Prawa termodynamiki i ich opis

Prawa termodynamiki są również nazywane jego początkami. W rzeczywistości początek termodynamiki jest niczym więcej jak połączeniem tych lub innych postulatów, które leżą u podstaw odpowiedniej części fizyki molekularnej. Przepisy te zostały ustanowione podczas badań naukowych. Jednocześnie zostały udowodnione eksperymentalnie. Dlaczego stosuje się zasady termodynamiki dla postulatów? Chodzi o to, że w ten sposób termodynamikę można budować aksjomatycznie.

Podstawowe prawa termodynamiki

Trochę o strukturze. Prawa termodynamiki są podzielone na cztery grupy, z których każda ma określone znaczenie. Co mogą nam powiedzieć początki termodynamiki?

Pierwszy i drugi

Pierwsze uruchomienie mówi, jak się zgłosić prawo zachowania energii w odniesieniu do jednego lub innego układu termodynamicznego. Drugi start wprowadza pewne ograniczenia, które dotyczą kierunków procesów termodynamicznych. Dokładniej mówiąc, zabraniają spontanicznego przenoszenia ciepła z mniej ogrzanego do bardziej ogrzanego ciała. Miej u druga zasada termodynamiki i alternatywna nazwa: prawo rosnącej entropii.

Trzecia i czwarta

Trzecie prawo opisuje zachowanie entropii w pobliżu absolutnej temperatury zero. Jest jeszcze jeden początek, ostatni. Nazywa się "zerową zasadą termodynamiki". Jego znaczenie polega na tym, że każdy zamknięty system osiągnie stan równowagi termodynamicznej i nie będzie w stanie wydostać się z niego niezależnie. Co więcej, jego stan początkowy może być wszystkim.

Dlaczego potrzebujemy początku termodynamiki?

Badano prawa termodynamiki w celu opisania parametrów makroskopowych różnych układów. Jednocześnie konkretne propozycje związane z urządzeniem mikroskopowym nie są wysuwane. To pytanie badane jest osobno, ale przez inną dziedzinę nauki - fizykę statystyczną. Prawa termodynamiki są od siebie niezależne. Co to może oznaczać? Należy to rozumieć w taki sposób, aby żaden początek termodynamiki nie mógł pochodzić od innego.

Pierwsza zasada termodynamiki

Jak wiadomo, układ termodynamiczny charakteryzuje się kilkoma parametrami, wśród których znajduje się również energia wewnętrzna (oznaczona literą U). Ten ostatni powstaje z energii kinetycznej, którą posiadają wszystkie cząstki. Może to być energia translacyjna, a także wibracyjna i ruch obrotowy. W tym momencie przypominamy, że energia może być nie tylko kinetyczna, ale także potencjalna. Tak więc w przypadku gazów doskonałych potencjalna energia zaniedbane. Dlatego energia wewnętrzna U będzie się składać wyłącznie z energia kinetyczna ruchy cząsteczek i zależą od temperatury.

Ta ilość, energia wewnętrzna, jest inaczej nazywana funkcją stanu, ponieważ zależy od stanu układu termodynamicznego. W naszym przypadku jest on określony przez temperaturę gazu. Należy zauważyć, że energia wewnętrzna nie zależy od tego, co było przejściem do stanu. Załóżmy, że układ termodynamiczny wykonuje cykliczny proces (cykl, jak nazywa się to w fizyce molekularnej). Innymi słowy, system, po opuszczeniu stanu początkowego, podlega pewnym procesom, ale w rezultacie powraca do stanu pierwotnego. Wtedy nietrudno zgadnąć, że zmiana energii wewnętrznej będzie równa 0.

Jak zmienia się energia wewnętrzna?

Istnieją dwa sposoby na zmianę wewnętrznej energii gazu doskonałego. Pierwszą opcją jest wykonanie pracy. Drugi to poinformowanie systemu o jednej lub drugiej ilości ciepła. Logiczne jest, że druga metoda obejmuje nie tylko przekaz ciepła, ale także jego usunięcie.

