito podrijetlo, a neke su formulirane iz prethodnih. Prvi koji je ustanovljen, zapravo, bio je drugi, djelo francuskog fizičara i inženjera Nicolása Léonarda Sadija Carnota 1824. godine.
Međutim, 1860. godine ovaj princip su ponovno formulirali Rudolf Clausius i William Thompson, dodajući tada ono što danas nazivamo Prvim zakonom termodinamike. Kasnije se pojavio i treći, također poznat kao "Nerstov postulat" jer je nastao zahvaljujući studijama Walthera Nernsta između 1906. i 1912. godine.
Konačno, takozvani "nulti zakon" pojavio se 1930. godine, koji su predložili Guggenheim i Fowler. Treba reći da nije u svim područjima priznat kao pravi zakon.
Prvi zakon termodinamike
Prvi zakon naziva se "Zakon održanja energije" jer to nalaže u bilo kojem sustav izolirana od svoje okoline, ukupna količina energije uvijek će biti ista, iako se može transformirati iz jednog oblika energije u različite. Ili drugim riječima: energija se ne može stvoriti ili uništiti, samo transformirati.
Dakle, dovođenjem određene količine topline (Q) fizičkom sustavu, njegova ukupna količina energije može se izračunati kao dovedena toplina minusposao (W) koju sustav izvodi na svojoj okolini. Izraženo u formuli: ΔU = Q - W.
Kao primjer ovog zakona, zamislimo motor aviona. To je termodinamički sustav koji se sastoji od goriva koje kemijski reagira tijekom procesa izgaranje, oslobađa toplinu i radi (koji tjera avion da se kreće). Dakle: kada bismo mogli izmjeriti količinu obavljenog rada i oslobođene topline, mogli bismo izračunati ukupnu energiju sustava i zaključiti da je energija u motoru ostala konstantna tijekom leta: energija nije niti stvorena niti uništena, već se promijenila od kemijska energija do kalorijska energija YKinetička energija (kretanje, odnosno rad).
Drugi zakon termodinamike
Drugi zakon, također nazvan "Zakon entropije", može se sažeti u to da je količina entropija u svemiru ima tendenciju povećanja u vrijeme. To znači da se stupanj neuređenosti sustava povećava sve dok ne dođe do točke ravnoteže, što je stanje najvećeg poremećaja sustava.
Ovaj zakon uvodi temeljni koncept u fiziku: pojam entropije (predstavljena slovom S), koja u slučaju fizičkih sustava predstavlja stupanj nereda. Ispada da u svakom fizičkom procesu u kojem dolazi do transformacije energije određena količina energije nije iskoristiva, odnosno ne može obavljati rad. Ako ne možete raditi, u većini slučajeva ta energija je toplina. Ta toplina koju sustav oslobađa, ono što radi je povećanje poremećaja sustava, njegovu entropiju. Entropija je mjera poremećaja sustava.
Formulacija ovog zakona utvrđuje da će promjena entropije (dS) uvijek biti jednaka ili veća odprijenos topline (dQ), podijeljeno s temperaturom (T) sustava. Odnosno, da je: dS ≥ dQ / T.
Da bismo to razumjeli na primjeru, dovoljno je spaliti određenu količinu materija a zatim prikupiti dobiveni pepeo. Kada ih izvagamo, provjerit ćemo da je to manje materije od onoga što je bilo u svom početnom stanju: dio materije pretvoren je u toplinu u obliku plinovi da ne mogu raditi na sustavu i da doprinose njegovom poremećaju.
Treći zakon termodinamike
Treći zakon kaže da će entropija sustava koji je doveden na apsolutnu nulu biti određena konstanta. Drugim riječima:
- Postizanjem apsolutne nule (nula u Kelvinovim jedinicama), procesi fizičkih sustava prestaju.
- Nakon postizanja apsolutne nule (nula u Kelvinovim jedinicama), entropija ima konstantnu minimalnu vrijednost.
Teško je svakodnevno doseći takozvanu apsolutnu nulu (-273,15°C), ali o ovom zakonu možemo razmišljati analizirajući što se događa u zamrzivaču: hrana koje ondje odlažemo toliko će se ohladiti da će se biokemijski procesi unutar njega usporiti ili čak zaustaviti. Zato se kasni njezino raspadanje i njegovo potrošnja za mnogo dulje.
Nulti zakon termodinamike
"Nulti zakon" je poznat pod tim imenom iako je bio posljednji koji se kandidirao. Također poznat kao Zakon toplinske ravnoteže, ovo načelo nalaže sljedeće: „Ako su dva sustava u toplinska ravnoteža neovisno o trećem sustavu, oni također moraju biti u toplinskoj ravnoteži jedni s drugima. Logički se može izraziti na sljedeći način: ako je A = C i B = C, onda je A = B.
Ovaj zakon nam omogućuje da usporedimo toplinsku energiju triju različitih tijela A, B i C. Ako je tijelo A u toplinskoj ravnoteži s tijelom C (imaju istu temperaturu), a B također ima istu temperaturu kao C, tada je A i B imaju istu temperaturu.
Drugi način iskazivanja ovog principa je argument da kada dva tijela s različitim temperaturama dođu u kontakt, oni razmjenjuju toplinu dok se njihove temperature ne izjednače.
Lako je pronaći svakodnevne primjere ovog zakona. Kada uđemo u hladnu ili toplu vodu, primijetit ćemo razliku u temperaturi tek u prvim minutama jer će naše tijelo tada ući u toplinsku ravnotežu sVoda i više nećemo primijetiti razliku. Isto se događa kada uđemo u toplu ili hladnu prostoriju: prvo ćemo primijetiti temperaturu, ali onda ćemo prestati opažati razliku jer ćemo s njom ući u toplinsku ravnotežu.