Законы термодинамики

Законы термодинамики — это основные принципы, которые объясняют, как энергия перемещается и изменяется во Вселенной. Эти законы очень важны в науке, потому что они помогают нам понимать процессы в физике и химии, особенно в системах, где участвуют тепло и работа. В химии они объясняют, как происходят реакции, почему некоторые являются самопроизвольными и как сохраняется энергия. Это объяснение охватывает каждый закон подробно, предоставляя визуальные и текстовые примеры для облегчения понимания.

Нулевой закон термодинамики

Нулевой закон термодинамики устанавливает понятие температуры. Он выражается следующим образом:

Если система A находится в тепловом равновесии с системой C, и система B находится в тепловом равновесии с системой C, то система A и система B находятся в тепловом равновесии друг с другом.
    

Проще говоря, если две системы находятся в равновесии с третьей системой, то они находятся в равновесии друг с другом. Этот закон позволяет нам измерять температуру, потому что он подразумевает, что температура — это свойство, которое может определять тепловое равновесие. Рассмотрим три чашки воды A, B и C с разными температурами. Когда вы их смешаете, если A и C достигнут равновесия, а B и C достигнут равновесия, то A и B также будут находиться в равновесии. Эта концепция является основополагающей, потому что она означает, что температуру можно рассматривать как значимое свойство в различных системах.

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики также называется законом сохранения энергии. Он гласит:

Энергия не может быть создана или уничтожена, она может быть только преобразована из одной формы в другую.
    

Этот закон подразумевает, что общая энергия изолированной системы остается постоянной, хотя она может менять форму, например, из химической энергии в тепловую и наоборот. Первый закон часто выражается математически для системы следующим образом:

ΔU = Q - W

Где:

• ΔU: изменение внутренней энергии системы
• Q: тепло, добавленное к системе
• W: работа, выполненная системой

Рассмотрим простой бензиновый двигатель. Химическая энергия бензина преобразуется в механическую энергию для привода частей и в тепловую энергию в виде тепла. Вот текстовый пример:

• Двигатель поглощает 300 джоулей тепловой энергии и выполняет 150 джоулей работы. Согласно первому закону, изменение внутренней энергии составляет:

ΔU = Q - W = 300 J - 150 J = 150 J

Это означает, что внутренняя энергия системы увеличилась на 150 джоулей.

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики является несколько абстрактным. Он вводит понятие энтропии. Общее выражение этого закона:

Во всех энергетических обменах, если энергия не входит и не выходит из системы, потенциальная энергия состояния всегда будет меньше, чем в начальном состоянии. Это также выражается следующим образом: Энтропия стремится к увеличению.
    

Энтропия в общем случае может рассматриваться как мера беспорядка. Этот закон подразумевает, что естественные процессы стремятся к состоянию максимального беспорядка. Общее понимание этого закона можно получить, рассмотрев эффективность теплового двигателя. Тепловой двигатель не может преобразовать всю поглощаемую тепловую энергию в работу. Часть этой энергии неизбежно увеличит энтропию Вселенной. Рассмотрим пример таяния льда. Когда лед (структурированный, низкая энтропия) тает в воду (менее структурированную, высокая энтропия), процесс является самопроизвольным и увеличивает общую энтропию системы.

В искусственном процессе, таком как холодильник, мы работаем против этой естественной тенденции. Мы удаляем тепло из системы (например, из холодильника), чтобы уменьшить энтропию ее содержимого, но при этом увеличиваем энтропию окружающей среды, удаляя тепло.

Третий закон термодинамики

Третий закон термодинамики касается абсолютного поведения систем, достигающих абсолютного нуля температуры. Он гласит:

Приближаясь к абсолютному нулю температуры, энтропия системы стремится к минимуму.
    

По сути, это указывает на то, что невозможно достичь абсолютного нуля за конечное число шагов. При абсолютном нуле идеальная кристаллическая структура имеет минимальную энтропию, потому что ее структура полностью упорядочена. Более интуитивное понимание этого можно получить через квантовую механику, где частицы при абсолютном нуле теоретически имели бы только одно микросостояние, что приводит к минимальной энтропии.

Общий пример — кристаллическая решетка. По мере снижения температуры колебания атомов уменьшаются, и при абсолютном нуле они идеально прекращаются, оставляя только лежащее в основе квантовое механическое состояние. В практических терминах это влияет на термодинамические вычисления и помогает определить отправные точки для измерений энтропии. Это понимание энтропии и минимальной энтропии при абсолютном нуле поддерживает интерпретации других законов, предоставляя базовое состояние или отправную точку для обсуждения изменений в энтропии.

Заключение

Четыре закона термодинамики лежат в основе невероятного множества явлений в физике и химии. Они объясняют, почему происходят процессы, какова их эффективность и даже определяют границы энергетических переходов. Хотя они и являются абстрактными, их последствия огромны, управляя всем, от микроскопических взаимодействий в химии до огромных энергий жизненного цикла звезд.

В конечном счете, эти законы отражают более глубокую реальность поведения энергии во Вселенной, направляя ученых и химиков в понимании и практическом использовании энергии в различных формах, от химических реакций до промышленных процессов. Это исследование предоставляет понимание того, как Вселенная сохраняет энергию, как энергия рассеивает энтропию и почему идеальный порядок (абсолютный ноль) теоретически недостижим на практике.

Комментарии