Разгледайте трите закона на термодинамиката

Клонът на науката призова термодинамика се занимава със системи, които са в състояние да прехвърлят Термална енергия в поне една друга енергия (механична, електрическа и т.н.) или в работа. Законите на термодинамиката са разработени през годините като някои от най-основните правила, които се спазват, когато термодинамичната система върви чрез някаква промяна на енергията.

Историята на термодинамиката започва с Ото фон Герике, който през 1650 г. построи първата в света вакуумна помпа и демонстрира вакуум, използвайки своите полукълби от Магдебург. Герике бе принуден да направи вакуум, за да опровергае дълготрайното предположение на Аристотел, че „природата се отвращава от вакуум“. Малко след Guericke, английският физик и химик Робърт Бойл е научил за проектите на Guericke и през 1656 г. в координация с английския учен Робърт Хук изгражда въздушна помпа. Използвайки тази помпа, Бойл и Хук забелязали връзка между налягане, температура и обем. След време беше формулиран Законът на Бойл, който гласи, че налягането и обемът са обратно пропорционални.

Най- закони на термодинамиката те са доста лесни за заявяване и разбиране... толкова много, че е лесно да се подценява въздействието, което оказват. Освен всичко друго, те поставят ограничения как енергията може да се използва във Вселената. Би било много трудно да се подчертае колко значима е тази концепция. Последиците от законите на термодинамиката докосват почти всеки аспект на научното проучване по някакъв начин.

За да разберете законите на термодинамиката, е от съществено значение да разберете някои други понятия за термодинамика, които са свързани с тях.

• Преглед на термодинамиката - преглед на основните принципи в областта на термодинамиката
• Топлинна енергия - основно определение на топлинната енергия
• температура - основно определение на температурата
• Въведение в топлопреноса - обяснение на различни методи за пренос на топлина.
• Термодинамични процеси - законите на термодинамиката се прилагат най-вече за термодинамичните процеси, когато една термодинамична система преминава през някакъв вид енергиен трансфер.

Изучаването на топлината като отделна форма на енергия започва приблизително през 1798 г., когато сър Бенджамин Томпсън (известен също като Граф Румфорд), британски военен инженер, забеляза, че топлината може да се генерира пропорционално на количеството работа Свършен... фундаментална концепция, която в крайна сметка би станала последица от първия закон на термодинамиката.

Френският физик Сади Карно за първи път формулира основен принцип на термодинамиката през 1824г. Принципите, които Карно използва за определянето на своите Цикъла на Карно в крайна сметка топлинният двигател би се превърнал във втория закон на термодинамиката от немския физик Рудолф Клаус, който също често е кредитиран при формулирането на първия закон от термодинамиката.

Част от причината за бързото развитие на термодинамиката през XIX век беше необходимостта от разработване на ефективни парни двигатели по време на индустриалната революция.

Законите на термодинамиката не се занимават особено с конкретния как и защо на топлопренос, което има смисъл за закони, формулирани преди атомната теория да бъде напълно възприета. Те се занимават с общата сума на преминаване на енергия и топлина в рамките на една система и не вземат предвид специфичния характер на топлопреноса на атомно или молекулно ниво.

Това нулев закон е вид преходно свойство на топлинно равновесие. Преходното свойство на математиката казва, че ако A = B и B = C, тогава A = C. Същото се отнася и за термодинамичните системи, които са в термично равновесие.

Едно от последствията от нулевия закон е идеята, че измерването температура има каквото и да е значение. За да измерите температурата, топлинно равновесие трябва да се достигне между термометъра като цяло, живакът вътре в термометъра и измерваното вещество. Това от своя страна води до възможността точно да се каже каква е температурата на веществото.

Този закон беше разбран, без да е изрично заявен през голяма част от историята на термодинамиката проучване и се разбра само, че това е закон сам по себе си в началото на 20-ти век. Това беше британският физик Ралф Х. Фаулър, който първо измисли термина "нулев закон", се основава на убеждението, че той е по-основен дори от другите закони.

Въпреки че това може да звучи сложно, това е наистина много проста идея. Ако добавите топлина към дадена система, има само две неща, които могат да се направят - промяна на вътрешна енергия на системата или да накара системата да върши работа (или, разбира се, някаква комбинация от двете). Цялата топлинна енергия трябва да се занимава с тези неща.

