Verken de drie wetten van de thermodynamica

De tak van de wetenschap belde thermodynamica behandelt systemen die kunnen worden overgedragen thermische energie in ten minste één andere vorm van energie (mechanisch, elektrisch, etc.) of in werk. De wetten van de thermodynamica zijn in de loop der jaren ontwikkeld als enkele van de meest fundamentele regels die worden gevolgd wanneer een thermodynamisch systeem gaat door een soort energieverandering.

De geschiedenis van de thermodynamica begint met Otto von Guericke, die in 1650 's werelds eerste vacuümpomp bouwde en een vacuüm demonstreerde met behulp van zijn Magdeburg-hemisferen. Guericke werd gedreven om een ​​vacuüm te maken om Aristoteles 'lang bestaande veronderstelling dat' de natuur een vacuüm verafschuwt 'te weerleggen. Kort na Guericke had de Engelse natuurkundige en scheikundige Robert Boyle kennis gemaakt met de ontwerpen van Guericke en in 1656 bouwde hij in samenwerking met de Engelse wetenschapper Robert Hooke een luchtpomp. Met behulp van deze pomp merkten Boyle en Hooke een verband op tussen druk, temperatuur en volume. Na verloop van tijd werd de wet van Boyle opgesteld, waarin staat dat druk en volume omgekeerd evenredig zijn.

De wetten van thermodynamica zijn meestal vrij gemakkelijk te verklaren en te begrijpen... zo erg zelfs dat het gemakkelijk is om de impact die ze hebben te onderschatten. Ze leggen onder meer beperkingen op aan hoe energie kan worden gebruikt in het universum. Het zou heel moeilijk zijn om te benadrukken hoe belangrijk dit concept is. De gevolgen van de wetten van de thermodynamica raken op de een of andere manier bijna elk aspect van wetenschappelijk onderzoek.

Om de wetten van de thermodynamica te begrijpen, is het essentieel om enkele andere thermodynamische concepten te begrijpen die daarop betrekking hebben.

• Overzicht thermodynamica - een overzicht van de basisprincipes van het gebied van de thermodynamica
• Warmte energie - een basisdefinitie van warmte-energie
• Temperatuur - een basisdefinitie van temperatuur
• Inleiding tot warmteoverdracht - een uitleg van verschillende methoden voor warmteoverdracht.
• Thermodynamische processen - de wetten van de thermodynamica zijn meestal van toepassing op thermodynamische processen, wanneer een thermodynamisch systeem een ​​soort energetische overdracht doormaakt.

De studie van warmte als een aparte vorm van energie begon rond 1798 toen Sir Benjamin Thompson (ook bekend als Count Rumford), een Britse militaire ingenieur, merkte op dat warmte kon worden opgewekt in verhouding tot de hoeveelheid werk gedaan... een fundamenteel concept dat uiteindelijk een gevolg zou worden van de eerste wet van de thermodynamica.

De Franse natuurkundige Sadi Carnot formuleerde in 1824 voor het eerst een basisprincipe van de thermodynamica. De principes die Carnot gebruikte om de zijne te definiëren Carnot-cyclus warmtemotor zou zich uiteindelijk vertalen in de tweede wet van de thermodynamica door de Duitse natuurkundige Rudolf Clausius, die ook vaak wordt gecrediteerd met de formulering van de eerste wet van thermodynamica.

Een deel van de reden voor de snelle ontwikkeling van de thermodynamica in de negentiende eeuw was de noodzaak om tijdens de industriële revolutie efficiënte stoommachines te ontwikkelen.

De wetten van de thermodynamica houden zich niet bepaald bezig met het specifieke hoe en waarom van warmteoverdracht, wat logisch is voor wetten die werden opgesteld voordat de atoomtheorie volledig werd aangenomen. Ze hebben betrekking op het totaal van energie- en warmteovergangen binnen een systeem en houden geen rekening met de specifieke aard van warmteoverdracht op atomair of moleculair niveau.

Deze nul wet is een soort van transitieve eigenschap van thermisch evenwicht. De transitieve eigenschap van de wiskunde zegt dat als A = B en B = C, dan A = C. Hetzelfde geldt voor thermodynamische systemen die in thermisch evenwicht zijn.

Een gevolg van de nulwet is het idee dat meten temperatuur heeft geen enkele betekenis. Om de temperatuur te meten, thermisch evenwicht moet worden bereikt tussen de thermometer als geheel, het kwik in de thermometer en de te meten stof. Dit resulteert op zijn beurt in het nauwkeurig kunnen vertellen wat de temperatuur van de stof is.

Deze wet werd begrepen zonder expliciet te worden vermeld in een groot deel van de geschiedenis van de thermodynamica studie, en men realiseerde zich pas dat het begin 20ste een wet op zich was eeuw. Het was de Britse natuurkundige Ralph H. Fowler die voor het eerst de term 'nul wet' bedacht, gebaseerd op de overtuiging dat het zelfs fundamenteler was dan de andere wetten.

Dit klinkt misschien ingewikkeld, maar het is echt een heel eenvoudig idee. Als u warmte aan een systeem toevoegt, kunt u slechts twee dingen doen: de interne energie van het systeem of zorgt ervoor dat het systeem werkt (of, natuurlijk, een combinatie van de twee). Alle warmte-energie moet worden gebruikt om deze dingen te doen.

