Законы термодинамики

Термодинамика — это раздел физики, который занимается изучением тепла, работы и температуры и их связи с энергией, излучением и физическими свойствами вещества. Законы термодинамики являются основополагающими принципами как в химии, так и в физике и описывают, как эти формы энергии взаимодействуют друг с другом. В контексте общей химии эти законы важны для понимания, как происходят химические реакции и как энергия передается внутри системы.

Нулевой закон термодинамики

Нулевой закон термодинамики устанавливает понятие температуры и теплового равновесия. Он может быть сформулирован следующим образом:

Если две системы, A и B, находятся в тепловом равновесии с третьей системой, C, то системы A и B также будут находиться в тепловом равновесии друг с другом.

Этот принцип позволяет нам определить температуру последовательно. Например, если термометр находится в тепловом равновесии со стаканом воды и показывает 25°C, то любая другая система, находящаяся в тепловом равновесии с термометром, также должна иметь температуру 25°C.

Рассмотрите три системы, обозначенные как A, B и C. Если системы A и C находятся в тепловом равновесии, и B и C также находятся в тепловом равновесии, то системы A и B также должны быть в тепловом равновесии без необходимости в прямом контакте друг с другом. Это лежит в основе создания термометров и сравнения температур.

Первый закон термодинамики

Первый закон термодинамики по существу является законом сохранения энергии, адаптированным к термодинамическим системам. Он может быть сформулирован следующим образом:

Общая энергия изолированной системы остается постоянной; энергия может быть преобразована из одной формы в другую, но не может быть создана или уничтожена.

В формальной форме первый закон может быть записан следующим образом:

ΔU = Q - W

Где:

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

Рассмотрим простой пример. Представьте себе газ в цилиндре с движущимся поршнем. Когда газ нагревается, он расширяется и движет поршень, выполняя работу на окружающую среду. Увеличение внутренней энергии газа может быть рассчитано с использованием первого закона. Если тепло не добавляется, но работа совершается над системой (сжимая поршень), внутренняя энергия также увеличивается.

Красная стрелка показывает расширение газа, действующего на поршень, в то время как синяя стрелка показывает работу, выполненную на газ в противоположной ситуации.

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики вводит понятие энтропии, которое является мерой беспорядка в системе. Он говорит:

В любом циклическом процессе общая энтропия или увеличивается, или остается неизменной; она никогда не уменьшается.

Этот закон подразумевает, что естественные процессы стремятся к состоянию максимального беспорядка или энтропии. Он может быть выражен математически следующим образом:

ΔS ≥ 0

Где ΔS — изменение энтропии. Для необратимых процессов энтропия увеличивается, в то время как для обратимых процессов общая энтропия остается постоянной.

Практический пример второго закона можно увидеть в таянии льда при комнатной температуре. Твердая (упорядоченная) структура льда превращается в жидкую воду, которая имеет больше беспорядка. Этот процесс увеличивает энтропию системы.

Здесь на картинке показано, как лед плавится в воду, что демонстрирует увеличение энтропии.

Третий закон термодинамики

Третий закон термодинамики формулируется следующим образом:

По мере приближения температуры к абсолютному нулю энтропия идеального кристалла стремится к нулю.

Другими словами, невозможно достичь абсолютного нуля (0 K) за конечное количество шагов. Идеальный кристалл при 0 Кельвин имеет только одну возможную конфигурацию, что означает, что его энтропия равна нулю.

Этот закон имеет последствия для возможности достижения абсолютного нуля и помогает объяснить, почему частицы проявляют нулевую тепловую энергию при этой точке. Третий закон предоставляет базовый уровень для расчета абсолютной энтропии веществ.

На иллюстрации выше показан идеальный кристалл при почти 0 K, указывающий на отсутствие энтропии (поскольку он идеально упорядочен).

Применения и примеры

Законы термодинамики имеют фундаментальное значение для различных приложений в химии и инжиниринге. Давайте исследуем некоторые практические сценарии, в которых эти законы применяются:

1. Тепловые двигатели

Тепловые двигатели — это устройства, которые преобразуют тепло в работу. Эффективность теплового двигателя регулируется первым и вторым законами термодинамики. Например, двигатель автомобиля сжигает топливо для создания тепла, которое затем толкает поршень для выполнения механической работы.

2. Холодильник

Холодильники — это устройства, которые переносят тепло из холодной области в горячую, что кажется нарушением второго закона. Однако они потребляют внешнюю энергию (работу) для достижения этого, что соответствует широкому толкованию изменений энтропии во вселенной.

3. Химические реакции

Термодинамика помогает предсказать, будет ли химическая реакция спонтанной или нет. Вычисление свободной энергии Гиббса, которое выводится из первого и второго законов, определяет спонтанность реакций:

ΔG = ΔH - TΔS

Где:

• ΔG — изменение свободной энергии Гиббса.
• ΔH — изменение энтальпии.
• T — температура в Кельвинах.
• ΔS — изменение энтропии.

Отрицательное ΔG указывает на то, что реакция спонтанна при постоянном давлении и температуре.

Заключение

Законы термодинамики необходимы для понимания потока энергии в химических и физических процессах. Они применимы повсеместно в различных областях, предоставляя понимание фундаментального поведения энергии и вещества. Изучая эти законы, мы получаем более глубокое понимание природного мира и множества технологий, которые используют эти принципы для практического использования.

Комментарии