חקור את שלוש חוקי התרמודינמיקה

ענף המדע קרא תרמודינמיקה עוסק במערכות המסוגלות להעביר אנרגיית תרמית לפחות לצורה אחרת של אנרגיה (מכנית, חשמל וכו ') או לעבודה. חוקי התרמודינמיקה פותחו במהלך השנים כחלק מהכללים היסודיים ביותר שננקטים כאשר מערכת תרמודינמית הולכת באמצעות איזשהו שינוי אנרגטי.

ההיסטוריה של התרמודינמיקה מתחילה באוטו פון גריקה, שבשנת 1650 בנה את משאבת הוואקום הראשונה בעולם והפגין ואקום תוך שימוש בהמיספרות מגדבורג שלו. גריקקה הונעה לעשות ואקום בכדי להפריך את ההנחה של אריסטו ארוכת השנים כי "הטבע מתעלל מוואקום". זמן קצר לאחר שגריקה, נודע לפיזיקאי והכימאי האנגלי רוברט בויל על העיצובים של גריקה, ובשנת 1656, בתיאום עם המדען האנגלי רוברט הוק, בנה משאבת אוויר. באמצעות משאבה זו, בויל והוק הבחינו במתאם בין לחץ, טמפרטורה ונפח. עם הזמן גובש החוק של בויל שקובע כי לחץ ונפח הם פרופורציוניים להפך.

ה חוקי התרמודינמיקה נוטים להיות קל למדי למדינה ולהבין... עד כדי כך שקל להמעיט בהשפעה שיש להם. בין השאר הם שמו אילוצים כיצד ניתן להשתמש באנרגיה ביקום. קשה מאוד להדגיש יתר על המידה עד כמה משמעות מושג זה. התוצאות של חוקי התרמודינמיקה נוגעות כמעט בכל היבט של חקירה מדעית בדרך כלשהי.

כדי להבין את חוקי התרמודינמיקה, חשוב להבין כמה מושגים תרמודינמיקה אחרים שקשורים אליהם.

• סקירה כללית של התרמודינמיקה - סקירה כללית של העקרונות הבסיסיים של תחום התרמודינמיקה
• אנרגיית חום - הגדרה בסיסית של אנרגיית חום
• טמפרטורה - הגדרה בסיסית לטמפרטורה
• מבוא להעברת חום - הסבר על שיטות העברת חום שונות.
• תהליכים תרמודינמיים - חוקי התרמודינמיקה חלים בעיקר על תהליכים תרמודינמיים, כאשר מערכת תרמודינמית עוברת איזשהו העברה אנרגטית.

חקר החום כסוג אנרגיה מובהק החל בשנת 1798 בערך כאשר סר בנימין תומפסון (הידוע גם בשם הרוזן רומפורד), מהנדס צבאי בריטי, שם לב שאפשר לייצר חום ביחס לכמות העבודה בוצע... מושג מהותי שבסופו של דבר יהפוך לתוצאה של החוק הראשון של התרמודינמיקה.

הפיזיקאי הצרפתי סאדי קרנוט ניסח לראשונה בשנת 1824 עיקרון בסיסי של התרמודינמיקה. העקרונות בהם נהג קרנו להגדיר את שלו מחזור קרנוט מנוע החום יתרגם בסופו של דבר לחוק השני של התרמודינמיקה על ידי הפיזיקאי הגרמני רודולף קלאוסיוס, אשר זוכה לעתים קרובות לזכות ניסוח החוק הראשון של תרמודינמיקה.

חלק מהסיבה להתפתחות המהירה של התרמודינמיקה במאה התשע עשרה הייתה הצורך בפיתוח מנועי אדים יעילים במהלך המהפכה התעשייתית.

חוקי התרמודינמיקה אינם נוגעים במיוחד לאיך ומדוע של העברת חום, הגיוני כי חוקים שנוסחו לפני תאוריית האטום אומצה במלואה. הם עוסקים בסכום הכולל של מעברי אנרגיה וחום בתוך מערכת ואינם לוקחים בחשבון את האופי הספציפי של העברת החום ברמה האטומית או המולקולרית.

