• Ποιοι είναι οι νόμοι της θερμοδυναμικής;
• Προέλευση των νόμων της θερμοδυναμικής
• Πρώτος Νόμος της Θερμοδυναμικής
• Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής
• Τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής
• Μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής

Εξηγούμε ποιοι είναι οι νόμοι της θερμοδυναμικής, ποια είναι η προέλευση αυτών των αρχών και τα κύρια χαρακτηριστικά της καθεμίας.

Οι νόμοι της θερμοδυναμικής χρησιμεύουν για την κατανόηση των φυσικών νόμων του σύμπαντος.

Ποιοι είναι οι νόμοι της θερμοδυναμικής;

Οι νόμοι της θερμοδυναμικής (ή οι αρχές της θερμοδυναμικής) περιγράφουν τη συμπεριφορά τριών θεμελιωδών φυσικών μεγεθών, των θερμοκρασία, ο Ενέργεια και τοεντροπία, που χαρακτηρίζουν θερμοδυναμικά συστήματα. Ο όρος «θερμοδυναμική» προέρχεται από τα ελληνικά θερμός, Τι σημαίνει "θερμότητα", Υ δυναμό, Τι σημαίνει "δύναμη”.

Μαθηματικά, αυτές οι αρχές περιγράφονται από τον α σειρά εξισώσεων που εξηγούν τη συμπεριφορά των θερμοδυναμικών συστημάτων, που ορίζονται ως οποιοδήποτε αντικείμενο μελέτης (από α μόριο ή α ανθρώπινο ον, μέχρι ατμόσφαιρα ή βραστό νερό σε κατσαρόλα).

Υπάρχουν τέσσερις νόμοι της θερμοδυναμικής και είναι κρίσιμοι για την κατανόηση των φυσικών νόμων του σύμπαν και η αδυναμία ορισμένων φαινομένων όπως η κίνηση διαρκής.

Προέλευση των νόμων της θερμοδυναμικής

Οι τέσσερις αρχές του θερμοδυναμική Έχουν διαφορετική προέλευση και μερικά διατυπώθηκαν από τα προηγούμενα. Το πρώτο που καθιερώθηκε, στην πραγματικότητα, ήταν το δεύτερο, το έργο του Γάλλου φυσικού και μηχανικού Nicolás Léonard Sadi Carnot το 1824.

Ωστόσο, το 1860 αυτή η αρχή διατυπώθηκε ξανά από τους Rudolf Clausius και William Thompson, προσθέτοντας στη συνέχεια αυτό που σήμερα ονομάζουμε Πρώτος Νόμος της Θερμοδυναμικής. Αργότερα εμφανίστηκε το τρίτο, γνωστό και ως «αξίωμα Nerst», επειδή προέκυψε χάρη στις μελέτες του Walther Nernst μεταξύ 1906 και 1912.

Τελικά, ο λεγόμενος «νόμος μηδέν» εμφανίστηκε το 1930, που προτάθηκε από τους Guggenheim και Fowler. Πρέπει να πούμε ότι δεν αναγνωρίζεται σε όλους τους τομείς ως αληθινός νόμος.

Πρώτος Νόμος της Θερμοδυναμικής

Η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί, μόνο να μεταμορφωθεί.

Ο πρώτος νόμος ονομάζεται «Νόμος της Διατήρησης της Ενέργειας» επειδή υπαγορεύει ότι σε οποιαδήποτε Σύστημα απομονωμένο από το περιβάλλον του, η συνολική ποσότητα ενέργειας θα είναι πάντα η ίδια, παρόλο που μπορεί να μετατραπεί από μια μορφή ενέργειας σε διαφορετική. Ή με άλλα λόγια: η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί, μόνο να μεταμορφωθεί.

