termodynamikens lagar

Fysisk

2022

Vi förklarar vad termodynamikens lagar är, vad är ursprunget till dessa principer och de viktigaste egenskaperna hos var och en.

Termodynamikens lagar tjänar till att förstå universums fysiska lagar.

Vilka är termodynamikens lagar?

Termodynamikens lagar (eller termodynamikens principer) beskriver beteendet hos tre fundamentala fysikaliska storheter, temperatur, den Energi och denentropi, som kännetecknar termodynamiska system. Termen termodynamik kommer från grekiskan termos, Vad betyder det "värme", Y dynamos, Vad betyder det "tvinga”.

Matematiskt beskrivs dessa principer av en uppsättning av ekvationer som förklarar beteendet hos termodynamiska system, definierade som ett studieobjekt (från a molekyl eller a människa, fram tills atmosfär eller kokande vatten i en kastrull).

Det finns fyra termodynamiska lagar och de är avgörande för att förstå de fysiska lagarna universum och omöjligheten av vissa fenomen såsom rörelse evig.

Ursprunget till termodynamikens lagar

De fyra principerna för termodynamik De har olika ursprung, och några formulerades från de tidigare. Den första som etablerades var faktiskt den andra, den franske fysikern och ingenjören Nicolás Léonard Sadi Carnots arbete 1824.

Men 1860 formulerades denna princip igen av Rudolf Clausius och William Thompson, och lade sedan till vad vi nu kallar termodynamikens första lag. Senare dök det tredje upp, även känt som "Nerstpostulatet" eftersom det uppstod tack vare studierna av Walther Nernst mellan 1906 och 1912.

Slutligen dök den så kallade "nolllagen" upp 1930, föreslagen av Guggenheim och Fowler. Det bör sägas att det inte på alla områden erkänns som en sann lag.

Termodynamikens första lag

Energi kan inte skapas eller förstöras, bara omvandlas.

Den första lagen kallas "lagen om energibevarande" eftersom den dikterar det i alla systemet isolerad från sin omgivning kommer den totala mängden energi alltid att vara densamma, även om den kan omvandlas från en energiform till olika. Eller med andra ord: energi kan inte skapas eller förstöras, bara omvandlas.

Således, genom att tillföra en given mängd värme (Q) till ett fysiskt system, kan dess totala mängd energi beräknas som den tillförda värmen minusjobb (W) utförs av systemet på dess omgivning. Uttryckt i en formel: ΔU = Q - W.

Som ett exempel på denna lag, låt oss föreställa oss en flygplansmotor. Det är ett termodynamiskt system som består av bränsle som kemiskt reagerar under processen av förbränning, släpper ut värme och fungerar (som gör att planet rör sig). Så: om vi kunde mäta mängden utfört arbete och frigjord värme, skulle vi kunna beräkna systemets totala energi och dra slutsatsen att energin i motorn förblev konstant under flygningen: energi varken skapades eller förstördes, snarare förändrades den. av kemisk energi till kalorienergi YRörelseenergi (rörelse, det vill säga arbete).

Termodynamikens andra lag

Med tillräckligt med tid kommer alla system så småningom att tendera att hamna i obalans.

Den andra lagen, även kallad "entropilagen", kan sammanfattas i att mängden av entropi i universum tenderar att öka i väder. Detta betyder att graden av oordning i systemen ökar tills man når en jämviktspunkt, vilket är tillståndet av störst störning i systemet.

Denna lag introducerar ett grundläggande begrepp inom fysiken: begreppet entropi (representerat av bokstaven S), som i fallet med fysiska system representerar graden av störning. Det visar sig att i varje fysisk process där det sker en omvandling av energi, är en viss mängd energi inte användbar, det vill säga den kan inte utföra arbete. Om du inte kan arbeta är den energin i de flesta fall värme. Den värmen som systemet släpper ut, vad det gör är att öka systemets oordning, dess entropi. Entropi är ett mått på störningen i ett system.

Formuleringen av denna lag fastställer att förändringen i entropi (dS) alltid kommer att vara lika med eller större änvärmeöverföring (dQ), dividerat med systemets temperatur (T). Det vill säga att: dS ≥ dQ / T.

För att förstå detta med ett exempel räcker det att bränna en viss mängd materia och samla sedan upp den resulterande askan. När vi väger dem kommer vi att verifiera att det är mindre materia än vad som var i sitt ursprungliga tillstånd: en del av materien omvandlades till värme i form av gaser att de inte kan arbeta med systemet och att de bidrar till dess oordning.

Termodynamikens tredje lag

När den absoluta nollpunkten uppnås stannar de fysiska systemens processer.

Den tredje lagen säger att entropin i ett system som bringas till absolut noll kommer att vara en bestämd konstant. Med andra ord:

  • När den absoluta nollpunkten uppnås (noll i Kelvin-enheter) stannar de fysiska systemens processer.
  • När den absoluta nollpunkten nås (noll i Kelvin-enheter) har entropin ett konstant minimivärde.

Det är svårt att nå den så kallade absoluta nollan (-273,15 ° C) dagligen, men vi kan tänka på denna lag genom att analysera vad som händer i en frys: mat som vi deponerar där blir så kallt att de biokemiska processerna inuti det kommer att sakta ner eller till och med stoppa. Det är därför dess nedbrytning försenas och dess konsumtion mycket längre.

Termodynamikens nolllag

"Nolllagen" uttrycks logiskt så här: om A = C och B = C, då A = B.

"Nolllagen" är känd under det namnet även om den var den sista som körde. Också känd som Lagen om termisk jämvikt, dikterar denna princip att: "Om två system är i termisk jämvikt oberoende med ett tredje system måste de också vara i termisk jämvikt med varandra ”. Det kan uttryckas logiskt enligt följande: om A = C och B = C, då A = B.

Denna lag tillåter oss att jämföra den termiska energin för tre olika kroppar A, B och C. Om kropp A är i termisk jämvikt med kropp C (de har samma temperatur) och B också har samma temperatur som C, då A och B har samma temperatur.

Ett annat sätt att uttrycka denna princip är att hävda att när två kroppar med olika temperaturer kommer i kontakt byter de värme tills deras temperaturer utjämnas.

Vardagliga exempel på denna lag är lätta att hitta. När vi kommer in i kallt eller varmt vatten kommer vi att märka skillnaden i temperatur endast under de första minuterna eftersom vår kropp sedan kommer in i termisk jämvikt medVatten och vi kommer inte längre att märka skillnaden. Samma sak händer när vi går in i ett varmt eller kallt rum: vi kommer att märka temperaturen först, men sedan kommer vi att sluta uppfatta skillnaden eftersom vi kommer in i termisk jämvikt med den.

!-- GDPR -->