Entdecken Sie die drei Gesetze der Thermodynamik

Der Zweig der Wissenschaft heißt Thermodynamik befasst sich mit Systemen, die übertragen können Wärmeenergie in mindestens eine andere Energieform (mechanisch, elektrisch usw.) oder in Arbeit. Die Gesetze der Thermodynamik wurden im Laufe der Jahre als einige der grundlegendsten Regeln entwickelt, die befolgt werden, wenn ein thermodynamisches System funktioniert durch irgendeine Art von Energieänderung.

Die Geschichte der Thermodynamik beginnt mit Otto von Guericke, der 1650 die weltweit erste Vakuumpumpe baute und mit seinen Magdeburger Hemisphären ein Vakuum demonstrierte. Guericke wurde getrieben, um ein Vakuum zu schaffen, um Aristoteles 'lang gehegte Annahme zu widerlegen, dass "die Natur ein Vakuum verabscheut". Kurz nach Guericke hatte der englische Physiker und Chemiker Robert Boyle von Guerickes Entwürfen erfahren und 1656 in Abstimmung mit dem englischen Wissenschaftler Robert Hooke eine Luftpumpe gebaut. Mit dieser Pumpe stellten Boyle und Hooke eine Korrelation zwischen Druck, Temperatur und Volumen fest. Mit der Zeit wurde das Boyle'sche Gesetz formuliert, das besagt, dass Druck und Volumen umgekehrt proportional sind.

Das Gesetze der Thermodynamik neigen dazu, ziemlich leicht zu sagen und zu verstehen... so sehr, dass es leicht ist, die Auswirkungen zu unterschätzen, die sie haben. Sie schränken unter anderem ein, wie Energie im Universum genutzt werden kann. Es ist sehr schwer zu betonen, wie wichtig dieses Konzept ist. Die Konsequenzen der Gesetze der Thermodynamik berühren in irgendeiner Weise fast jeden Aspekt der wissenschaftlichen Forschung.

Um die Gesetze der Thermodynamik zu verstehen, ist es wichtig, einige andere thermodynamische Konzepte zu verstehen, die sich auf sie beziehen.

• Überblick über die Thermodynamik - Ein Überblick über die Grundprinzipien des Gebiets der Thermodynamik
• Wärmeenergie - eine grundlegende Definition von Wärmeenergie
• Temperatur - eine grundlegende Definition der Temperatur
• Einführung in die Wärmeübertragung - eine Erklärung verschiedener Wärmeübertragungsmethoden.
• Thermodynamische Prozesse - Die Gesetze der Thermodynamik gelten hauptsächlich für thermodynamische Prozesse, wenn ein thermodynamisches System eine Art energetischen Transfer durchläuft.

Das Studium der Wärme als eigenständige Energieform begann ungefähr 1798, als Sir Benjamin Thompson (auch bekannt als Graf Rumford), ein britischer Militäringenieur, stellte fest, dass Wärme proportional zum Arbeitsaufwand erzeugt werden kann erledigt... ein grundlegendes Konzept, das letztendlich eine Konsequenz des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik werden würde.

Der französische Physiker Sadi Carnot formulierte erstmals 1824 ein Grundprinzip der Thermodynamik. Die Prinzipien, nach denen Carnot seine definiert hat Carnot-Zyklus Wärmekraftmaschine würde letztendlich in den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik des deutschen Physikers übersetzt Rudolf Clausius, dem auch häufig die Formulierung des ersten Gesetzes von zugeschrieben wird Thermodynamik.

Ein Grund für die rasche Entwicklung der Thermodynamik im 19. Jahrhundert war die Notwendigkeit, während der industriellen Revolution effiziente Dampfmaschinen zu entwickeln.

