Закони на термодинамиката: подробно и обяснено стъпка по стъпка

  • Енергията не може да бъде създадена или унищожена, а само трансформирана (Първи закон).
  • Ентропията на една система винаги има тенденция да нараства (втори закон).
  • Абсолютна нула е състоянието, при което процесите спират (трети закон).
  • Топлинното равновесие между две системи предполага равенство на температурите (Закон на нулата).

Ентропия на Вселената

Със сигурност някога сте чували концепцията за закони на термодинамиката. Известни също като принципи на термодинамиката, тези закони представляват фундаменталната основа на физиката, свързана с поведението на топлината, енергията и ентропията в термодинамичните системи. В тази статия ще обясним подробно всичко, което трябва да знаете за четирите закона на термодинамиката, как работят, техния произход и приложението им в ежедневието.

Закони на термодинамиката

Ентропия

Има четири закона на термодинамиката, номерирани от нула до трета. Тези закони се използват, за да опишат как работят физическите системи в нашата вселена и какви ограничения съществуват върху енергийните процеси. Те са от решаващо значение за разбирането на такива важни явления като пренос на топлина, топлинно равновесие и нарастване на ентропията, което е степента на безпорядък в една система.
Всеки от тези закони има определена насоченост. Въпреки че редът на формулиране не е хронологичен, в момента те следват логическа структура, която помага да се разберат енергийните взаимодействия по-ясно. Ще опишем всеки от тези закони и как се прилагат на практика.

Първи закон на термодинамиката

Значение на законите на термодинамиката

Първият закон на термодинамиката, наричан още закон за запазване на енергията, заявява, че енергията не може да бъде създадена или унищожена, а само трансформирана. Просто казано, общото количество енергия в изолирана система остава постоянно, въпреки че може да промени формата си.
Например, ако подадете количество енергия под формата на топлина към система, увеличението на общата енергия ще бъде равно на сумата от извършената работа плюс увеличението на нейната вътрешна енергия. Този закон е основен за съвременните енергийни приложения, от двигатели с вътрешно горене до производство на електроенергия в термодинамични инсталации.Практически пример: Представете си двигател на самолет. Горивото реагира химически, освобождавайки енергия под формата на топлина, част от която се превръща в работа за задвижване на витлата. Въпреки че част от тази енергия се разсейва като топлина в околната среда, общата енергия се запазва, тя просто се променя от една форма в друга.

Втори закон на термодинамиката

Закони на термодинамиката

Вторият закон на термодинамиката е известен още като закон на ентропията. Този закон гласи, че всички системи са склонни към състояние на по-голям безпорядък или ентропия. С течение на времето ентропията на Вселената винаги се увеличава.
Това означава, че във всеки енергиен процес част от енергията винаги се разсейва като топлина, карайки системите естествено да се движат към по-неподредени състояния. Една система никога не може да бъде 100% ефективна, тъй като винаги ще има загуба на използваема енергия.

Eпрактически пример: Ако изгорите лист хартия, материята се превръща в газове и пепел, които не могат да бъдат възстановени. Този процес е необратим, тъй като хартията не може да се върне в първоначалното си състояние. Това е мястото, където вторият закон разкрива, че безредието (ентропията) на системата се е увеличило.

Освен това този закон помага да се обясни защо явления като вечното движение са невъзможни. Винаги има загуба на енергия за околната среда, което не позволява на машината да работи вечно без външен източник на енергия.

Трети закон на термодинамиката

Абсолютна нула

Третият закон на термодинамиката гласи, че при достигане на Абсолютна нула, ентропията на една система има тенденция да бъде минимална и постоянна. Абсолютната нула е най-ниската възможна температура, еквивалентна на -273.15 °C или 0 K по скалата на Келвин.

На теория, при достигане на тази температура, частиците в системата спират да се движат, елиминирайки цялата топлинна енергия от нея. Достигането на абсолютната нула обаче на практика е невъзможно. С наближаването на тази температура системите претърпяват драстични промени в своите свойства. Например някои материали изпитват явления като свръхпроводимост или свръхфлуидност.

Практическо приложение: Въпреки че абсолютната нула не може да бъде достигната, изследванията във физиката доведоха до създаването на технологии, които се възползват от явленията на материали при близки температури, като свръхпроводници, които почти напълно елиминират електрическото съпротивление.

Нулев закон на термодинамиката

Топлинен баланс

Нулевият закон на термодинамиката е най-новият формулиран, но е от решаващо значение за основаването на останалите. Този закон гласи, че ако две системи са в топлинно равновесие с трета система, тогава тези две системи също са в топлинно равновесие една с друга. Това означава, че ако между тях няма топлообмен, то те имат еднаква температура.

Практически пример: Термометър, поставен в чаша с вода, измерва температурата на течността. Когато термометърът достигне същата температура като водата, той спира да обменя топлина с нея. Това е класически пример за действие на нулевия закон.
Благодарение на този закон можем да определим и измерим температурата на обектите, което е от съществено значение за цялата термодинамична физика.

Техническо значение: Без нулевия закон не бихме могли да установим понятието температура, нито да използваме устройства като термометри за измерване на топлинна енергия.

Този набор от четири закона ни позволява да разберем как работи енергията в нашата вселена, как се пренася и как част от нея неизбежно се губи под формата на ентропия. Без тези закони много съвременни технологични постижения, като двигатели, електроцентрали и хладилни системи, не биха били възможни.


Оставете вашия коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

*

*

  1. Отговорен за данните: Мигел Анхел Гатон
  2. Предназначение на данните: Контрол на СПАМ, управление на коментари.
  3. Легитимация: Вашето съгласие
  4. Съобщаване на данните: Данните няма да бъдат съобщени на трети страни, освен по законово задължение.
  5. Съхранение на данни: База данни, хоствана от Occentus Networks (ЕС)
  6. Права: По всяко време можете да ограничите, възстановите и изтриете информацията си.

      Изабел каза той

    Здравейте добре, откъде мога да знам повече по темата? Благодаря ви, поздрави.