Zakoni termodinamike i njihov opis

Zakoni termodinamike također se nazivaju njegovim početcima. Zapravo, početak termodinamike nije ništa drugo nego kombinacija onih ili drugih postulata koji su temelj relevantnog dijela molekularne fizike. Te su odredbe utvrđene tijekom znanstvenog istraživanja. Istodobno, oni su eksperimentalno dokazani. Zašto su zakoni termodinamike uzeti za postulate? Stvar je u tome da se na taj način termodinamika može izgraditi aksiomatski.

Temeljni zakoni termodinamike

Malo o strukturiranju. Zakoni termodinamike podijeljeni su u četiri skupine, od kojih svaka ima specifično značenje. Dakle, što nam mogu reći početci termodinamike?

Prvo i drugo

Prvi početak govori kako se prijaviti zakon o uštedi energije u odnosu na jedan ili drugi termodinamički sustav. Drugi početak ukazuje na neka ograničenja koja se odnose na smjerove termodinamičkih procesa. Točnije, oni zabranjuju spontani prijenos topline iz manje zagrijanog tijela. Imati u drugi zakon termodinamike i alternativni naziv: zakon povećanja entropije.

Treće i četvrto

Treći zakon opisuje ponašanje entropije blizu apsolutne temperature nule. Postoji još jedan početak, posljednji. To se naziva "nulti zakon termodinamike". Njegovo značenje leži u činjenici da će bilo koji zatvoreni sustav doći u stanje termodinamičke ravnoteže i neće se moći iz njega izvući samostalno. Štoviše, njegovo početno stanje može biti bilo što.

Zašto nam je potreban početak termodinamike?

Proučavani su zakoni termodinamike kako bi se opisali makroskopski parametri različitih sustava. Istodobno se ne postavljaju konkretni prijedlozi koji su povezani s mikroskopskim uređajem. Ovo se pitanje proučava odvojeno, ali od druge grane znanosti - statističke fizike. Zakoni termodinamike su međusobno neovisni. Što to može značiti? Mora biti shvaćena na takav način da se ne može izvesti nikakav početak termodinamike iz drugog.

Prvi zakon termodinamike

Kao što je poznato, termodinamički sustav karakterizira nekoliko parametara, među kojima je i unutarnja energija (označena slovom U). Potonje se formira iz kinetičke energije koju imaju sve čestice. To može biti energija translacijske, kao i vibracijske i rotacijsko gibanje. U ovom trenutku, podsjećamo da energija može biti ne samo kinetička, već i potencijalna. Dakle, u slučaju idealnih plinova potencijalne energije zanemaren. Zato će unutarnja energija U biti sastavljena isključivo od kinetička energija kretanja molekula i ovise o temperaturi.

Ta količina, unutarnja energija, drugim riječima se naziva funkcija stanja, budući da je određena stanjem termodinamičkog sustava. U našem slučaju to se određuje temperaturom plina. Treba napomenuti da unutarnja energija ne ovisi o tome što je prijelaz u državu. Pretpostavimo da termodinamički sustav izvodi kružni proces (ciklus, kako ga nazivaju u molekularnoj fizici). Drugim riječima, sustav koji je napustio početno stanje prolazi kroz određene procese, ali se kao rezultat vraća u primarno stanje. Tada nije teško pretpostaviti da će promjena unutarnje energije biti jednaka 0.

Kako se mijenja unutarnja energija?

Postoje dva načina za promjenu unutarnje energije idealnog plina. Prva opcija je da obavite posao. Drugi je informiranje sustava o jednoj ili drugoj količini topline. Logično je da druga metoda uključuje ne samo poruku topline, već i njezino uklanjanje.

Formulacija prvog zakona termodinamike

Može ih biti nekoliko (formulacije), jer svatko voli govoriti drugačije. Zapravo, bit ostaje ista. Sve se svodi na činjenicu da se količina topline koja se isporučuje termodinamičkom sustavu troši na izvođenje mehaničkog rada idealnim plinom i promjenu unutarnje energije. Ako govorimo o formuli ili matematičkom zapisu prvog zakona termodinamike, onda to izgleda ovako: dQ = dU + dA.

- Sve vrijednosti koje su dio formule mogu imati različite znakove. Ništa ih ne sprečava da budu negativni. Pretpostavimo da se količina topline Q dovodi u sustav, a zatim se plin zagrijava. Temperatura se povećava, što znači da se povećava i unutarnja energija plina. To jest, i Q i U će imati pozitivne vrijednosti. Ali ako se unutarnja energija plina poveća, ona se počinje aktivnije ponašati, širiti se. Stoga će i rad biti pozitivan. Možemo reći da se posao obavlja sam sustav, plin.

- Ako se iz sustava uzme određena količina topline, unutarnja energija se smanjuje i plin se komprimira. U ovom slučaju, već možemo reći da se rad obavlja na sustavu, a ne na sebi. Pretpostavimo opet da neki termodinamički sustav izvodi ciklus. U ovom slučaju (kao što je ranije rečeno) promjena unutarnje energije bit će 0. Stoga će rad obavljen preko ili preko plina biti numerički jednak toplini koja je isporučena ili dodijeljena sustavu.

- Matematički zapis tog učinka naziva se još jednom formulacijom prvog zakona termodinamike. To je otprilike kako slijedi: "U prirodi, postojanje motora prve vrste je nemoguće, to jest, motor koji bi obavio rad koji premašuje toplinu dobivenu izvana."

Drugi zakon termodinamike

Nije teško pretpostaviti da je termodinamička ravnoteža karakteristična za sustav u kojem makroskopske veličine ostaju nepromijenjene u vremenu. To je, naravno, tlak, volumen i temperatura plina. Njihova nepromjenjivost može se graditi na nekoliko uvjeta: odsustvo provođenja topline, kemijske reakcije, difuzija i drugi procesi. Ako je, pod utjecajem vanjskih čimbenika, sustav izveden iz termodinamičke ravnoteže, vraćat će mu se s vremenom. Ali ako su ti faktori odsutni. I to će se dogoditi spontano.

Ići ćemo malo drugačije od onoga što mnogi udžbenici preporučuju. Za početak, pogledajmo drugi zakon termodinamike, a onda ćemo vidjeti koje su to vrijednosti koje ulaze u njega i što oni znače. Dakle, u zatvorenom sustavu, u prisutnosti bilo kojeg procesa koji se u njemu odvija, entropija se ne smanjuje. Drugi zakon termodinamike je zabilježen na sljedeći način: dS> (=) 0. Ovdje će znak> biti povezan s nepovratnim procesom, a znak = će biti povezan s reverzibilnim.

Što se u termodinamici naziva reverzibilnim procesom? I to je proces u kojem se sustav vraća (nakon niza nekih procesa) u izvorno stanje. Štoviše, u ovom slučaju ne postoje promjene u sustavu ili u okolišu. Drugim riječima, reverzibilni proces je proces za koji se može vratiti u početno stanje kroz međudržavna stanja identična izravnom procesu. U molekularnoj fizici takvi procesi su vrlo mali. Primjerice, prijenos topline iz toplijeg tijela na manje zagrijano tijelo će biti nepovratan. Slično tome, u slučaju difuzije dviju tvari, kao i raspodjele plina na cijeli volumen.

entropija

Entropija koja se javlja u drugom zakonu termodinamike jednaka je promjeni količine topline podijeljene s temperaturom. Formula: dS = dQ / T. Ima određena svojstva.