Обикновено физиците използват еднакви конвенции за представяне на величините в първия закон на термодинамиката. Те са:

• U1 (или Ui) = първоначална вътрешна енергия в началото на процеса
• U2 (или Uе) = крайна вътрешна енергия в края на процеса
• делта-U = U2 - U1 = Промяна във вътрешната енергия (използва се в случаите, когато спецификите на началната и крайната вътрешна енергия са без значение)
• Q = топлина, прехвърлена в (Q > 0) или извън (Q <0) системата
• W = работа изпълнява се от системата (W > 0) или в системата (W < 0).

Това дава математическо представяне на първия закон, който се оказва много полезен и може да бъде пренаписан по няколко полезни начина:

Анализът на a термодинамичен процес, поне в ситуацията в класната стая по физика, обикновено включва анализ на ситуация, при която едно от тези количества е или 0, или поне контролируемо по разумен начин. Например в адиабатен процес, топлопредаването (Q) е равно на 0, докато е в изохорен процес работата (W) е равно на 0.

Най- първи закон на термодинамиката се възприема от мнозина като основа на концепцията за запазване на енергията. Основно казва, че енергията, която влиза в система, не може да бъде загубена по пътя, но трябва да бъде използвана, за да направи нещо... в този случай или променете вътрешната енергия или изпълнете работа.

Приет в този възглед, първият закон на термодинамиката е една от най-обширните научни концепции, откривани някога.

Втори закон на термодинамиката: Вторият закон на термодинамиката е формулиран по много начини, както ще бъде разгледано скоро, но в основата си е закон който - за разлика от повечето други закони във физиката - се занимава не с това как да направите нещо, а по-скоро се занимава изцяло с поставянето на ограничение за това, което може да бъде Свършен.

Това е закон, който казва, че природата ни ограничава да получаваме определени видове резултати, без да влагаме много работа в него и като такъв е тясно обвързан с концепция за опазване на енергията, колкото е първият закон на термодинамиката.

В практически приложения този закон означава, че всеки топлинен двигател или подобно устройство, основано на принципите на термодинамиката, дори и на теория не може да бъде 100% ефективно.

Този принцип е осветен за първи път от френския физик и инженер Сади Карно, докато той разработва своя Цикъла на Карно двигател през 1824 г., а по-късно е формализиран като закон на термодинамиката от немския физик Рудолф Клаус.

Вторият закон на термодинамиката е може би най-популярният извън сферата на физиката, защото е тясно свързан с концепцията на ентропия или разстройството, създадено по време на термодинамичен процес. Преформулиран като изявление относно ентропията, вторият закон гласи:

Във всяка затворена система, с други думи, всеки път, когато една система преминава през термодинамичен процес, системата никога не може напълно да се върне в точно същото състояние, в което е била преди. Това е едно определение, използвано за стрелка на времето тъй като ентропията на Вселената винаги ще се увеличава във времето според втория закон на термодинамиката.

Циклична трансформация, чийто единствен краен резултат е да трансформира топлина, извлечена от източник, който е на една и съща температура през цялото време, е невъзможен. - Шотландски физик Уилям Томпсън (Циклична трансформация, чийто единствен краен резултат е да прехвърля топлина от тяло при дадена температура към тяло с по-висока температура, е невъзможно. - немски физик Рудолф Клаус

Всички по-горе формулировки на Втория закон на термодинамиката са еквивалентни твърдения на един и същ основен принцип.

Третият закон на термодинамиката по същество е изявление за способността за създаване на абсолютен температурна скала, за която абсолютна нула е точката, в която вътрешната енергия на твърдо вещество е точно 0.

Различни източници показват следните три потенциални формулировки на третия закон на термодинамиката:

1. Невъзможно е да се намали никоя система до абсолютна нула в ограничена серия от операции.
2. Ентропията на перфектен кристал на елемент в най-стабилната му форма има тенденция към нула, когато температурата се приближава до абсолютна нула.
3. С наближаването на температурата до абсолютна нула, ентропията на системата се приближава до константа

Третият закон означава няколко неща и отново всички тези формулировки водят до един и същ резултат в зависимост от това колко ще вземете предвид:

Формулация 3 съдържа най-малко ограничения, като само се посочва, че ентропията преминава в константа. Всъщност тази константа е нулева ентропия (както е посочено във формула 2). Въпреки това, поради квантовите ограничения на всяка физическа система, тя ще се срине в най-ниското си квантово състояние, но никога няма да може да намали перфектно до 0 ентропия, следователно е невъзможно да се намали физическата система до абсолютна нула в ограничен брой стъпки (което ни дава формулировка 1).