Законы термодинамики

Термодинамика является важной областью физической химии, изучающей передачу энергии и изменение состояния вещества. В основе термодинамики лежат ее основные принципы - известные как законы термодинамики. Эти законы описывают, как энергия перемещается и изменяется в системе. Давайте взглянем на каждый закон и рассмотрим их последствия на практике.

Нулевой закон термодинамики

Нулевой закон термодинамики вводит понятие температуры. Он гласит, что если две системы находятся в тепловом равновесии с третьей системой, то они также находятся в тепловом равновесии друг с другом. Этот закон составляет основу нашего понимания температуры.

Рассмотрим два стакана воды: стакан A и стакан B. Стакан A имеет ту же температуру, что и термометр (система C), и также стакан B. Согласно нулевому закону, стакан A и стакан B должны иметь одинаковую температуру.

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики также известен как закон сохранения энергии. Он гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, она только превращается из одной формы в другую. Внутренняя энергия системы изменяется, когда к системе добавляется или выводится тепло и когда над системой или системой совершается работа.

Математическая формулировка первого закона выглядит следующим образом:

ΔU = Q - W

Где:

• ΔU - изменение внутренней энергии системы.
• Q - тепло, добавленное к системе.
• W - работа, совершенная системой.

Рассмотрим газ, заключенный в поршне. Когда поршень сжимается, над газом совершается работа, и тепло может выходить. Напротив, если газ расширяется, он совершает работу на окружающую среду, и энергия поглощается, что приводит к снижению температуры, если не добавляется тепло.

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики определяет направление процессов. Он гласит, что энтропия изолированной системы всегда увеличивается со временем. Энтропия - это мера молекулярного беспорядка или хаотичности, что подразумевает, что естественные процессы имеют тенденцию двигаться к состоянию большего беспорядка или максимальной энтропии.

Проще говоря, тепло естественным образом перемещается от горячего к холодному, и преобразования энергии по природе своей необратимы.

К примеру, когда вы пьете горячий кофе в холодной комнате, кофе со временем остывает, отдавая тепло окружающему воздуху. Обратный процесс, при котором холодный кофе сам собой нагревается и становится горячее окружающей среды, не происходит естественным образом.

Третий закон термодинамики

Третий закон термодинамики гласит, что по мере приближения температуры системы к абсолютному нулю, энтропия системы стремится к минимальному значению. Для идеального кристалла это минимальное значение обычно равно нулю при температуре абсолютного нуля (0 Кельвина).

Хотя этот закон теоретический, он подразумевает, что на практике невозможно достичь абсолютного нуля, поскольку для этого нужно удалить всю энергию из системы, что невозможно.

Предположим, идеальный кристалл охлаждается до почти абсолютного нуля. По мере его охлаждения его энтропия уменьшается, но стремительно достигает нуля. Однако практически невозможно достичь абсолютного нуля.

В качестве примера из реальной жизни, цель современной криогенной технологии состоит в достижении температур на несколько градусов выше абсолютного нуля, что значительно замедляет атомное движение, но энергия никогда не достигает абсолютного нуля.

Вместе эти законы образуют всеобъемлющую структуру для понимания термодинамических систем. Они объясняют природные явления и помогают инженерам и ученым в создании систем, эффективно использующих энергию и в понимании более широких космических принципов. Законы термодинамики не ограничены химическими реакциями или физическими преобразованиями, но фундаментально описывают, как энергия взаимодействует в почти всех мыслимых контекстах. От понимания источников энергии звезд до проектировки самых маленьких наноразмерных устройств, термодинамика играет важнейшую роль.

Комментарии