Formułowanie pierwszej zasady termodynamiki

Może być ich kilka (formuły), ponieważ każdy lubi mówić inaczej. Ale w rzeczywistości esencja pozostaje taka sama. Sprowadza się to do tego, że ilość ciepła dostarczonego do układu termodynamicznego jest wydatkowana na wykonanie pracy mechanicznej przez gaz idealny i zmianę energii wewnętrznej. Jeśli mówimy o formule lub zapisie matematycznym pierwszej zasady termodynamiki, to wygląda to tak: dQ = dU + dA.

- Wszystkie wartości będące częścią formuły mogą mieć różne znaki. Nic nie przeszkadza im być negatywnym. Załóżmy, że ilość ciepła Q jest dostarczana do systemu, a następnie gaz się nagrzeje. Temperatura wzrasta, co oznacza, że ​​wzrasta również energia wewnętrzna gazu. Oznacza to, że zarówno Q, jak i U będą miały wartości dodatnie. Ale jeśli wewnętrzna energia gazu wzrasta, zaczyna się aktywniej zachowywać, rozszerzać. Dlatego też praca będzie również pozytywna. Można powiedzieć, że praca jest wykonywana przez sam system, gaz.

- Jeżeli z układu pobierana jest pewna ilość ciepła, energia wewnętrzna maleje, a gaz jest sprężany. W tym przypadku możemy już powiedzieć, że praca jest wykonywana w systemie, a nie w sobie. Przypuśćmy, że system termodynamiczny wykonuje cykl. W tym przypadku (jak powiedziano wcześniej) zmiana energii wewnętrznej będzie wynosić 0. Dlatego praca wykonana przez lub nad gazem będzie liczbowo równa ilości ciepła dostarczonego lub przydzielonego do systemu.

- Zapis matematyczny tego efektu nazywany jest innym sformułowaniem pierwszej zasady termodynamiki. Jest to w przybliżeniu następujące: "W naturze niemożliwe jest istnienie silnika pierwszego rodzaju, to znaczy silnika, który wykonywałby pracę, która przewyższałaby ciepło odbierane z zewnątrz".

Druga zasada termodynamiki

Nietrudno zgadnąć, że równowaga termodynamiczna jest charakterystyczna dla układu, w którym ilości makroskopowe pozostają niezmienione w czasie. To oczywiście ciśnienie, objętość i temperatura gazu. Ich niezmienność można zbudować na kilku warunkach: braku przewodnictwa cieplnego, reakcji chemicznych, dyfuzji i innych procesów. Jeżeli pod wpływem czynników zewnętrznych system wywodzi się z równowagi termodynamicznej, z czasem powróci do niego. Ale jeśli te czynniki są nieobecne. I stanie się to spontanicznie.

Pojedziemy trochę inaczej niż zalecają liczne podręczniki. Na początek rzućmy okiem na drugą zasadę termodynamiki, a wtedy zobaczymy, jakie są wartości, które się w nią mieszczą i co mają na myśli. Tak więc w zamkniętym systemie, w obecności jakichkolwiek procesów zachodzących w nim, entropia nie zmniejsza się. Drugą zasadę termodynamiki zapisuje się w następujący sposób: dS> (=) 0. Tutaj znak> będzie powiązany z procesem nieodwracalnym, a znak = będzie powiązany z odwracalnym.

Co nazywa się odwracalnym procesem w termodynamice? Jest to proces, w którym system powraca (po serii niektórych procesów) do swojego pierwotnego stanu. Co więcej, w tym przypadku nie pozostają żadne zmiany w systemie ani w środowisku. Innymi słowy, proces odwracalny jest procesem, w którym można powrócić do stanu początkowego poprzez stany pośrednie identyczne z procesem bezpośrednim. W fizyce molekularnej takie procesy są bardzo nieliczne. Na przykład przeniesienie ciepła z cieplejszego ciała do mniej nagrzanego będzie nieodwracalne. Podobnie w przypadku dyfuzji dwóch substancji, jak również dystrybucji gazu do całej objętości.

Entropia

Entropia, która występuje w drugiej zasadzie termodynamiki, jest równa zmianie ilości ciepła podzielonej przez temperaturę. Wzór: dS = dQ / T. Ma pewne właściwości.