- מהם חוקי התרמודינמיקה?
- מקור חוקי התרמודינמיקה
- החוק הראשון של התרמודינמיקה
- החוק השני של התרמודינמיקה
- החוק השלישי של התרמודינמיקה
- חוק האפס של התרמודינמיקה
אנו מסבירים מהם חוקי התרמודינמיקה, מה מקורם של עקרונות אלו והמאפיינים העיקריים של כל אחד מהם.
מהם חוקי התרמודינמיקה?
חוקי התרמודינמיקה (או עקרונות התרמודינמיקה) מתארים את ההתנהגות של שלושה גדלים פיזיקליים בסיסיים, טֶמפֶּרָטוּרָה, ה אֵנֶרְגִיָה והאנטרופיה, המאפיינות מערכות תרמודינמיות. המונח "תרמודינמיקה" מגיע מיוונית תֶרמוֹס, מה זה אומר "חוֹם", י דינמות, מה זה אומר "כּוֹחַ”.
מבחינה מתמטית, עקרונות אלה מתוארים על ידי א מַעֲרֶכֶת של משוואות המסבירות את ההתנהגות של מערכות תרמודינמיות, המוגדרות ככל מושא מחקר (מתוך א מולקולה או א בן אדם, עד אַטמוֹספֵרָה או מים רותחים בסיר).
ישנם ארבעה חוקים של התרמודינמיקה והם חיוניים להבנת החוקים הפיזיקליים של עוֹלָם וחוסר האפשרות של תופעות מסוימות כמו ה תְנוּעָה נִצחִי.
מקור חוקי התרמודינמיקה
ארבעת העקרונות של תֶרמוֹדִינָמִיקָה יש להם מקורות שונים, וחלקם נוסחו מהקודמים. הראשון שהוקם, למעשה, היה השני, עבודתו של הפיזיקאי והמהנדס הצרפתי ניקולס לאונרד סאדי קרנו ב-1824.
עם זאת, בשנת 1860 עיקרון זה נוסח שוב על ידי רודולף קלאוזיוס וויליאם תומפסון, ולאחר מכן הוסיפו את מה שאנו מכנים כיום את החוק הראשון של התרמודינמיקה. מאוחר יותר הופיעה השלישית, הידועה גם בשם "הנחת נרסט" משום שהיא קמה הודות למחקריו של ולתר נרנסט בין השנים 1906 ל-1912.
לבסוף, מה שנקרא "חוק האפס" הופיע ב-1930, שהוצע על ידי גוגנהיים ופאולר. יש לומר שלא בכל התחומים הוא מוכר כחוק אמת.
החוק הראשון של התרמודינמיקה
החוק הראשון נקרא "חוק שימור האנרגיה" כי הוא מכתיב את זה בכל מערכת מבודד מסביבתו, כמות האנרגיה הכוללת תמיד תהיה זהה, למרות שניתן להפוך אותה מצורת אנרגיה אחת לצורה אחרת. או במילים אחרות: לא ניתן ליצור או להרוס אנרגיה, אלא רק להפוך.
לפיכך, על ידי אספקת כמות נתונה של חום (Q) למערכת פיזיקלית, ניתן לחשב את כמות האנרגיה הכוללת שלה כחום המסופק פחותעבודה (W) המבוצעת על ידי המערכת על סביבתה. מבוטא בנוסחה: ΔU = Q - W.
כדוגמה לחוק הזה, בואו נדמיין מנוע של מטוס. זוהי מערכת תרמודינמית המורכבת מדלק המגיב כימית במהלך התהליך של שְׂרֵפָה, משחרר חום ועושה עבודה (שגורם למטוס לנוע). אז: אם נוכל למדוד את כמות העבודה שנעשתה והחום המשתחרר, נוכל לחשב את האנרגיה הכוללת של המערכת ולהסיק שהאנרגיה במנוע נשארה קבועה במהלך הטיסה: אנרגיה לא נוצרה ולא נהרסה, אלא היא הפכה לשינוי שֶׁל אנרגיה כימית ל אנרגיה קלורית יאנרגיה קינטית (תנועה, כלומר עבודה).