Natuurkundigen gebruiken doorgaans uniforme conventies om de grootheden in de eerste wet van de thermodynamica weer te geven. Zij zijn:

• U1 (of Ui) = initiële interne energie aan het begin van het proces
• U2 (of Uf) = laatste interne energie aan het einde van het proces
• delta-U = U2 - U1 = verandering in interne energie (gebruikt in gevallen waarin de specifieke kenmerken van het beginnen en eindigen van interne energieën niet relevant zijn)
• Q = warmte overgedragen in (Q > 0) of uit (Q <0) het systeem
• W = werk uitgevoerd door het systeem (W > 0) of op het systeem (W < 0).

Dit levert een wiskundige weergave op van de eerste wet die erg nuttig blijkt te zijn en op een aantal nuttige manieren kan worden herschreven:

De analyse van een thermodynamisch proces, althans binnen een natuurkundeklaslokaal, gaat het in het algemeen om het analyseren van een situatie waarin een van deze grootheden ofwel 0 is of tenminste op een redelijke manier beheersbaar. Bijvoorbeeld in een adiabatisch proces, de warmteoverdracht (Q) is gelijk aan 0 terwijl in een isochorisch proces het werk (W) is gelijk aan 0.

De eerste wet van thermodynamica wordt door velen gezien als de basis van het concept van energiebesparing. Het zegt in feite dat de energie die in een systeem gaat, niet onderweg verloren kan gaan, maar moet worden gebruikt om iets te doen... verander in dit geval de interne energie of voer werk uit.

In deze opvatting is de eerste wet van de thermodynamica een van de meest verstrekkende wetenschappelijke concepten die ooit zijn ontdekt.

Tweede wet van de thermodynamica: De tweede wet van de thermodynamica is op vele manieren geformuleerd, zoals binnenkort zal worden besproken, maar is in feite een wet die - in tegenstelling tot de meeste andere natuurkundige wetten - niet gaat over hoe je iets moet doen, maar eerder over het beperken van wat kan zijn gedaan.

Het is een wet die zegt dat de natuur ons ervan weerhoudt bepaalde soorten resultaten te behalen zonder er veel werk in te steken, en als zodanig ook nauw verbonden is met de concept van het behoud van energie, zoals de eerste wet van de thermodynamica is.

In praktische toepassingen betekent deze wet dat elk warmte motor of een vergelijkbaar apparaat gebaseerd op de principes van de thermodynamica kan, zelfs in theorie, niet 100% efficiënt zijn.

Dit principe werd voor het eerst belicht door de Franse natuurkundige en ingenieur Sadi Carnot, terwijl hij de zijne ontwikkelde Carnot-cyclus motor in 1824, en werd later geformaliseerd als wet van de thermodynamica door de Duitse natuurkundige Rudolf Clausius.

De tweede wet van de thermodynamica is misschien wel de meest populaire buiten het domein van de natuurkunde omdat deze nauw verwant is aan het concept van entropie of de stoornis die ontstaat tijdens een thermodynamisch proces. Opnieuw geformuleerd als een verklaring met betrekking tot entropie, luidt de tweede wet:

In elk gesloten systeem, met andere woorden, elke keer dat een systeem een ​​thermodynamisch proces doorloopt, kan het systeem nooit helemaal terugkeren naar exact dezelfde staat als voorheen. Dit is een definitie die wordt gebruikt voor de pijl van tijd aangezien de entropie van het heelal in de loop van de tijd altijd zal toenemen volgens de tweede wet van de thermodynamica.

Een cyclische transformatie waarvan het enige eindresultaat is om warmte die is onttrokken aan een bron die overal op dezelfde temperatuur is, om te zetten in werk is onmogelijk. - Schotse natuurkundige William Thompson (een cyclische transformatie waarvan het enige uiteindelijke resultaat is dat warmte van een lichaam bij een bepaalde temperatuur naar een lichaam met een hogere temperatuur wordt overgebracht, is onmogelijk. - Duitse natuurkundige Rudolf Clausius

Alle bovenstaande formuleringen van de tweede wet van de thermodynamica zijn gelijkwaardige verklaringen van hetzelfde fundamentele principe.

De derde wet van de thermodynamica is in wezen een verklaring over het vermogen om een ​​te creëren absoluut temperatuurschaal, waarvoor absolute nulpunt is het punt waarop de interne energie van een vaste stof precies 0 is.

Verschillende bronnen tonen de volgende drie mogelijke formuleringen van de derde wet van de thermodynamica:

1. Het is onmogelijk om een ​​systeem tot een absoluut nulpunt terug te brengen in een eindige reeks bewerkingen.
2. De entropie van een perfect kristal van een element in zijn meest stabiele vorm neigt naar nul als de temperatuur het absolute nulpunt nadert.
3. Als de temperatuur het absolute nulpunt nadert, nadert de entropie van een systeem een ​​constante

De derde wet betekent een paar dingen, en nogmaals, al deze formuleringen resulteren in hetzelfde resultaat, afhankelijk van hoeveel u in aanmerking neemt:

Formulering 3 bevat de minste beperkingen en stelt alleen dat de entropie naar een constante gaat. In feite is deze constante nul entropie (zoals vermeld in formulering 2). Als gevolg van kwantumbeperkingen op elk fysiek systeem zal het echter instorten in zijn laagste kwantumtoestand, maar nooit in staat zijn om perfect te verminderen naar 0 entropie, daarom is het onmogelijk om een ​​fysiek systeem tot een absoluut nul terug te brengen in een eindig aantal stappen (wat ons formulering oplevert 1).