זה חוק אפס הוא סוג של תכונה מעבר של שיווי משקל תרמי. המאפיין הטרנזיטיבי של המתמטיקה אומר שאם A = B ו- B = C, אז A = C. כך גם במערכות תרמודינמיות הנמצאות בשיווי משקל תרמי.

אחת התוצאות של החוק האפסית היא הרעיון למדידה טמפרטורה יש משמעות כלשהי. כדי למדוד טמפרטורה, שיווי משקל תרמי יש להגיע בין המדחום בכללותו, הכספית שבתוך המדחום, לבין החומר הנמדד. זה, בתורו, גורם ליכולת לדעת במדויק מה הטמפרטורה של החומר.

החוק הזה הובן מבלי שנאמר במפורש דרך חלק גדול מההיסטוריה של התרמודינמיקה לימוד, והבנו רק שזהו חוק בפני עצמו בתחילת העשרים מאה. זה היה הפיזיקאי הבריטי ראלף ח. פאולר שטבע לראשונה את המונח "חוק אפס", על סמך אמונה שהוא יסודי יותר אפילו מהחוקים האחרים.

למרות שזה נשמע מורכב, זה ממש רעיון פשוט מאוד. אם אתה מוסיף חום למערכת, ישנם רק שני דברים שניתן לעשות - לשנות את אנרגיה פנימית של המערכת או לגרום למערכת לבצע עבודה (או, כמובן, שילוב כלשהו של השניים). כל אנרגיית החום חייבת לעבור לעשות את הדברים האלה.

פיזיקאים משתמשים בדרך כלל במוסכמות אחידות לייצוג הכמויות בחוק הראשון של התרמודינמיקה. הם:

• U1 (או Ui) = אנרגיה פנימית ראשונית בתחילת התהליך
• U2 (או Uו) = אנרגיה פנימית סופית בסוף התהליך
• דלתא-U = U2 - U1 = שינוי באנרגיה פנימית (משמש במקרים שבהם הספציפיות של אנרגיות פנימיות מתחילות וסיומות אינן רלוונטיות)
• ש = חום מועבר ל (ש > 0) או מתוך (ש <0) המערכת
• W = עבודה מבוצעת על ידי המערכת (W > 0) או במערכת (W < 0).

זה מניב ייצוג מתמטי של החוק הראשון שמוכיח מאוד שימושי וניתן לשכתב אותו בכמה דרכים מועילות:

הניתוח של א תהליך תרמודינמילפחות במצב של כיתה בפיזיקה, בדרך כלל כרוך בניתוח מצב שאחד הכמויות הללו הוא 0 או לפחות ניתן לשליטה בצורה סבירה. לדוגמה, ב- תהליך אדיאבטי, העברת החום (ש) שווה ל 0 בזמן שהוא ב- תהליך איזוכורי העבודה (W) שווה ל -0.

ה החוק הראשון של תרמודינמיקה נתפסת בעיני רבים כבסיס למושג שימור האנרגיה. בעיקרון זה אומר שהאנרגיה שנכנסת למערכת לא יכולה לאבד במהלך הדרך, אלא יש להשתמש בה כדי לעשות משהו... במקרה זה, יש לשנות אנרגיה פנימית או לבצע עבודה.

בהשקפה זו, החוק הראשון של התרמודינמיקה הוא אחד המושגים המדעיים מרחיקי הלכת שהתגלו אי פעם.

החוק השני של התרמודינמיקה: החוק השני של התרמודינמיקה מנוסח במובנים רבים, כפי שיפנה בקרוב, אך הוא בעצם חוק אשר - בניגוד לרוב החוקים האחרים בפיזיקה - לא עוסק כיצד לעשות משהו, אלא עוסק כולו בהצבת מגבלה על מה שיכול להיות בוצע.