Έτσι, παρέχοντας μια δεδομένη ποσότητα θερμότητας (Q) σε ένα φυσικό σύστημα, η συνολική ποσότητα ενέργειας του μπορεί να υπολογιστεί ως η θερμότητα που παρέχεται μείον τοδουλειά (W) που εκτελείται από το σύστημα στο περιβάλλον του. Εκφράζεται σε έναν τύπο: ΔU = Q - W.

Ως παράδειγμα αυτού του νόμου, ας φανταστούμε έναν κινητήρα αεροπλάνου. Είναι ένα θερμοδυναμικό σύστημα που αποτελείται από καύσιμο που αντιδρά χημικά κατά τη διαδικασία της καύση, απελευθερώνει θερμότητα και λειτουργεί (που κάνει το αεροπλάνο να κινείται). Έτσι: αν μπορούσαμε να μετρήσουμε την ποσότητα της εργασίας που έγινε και τη θερμότητα που απελευθερώθηκε, θα μπορούσαμε να υπολογίσουμε τη συνολική ενέργεια του συστήματος και να συμπεράνουμε ότι η ενέργεια στον κινητήρα παρέμεινε σταθερή κατά τη διάρκεια της πτήσης: η ενέργεια δεν δημιουργήθηκε ούτε καταστράφηκε, αλλά άλλαξε του χημική ενέργεια προς το θερμιδική ενέργεια ΥΚινητική ενέργεια (κίνηση, δηλαδή εργασία).

Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής

Αν δοθεί αρκετός χρόνος, όλα τα συστήματα θα τείνουν τελικά να αποσυντονιστούν.

Ο δεύτερος νόμος, που ονομάζεται επίσης «Νόμος της Εντροπίας», μπορεί να συνοψιστεί στο ότι η ποσότητα του εντροπία στο σύμπαν τείνει να αυξάνεται στο καιρός. Αυτό σημαίνει ότι ο βαθμός διαταραχής των συστημάτων αυξάνεται μέχρι να φτάσει σε ένα σημείο ισορροπίας, που είναι η κατάσταση της μεγαλύτερης διαταραχής του συστήματος.

Αυτός ο νόμος εισάγει μια θεμελιώδη έννοια στη φυσική: την έννοια της εντροπίας (που αντιπροσωπεύεται από το γράμμα S), η οποία στην περίπτωση των φυσικών συστημάτων αντιπροσωπεύει το βαθμό αταξίας. Αποδεικνύεται ότι σε κάθε φυσική διαδικασία στην οποία υπάρχει μετασχηματισμός ενέργειας, ένα ορισμένο ποσό ενέργειας δεν είναι αξιοποιήσιμο, δηλαδή δεν μπορεί να κάνει δουλειά. Εάν δεν μπορείτε να κάνετε δουλειά, στις περισσότερες περιπτώσεις αυτή η ενέργεια είναι θερμότητα. Αυτή η θερμότητα που απελευθερώνει το σύστημα, αυτό που κάνει είναι να αυξάνει την αταξία του συστήματος, την εντροπία του. Η εντροπία είναι ένα μέτρο της αταξίας ενός συστήματος.

Η διατύπωση αυτού του νόμου ορίζει ότι η μεταβολή στην εντροπία (dS) θα είναι πάντα ίση ή μεγαλύτερη από τομεταφορά θερμότητας (dQ), διαιρούμενο με τη θερμοκρασία (T) του συστήματος. Δηλαδή, ότι: dS ≥ dQ / T.

Για να το καταλάβετε αυτό με ένα παράδειγμα, αρκεί να κάψετε μια συγκεκριμένη ποσότητα ύλη και στη συνέχεια συλλέξτε τη στάχτη που προκύπτει. Όταν τα ζυγίσουμε, θα επαληθεύσουμε ότι είναι λιγότερη ύλη από αυτή που ήταν στην αρχική της κατάσταση: μέρος της ύλης μετατράπηκε σε θερμότητα με τη μορφή αέρια ότι δεν μπορούν να δουλέψουν στο σύστημα και ότι συμβάλλουν στην αταξία του.