החוק השני של התרמודינמיקה
ניתן לסכם את החוק השני, הנקרא גם "חוק האנטרופיה", בכך שהכמות של אנטרופיה ביקום נוטה להגדיל את מזג אוויר. המשמעות היא שמידת האי-סדר של המערכות עולה עד שמגיעים לנקודת שיווי משקל, שהיא מצב האי-סדר הגדול ביותר של המערכת.
חוק זה מציג מושג יסוד בפיזיקה: מושג האנטרופיה (מיוצג באות S), שבמקרה של מערכות פיזיקליות מייצג את מידת ההפרעה. מסתבר שבכל תהליך פיזיקלי שבו יש טרנספורמציה של אנרגיה, כמות מסוימת של אנרגיה אינה שמישה, כלומר אינה יכולה לעשות עבודה. אם אתה לא יכול לעשות עבודה, ברוב המקרים האנרגיה הזו היא חום. החום הזה שהמערכת משחררת, מה שהיא עושה זה להגביר את האי-סדר של המערכת, את האנטרופיה שלה. אנטרופיה היא מדד לאי-סדר של מערכת.
הניסוח של חוק זה קובע כי השינוי באנטרופיה (dS) תמיד יהיה שווה או גדול מה-העברת חום (dQ), חלקי הטמפרטורה (T) של המערכת. כלומר, ש: dS ≥ dQ / T.
כדי להבין את זה עם דוגמה, זה מספיק כדי לשרוף כמות מסוימת של חוֹמֶר ולאחר מכן לאסוף את האפר שנוצר. כאשר נשקול אותם, נוודא שזה פחות חומר ממה שהיה במצבו הראשוני: חלק מהחומר הומר לחום בצורה של גזים שהם לא יכולים לעשות עבודה על המערכת ושהם תורמים לאי-סדר שלה.
החוק השלישי של התרמודינמיקה
החוק השלישי קובע שהאנטרופיה של מערכת שמובאת לאפס מוחלט תהיה קבועה מוגדרת. במילים אחרות:
- בהגעה לאפס המוחלט (אפס ביחידות קלווין), התהליכים של מערכות פיזיקליות נעצרים.
- בהגעה לאפס המוחלט (אפס ביחידות קלווין), לאנטרופיה יש ערך מינימלי קבוע.
קשה להגיע למה שנקרא האפס המוחלט (-273.15 מעלות צלזיוס) על בסיס יומי, אבל אנחנו יכולים לחשוב על החוק הזה על ידי ניתוח מה קורה במקפיא: מזון שאנחנו מפקידים שם יהיה כל כך קר שהתהליכים הביוכימיים בתוכו יאטו או אפילו ייפסקו. לכן פירוקו מתעכב ושלו צְרִיכָה להרבה יותר זמן.
חוק האפס של התרמודינמיקה
"חוק האפס" ידוע בשם זה למרות שהיה האחרון שרץ. ידוע גם כ חוק שיווי משקל תרמי, עיקרון זה מכתיב כי: "אם שתי מערכות נמצאות שיווי משקל תרמי באופן עצמאי עם מערכת שלישית, הם חייבים להיות גם בשיווי משקל תרמי זה עם זה". ניתן לבטא זאת באופן הגיוני כך: אם A = C ו- B = C, אז A = B.
חוק זה מאפשר לנו להשוות את האנרגיה התרמית של שלושה גופים שונים A, B ו-C. אם גוף A נמצא בשיווי משקל תרמי עם גוף C (יש להם אותה טמפרטורה) וגם ל-B יש אותה טמפרטורה כמו C, אז A ו B יש אותה טמפרטורה.
דרך נוספת לקבוע עיקרון זה היא לטעון שכאשר שני גופים בעלי טמפרטורות שונות באים במגע, הם מחליפים חום עד שהטמפרטורות שלהם משתוות.
קל למצוא דוגמאות יומיומיות לחוק זה. כאשר אנו נכנסים למים קרים או חמים, אנו נבחין בהבדל בטמפרטורה רק בדקות הראשונות מכיוון שהגוף שלנו יכנס לשיווי משקל תרמי עםמים ולא נבחין יותר בהבדל. אותו הדבר קורה כשנכנסים לחדר חם או קר: בהתחלה נבחין בטמפרטורה, אבל אז נפסיק לתפוס את ההבדל כי ניכנס איתו לשיווי משקל תרמי.