Die Gesetze der Thermodynamik befassen sich nicht besonders mit dem spezifischen Wie und Warum der WärmeübertragungDies ist sinnvoll für Gesetze, die formuliert wurden, bevor die Atomtheorie vollständig übernommen wurde. Sie befassen sich mit der Gesamtsumme der Energie- und Wärmeübergänge innerhalb eines Systems und berücksichtigen nicht die spezifische Natur der Wärmeübertragung auf atomarer oder molekularer Ebene.

Dies Null Gesetz ist eine Art transitive Eigenschaft des thermischen Gleichgewichts. Die transitive Eigenschaft der Mathematik besagt, dass wenn A = B und B = C, dann A = C. Gleiches gilt für thermodynamische Systeme, die sich im thermischen Gleichgewicht befinden.

Eine Konsequenz des Nullgesetzes ist die Idee, dass das Messen Temperatur hat irgendeine Bedeutung. Um die Temperatur zu messen, thermisches Gleichgewicht muss zwischen dem gesamten Thermometer, dem Quecksilber im Thermometer und der zu messenden Substanz erreicht werden. Dies führt wiederum dazu, dass die Temperatur der Substanz genau bestimmt werden kann.

Dieses Gesetz wurde verstanden, ohne in einem Großteil der Geschichte der Thermodynamik explizit angegeben zu werden Studie, und es wurde erst zu Beginn des 20. erkannt, dass es ein eigenständiges Gesetz war Jahrhundert. Es war der britische Physiker Ralph H. Fowler, der zuerst den Begriff "Nullgesetz" geprägt hat, basierend auf der Überzeugung, dass er sogar grundlegender ist als die anderen Gesetze.

Obwohl dies komplex klingen mag, ist es wirklich eine sehr einfache Idee. Wenn Sie einem System Wärme hinzufügen, können nur zwei Dinge getan werden: Ändern Sie die innere Energie des Systems oder veranlassen, dass das System funktioniert (oder natürlich eine Kombination aus beiden). Die gesamte Wärmeenergie muss in diese Dinge fließen.

Physiker verwenden typischerweise einheitliche Konventionen zur Darstellung der Größen im ersten Hauptsatz der Thermodynamik. Sie sind:

• U.1 (oder U.i) = anfängliche innere Energie zu Beginn des Prozesses
• U.2 (oder U.f) = endgültige innere Energie am Ende des Prozesses
• Delta-U. = U.2 - U.1 = Änderung der inneren Energie (wird in Fällen verwendet, in denen die Besonderheiten des Beginns und des Endes der inneren Energie irrelevant sind)
• Q. = Wärmeübertragung in (Q. > 0) oder aus (Q. <0) das System
• W. = Arbeit vom System durchgeführt (W. > 0) oder im System (W. < 0).

Dies ergibt eine mathematische Darstellung des ersten Gesetzes, die sich als sehr nützlich erweist und auf verschiedene nützliche Arten umgeschrieben werden kann:

Die Analyse von a thermodynamischer ProzessZumindest in einer Physik-Unterrichtssituation umfasst dies im Allgemeinen die Analyse einer Situation, in der eine dieser Größen entweder 0 ist oder zumindest auf vernünftige Weise steuerbar ist. Zum Beispiel in einem adiabatischer Prozess, die Wärmeübertragung (Q.) ist gleich 0, während in einem isochorischer Prozess die Arbeit (W.) ist gleich 0.

Das erstes Gesetz der Thermodynamik wird von vielen als Grundlage des Konzepts der Energieeinsparung angesehen. Grundsätzlich heißt es, dass die Energie, die in ein System fließt, nicht auf dem Weg verloren gehen kann, sondern verwendet werden muss, um etwas zu tun... Ändern Sie in diesem Fall entweder die innere Energie oder führen Sie Arbeiten aus.

Aus dieser Sicht ist das erste Gesetz der Thermodynamik eines der weitreichendsten wissenschaftlichen Konzepte, die jemals entdeckt wurden.

Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik: Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wird auf viele Arten formuliert, wie in Kürze angesprochen wird, ist aber im Grunde ein Gesetz was - im Gegensatz zu den meisten anderen Gesetzen in der Physik - nicht darum geht, wie man etwas macht, sondern ganz darum, das, was sein kann, einzuschränken erledigt.

Es ist ein Gesetz, das besagt, dass die Natur uns daran hindert, bestimmte Ergebnisse zu erzielen, ohne viel Arbeit zu investieren, und als solches auch eng mit dem verbunden ist Konzept der Energieeinsparungso wie der erste Hauptsatz der Thermodynamik ist.

In der Praxis bedeutet dieses Gesetz, dass alle Wärmekraftmaschine oder ein ähnliches Gerät, das auf den Prinzipien der Thermodynamik basiert, kann selbst theoretisch nicht 100% effizient sein.

Dieses Prinzip wurde zuerst vom französischen Physiker und Ingenieur Sadi Carnot beleuchtet, als er seins entwickelte Carnot-Zyklus Motor im Jahr 1824 und wurde später formalisiert als Gesetz der Thermodynamik vom deutschen Physiker Rudolf Clausius.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik ist außerhalb des Bereichs der Physik vielleicht der beliebteste, da er eng mit dem Konzept von verwandt ist Entropie oder die Störung, die während eines thermodynamischen Prozesses erzeugt wird. Als Entropieerklärung neu formuliert, lautet das zweite Gesetz:

Mit anderen Worten, in jedem geschlossenen System kann das System jedes Mal, wenn ein System einen thermodynamischen Prozess durchläuft, niemals vollständig in genau den Zustand zurückkehren, in dem es zuvor war. Dies ist eine Definition für die Pfeil der Zeit da die Entropie des Universums nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik im Laufe der Zeit immer zunimmt.

Eine zyklische Umwandlung, deren einziges Endergebnis darin besteht, Wärme, die einer Quelle mit gleicher Temperatur entzogen wird, in Arbeit umzuwandeln, ist unmöglich. - Der schottische Physiker William Thompson (Eine zyklische Umwandlung, deren einziges Endergebnis darin besteht, Wärme von einem Körper bei einer bestimmten Temperatur auf einen Körper bei einer höheren Temperatur zu übertragen, ist unmöglich. - Deutscher Physiker Rudolf Clausius

Alle obigen Formulierungen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik sind äquivalente Aussagen desselben Grundprinzips.

Der dritte Hauptsatz der Thermodynamik ist im Wesentlichen eine Aussage über die Fähigkeit, eine zu erzeugen absolut Temperaturskala, für die Absoluter Nullpunkt ist der Punkt, an dem die innere Energie eines Festkörpers genau 0 ist.

Verschiedene Quellen zeigen die folgenden drei möglichen Formulierungen des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik:

1. Es ist unmöglich, ein System in einer endlichen Reihe von Operationen auf den absoluten Nullpunkt zu reduzieren.
2. Die Entropie eines perfekten Kristalls eines Elements in seiner stabilsten Form tendiert gegen Null, wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt nähert.
3. Wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt nähert, nähert sich die Entropie eines Systems einer Konstanten

Das dritte Gesetz bedeutet ein paar Dinge, und wieder führen alle diese Formulierungen zu demselben Ergebnis, je nachdem, wie viel Sie berücksichtigen:

Formulierung 3 enthält die geringsten Einschränkungen und besagt lediglich, dass die Entropie auf eine Konstante geht. Tatsächlich ist diese Konstante eine Entropie von Null (wie in Formulierung 2 angegeben). Aufgrund von Quantenbeschränkungen für jedes physikalische System wird es jedoch in seinen niedrigsten Quantenzustand zusammenbrechen, aber niemals perfekt reduzieren können auf 0 Entropie, daher ist es unmöglich, ein physikalisches System in einer endlichen Anzahl von Schritten auf den absoluten Nullpunkt zu reduzieren (was uns eine Formulierung ergibt 1).