זהו חוק שאומר שהטבע מגביל אותנו מלהשיג סוגים מסוימים של תוצאות בלי להכניס אליו עבודה רבה, וככזה הוא גם קשור קשר הדוק ל מושג שימור האנרגיהכמו החוק הראשון של התרמודינמיקה.

ביישומים מעשיים משמעות החוק הזה היא כי כל מנוע חום או מכשיר דומה המבוסס על עקרונות התרמודינמיקה לא יכול, אפילו בתיאוריה, להיות יעיל במאה אחוז.

עיקרון זה הואר לראשונה על ידי הפיזיקאי והמהנדס הצרפתי סאדי קרנו, כאשר פיתח את שלו מחזור קרנוט מנוע בשנת 1824, ומאוחר יותר פורמלי כחוק של תרמודינמיקה מאת הפיזיקאי הגרמני רודולף קלאוסיוס.

החוק השני של התרמודינמיקה הוא אולי הפופולרי ביותר מחוץ לתחום הפיזיקה מכיוון שהוא קשור קשר הדוק למושג של אנטרופיה או ההפרעה שנוצרה במהלך תהליך תרמודינמי. החוק השני מנוסח כהצהרה באשר לאנטרופיה.

בכל מערכת סגורה, או במילים אחרות, בכל פעם שמערכת עוברת תהליך תרמודינמי, המערכת לעולם לא תוכל לחזור לחלוטין לאותו מצב בו הייתה בעבר. זוהי הגדרה אחת המשמשת עבור חץ הזמן מכיוון שהאנטרופיה של היקום תמיד תגבר עם הזמן על פי החוק השני של התרמודינמיקה.

טרנספורמציה מחזורית שתוצאתה הסופית היחידה היא הפיכת חום המופק ממקור שנמצא באותה טמפרטורה לכל אורך העבודה היא בלתי אפשרית. - הפיזיקאי הסקוטי וויליאם תומפסון (טרנספורמציה מחזורית שהתוצאה הסופית היחידה שלה היא העברת חום מגוף בטמפרטורה נתונה לגוף בטמפרטורה גבוהה יותר בלתי אפשרי. - הפיזיקאי הגרמני רודולף קלאוסיוס

כל הניסוחים לעיל של החוק השני של התרמודינמיקה הם אמירות שוות ערך לאותו עיקרון בסיסי.

החוק השלישי של התרמודינמיקה הוא למעשה אמירה לגבי היכולת ליצור מוחלט סולם טמפרטורה, עבורו אפס מוחלט היא הנקודה בה האנרגיה הפנימית של מוצק היא בדיוק 0.

מקורות שונים מראים את שלושת הניסוחים הפוטנציאליים הבאים לחוק השלישי של התרמודינמיקה:

1. אי אפשר להפחית מערכת כלשהי לאפס מוחלט בסדרת פעולות סופית.
2. האנטרופיה של גביש מושלם של יסוד בצורתו היציבה ביותר נוטה לאפס ככל שהטמפרטורה מתקרבת לאפס מוחלט.
3. כאשר הטמפרטורה מתקרבת לאפס מוחלט, האנטרופיה של מערכת מתקרבת לקבוע

החוק השלישי פירושו כמה דברים, ושוב כל הניסוחים הללו מביאים לאותה תוצאה תלויה בכמה שאתה לוקח בחשבון:

ניסוח 3 מכיל פחות מעצורים, רק מציין שהאנטרופיה עוברת לקבוע. למעשה, קבוע זה הוא אנטרופיה אפסית (כאמור בניסוח 2). עם זאת, עקב מגבלות קוונטיות על מערכת פיזית כלשהי, היא תקרוס למצב הקוונטי הנמוך ביותר שלה אך לעולם לא תוכל להפחית בצורה מושלמת לאנטרופיה 0, אי אפשר להפחית מערכת פיזית לאפס מוחלט במספר סופי של צעדים (מה שמניב לנו ניסוח 1).