Τρίτος νόμος της θερμοδυναμικής

Όταν φτάσουμε στο απόλυτο μηδέν, οι διαδικασίες των φυσικών συστημάτων σταματούν.

Ο τρίτος νόμος λέει ότι η εντροπία ενός συστήματος που φέρεται στο απόλυτο μηδέν θα είναι μια ορισμένη σταθερά. Με άλλα λόγια:

• Όταν φτάσουμε στο απόλυτο μηδέν (μηδέν σε μονάδες Kelvin), οι διαδικασίες των φυσικών συστημάτων σταματούν.
• Όταν φτάσει το απόλυτο μηδέν (μηδέν σε μονάδες Kelvin), η εντροπία έχει μια σταθερή ελάχιστη τιμή.

Είναι δύσκολο να φτάσουμε στο λεγόμενο απόλυτο μηδέν (-273,15 ° C) σε καθημερινή βάση, αλλά μπορούμε να σκεφτούμε αυτόν τον νόμο αναλύοντας τι συμβαίνει σε έναν καταψύκτη: τροφή ότι θα εναποθέσουμε εκεί θα κρυώσει τόσο πολύ που οι βιοχημικές διεργασίες μέσα σε αυτό θα επιβραδυνθούν ή και θα σταματήσουν. Γι' αυτό καθυστερεί η αποσύνθεσή του και του κατανάλωση για πολύ περισσότερο.

Μηδενικός νόμος της θερμοδυναμικής

Ο «νόμος μηδέν» εκφράζεται λογικά ως εξής: αν A = C και B = C, τότε A = B.

Ο «νόμος μηδέν» είναι γνωστός με αυτό το όνομα αν και ήταν ο τελευταίος που τέθηκε σε εφαρμογή. Γνωστός και ως Νόμος της Θερμικής Ισορροπίας, αυτή η αρχή υπαγορεύει ότι: «Εάν δύο συστήματα είναι μέσα θερμική ισορροπία ανεξάρτητα με ένα τρίτο σύστημα, πρέπει επίσης να βρίσκονται σε θερμική ισορροπία μεταξύ τους». Μπορεί να εκφραστεί λογικά ως εξής: αν A = C και B = C, τότε A = B.

Αυτός ο νόμος μας επιτρέπει να συγκρίνουμε τη θερμική ενέργεια τριών διαφορετικών σωμάτων Α, Β και Γ. Αν το σώμα Α βρίσκεται σε θερμική ισορροπία με το σώμα Γ (έχουν την ίδια θερμοκρασία) και το Β έχει επίσης την ίδια θερμοκρασία με το Γ, τότε το Α και Β έχουν την ίδια θερμοκρασία.

Ένας άλλος τρόπος έκφρασης αυτής της αρχής είναι να υποστηρίξουμε ότι όταν δύο σώματα με διαφορετικές θερμοκρασίες έρχονται σε επαφή, ανταλλάσσουν θερμότητα μέχρι να εξισωθούν οι θερμοκρασίες τους.

Καθημερινά παραδείγματα αυτού του νόμου είναι εύκολο να βρεθούν. Όταν μπαίνουμε σε κρύο ή ζεστό νερό, θα παρατηρήσουμε τη διαφορά στη θερμοκρασία μόνο τα πρώτα λεπτά, αφού το σώμα μας θα εισέλθει σε θερμική ισορροπία με τοΝερό και δεν θα παρατηρούμε πλέον τη διαφορά. Το ίδιο συμβαίνει όταν μπαίνουμε σε ένα ζεστό ή κρύο δωμάτιο: θα παρατηρήσουμε τη θερμοκρασία στην αρχή, αλλά μετά θα σταματήσουμε να αντιλαμβανόμαστε τη διαφορά γιατί θα μπούμε σε θερμική ισορροπία μαζί της.