- กฎของเทอร์โมไดนามิกส์คืออะไร?
- ที่มาของกฎเทอร์โมไดนามิกส์
- กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์
- กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์
- กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์
- กฎศูนย์ของเทอร์โมไดนามิกส์
เราอธิบายว่ากฎของอุณหพลศาสตร์คืออะไร ต้นกำเนิดของหลักการเหล่านี้คืออะไร และลักษณะสำคัญของกฎแต่ละข้อคืออะไร
กฎของเทอร์โมไดนามิกส์คืออะไร?
กฎของอุณหพลศาสตร์ (หรือหลักการของอุณหพลศาสตร์) อธิบายพฤติกรรมของปริมาณทางกายภาพพื้นฐานสามประการคือ อุณหภูมิ, ที่ พลังงาน และเอนโทรปีซึ่งกำหนดลักษณะระบบเทอร์โมไดนามิกส์ คำว่า "เทอร์โมไดนามิกส์" มาจากภาษากรีก กระติกน้ำร้อน, หมายความว่าอย่างไร "ความร้อน", ย ไดนาโม, หมายความว่าอย่างไร "บังคับ”.
ในทางคณิตศาสตร์ หลักการเหล่านี้อธิบายโดย a ชุด ของสมการที่อธิบายพฤติกรรมของระบบอุณหพลศาสตร์ ซึ่งกำหนดเป็นวัตถุแห่งการศึกษาใดๆ (จาก a โมเลกุล หรือ มนุษย์, จนกระทั่ง บรรยากาศ หรือน้ำเดือดในกระทะ)
กฎเทอร์โมไดนามิกส์มีสี่กฎและมีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจกฎทางกายภาพของ จักรวาล และความเป็นไปไม่ได้ของปรากฏการณ์บางอย่างเช่น ความเคลื่อนไหว ตลอดไป
ที่มาของกฎเทอร์โมไดนามิกส์
หลักการสี่ประการของ อุณหพลศาสตร์ พวกมันมีต้นกำเนิดที่ต่างกันและบางอันก็ถูกสร้างขึ้นมาจากอันที่แล้ว อันที่จริงงานแรกที่จัดตั้งขึ้นคืองานที่สองของนักฟิสิกส์และวิศวกรชาวฝรั่งเศสNicolásLéonard Sadi Carnot ในปี พ.ศ. 2367
อย่างไรก็ตาม ในปี 1860 หลักการนี้ถูกกำหนดขึ้นอีกครั้งโดยรูดอล์ฟ คลอเซียส และวิลเลียม ทอมป์สัน จากนั้นจึงเพิ่มสิ่งที่เราเรียกว่ากฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ในปัจจุบัน ต่อมาครั้งที่สามปรากฏขึ้น หรือที่เรียกว่า "สัจจธรรมของเนิร์สต์" เพราะมันเกิดขึ้นจากการศึกษาของวอลเธอร์ เนิร์นสท์ระหว่างปี 2449 ถึง 2455
ในที่สุด สิ่งที่เรียกว่า "กฎศูนย์" ปรากฏในปี 1930 เสนอโดยกุกเกนไฮม์และฟาวเลอร์ ควรกล่าวว่าไม่ใช่ในทุกด้านที่ถือเป็นกฎหมายที่แท้จริง
กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์
กฎข้อแรกเรียกว่า "กฎการอนุรักษ์พลังงาน" เพราะบัญญัติไว้ว่าในข้อใด ระบบ เมื่อแยกออกจากสิ่งแวดล้อม ปริมาณพลังงานทั้งหมดจะเท่าเดิม แม้ว่าจะสามารถเปลี่ยนจากพลังงานรูปแบบหนึ่งไปเป็นพลังงานที่แตกต่างกันได้ หรืออีกนัยหนึ่ง: พลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ เปลี่ยนแปลงได้เท่านั้น
ดังนั้น โดยการจ่ายปริมาณความร้อน (Q) ที่กำหนดให้กับระบบทางกายภาพ สามารถคำนวณปริมาณพลังงานทั้งหมดได้เนื่องจากความร้อนที่จ่ายไปลบงาน (W) ดำเนินการโดยระบบโดยรอบ แสดงในสูตร: ΔU = Q - W.
ตัวอย่างของกฎข้อนี้ ลองนึกภาพเครื่องยนต์เครื่องบิน เป็นระบบเทอร์โมไดนามิกส์ที่ประกอบด้วยเชื้อเพลิงที่ทำปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างกระบวนการของ การเผาไหม้ปล่อยความร้อนและทำงาน (ที่ทำให้เครื่องบินเคลื่อนที่) ดังนั้น: หากเราสามารถวัดปริมาณงานที่ทำและความร้อนที่ปล่อยออกมา เราสามารถคำนวณพลังงานทั้งหมดของระบบและสรุปได้ว่าพลังงานในเครื่องยนต์ยังคงที่ระหว่างการบิน: พลังงานไม่ได้ถูกสร้างขึ้นหรือถูกทำลาย แต่มีการเปลี่ยนแปลง ของ พลังงานเคมี ถึง พลังงานแคลอรี่ Yพลังงานจลน์ (การเคลื่อนไหวนั่นคืองาน)
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์
กฎข้อที่สองหรือที่เรียกว่า «กฎของเอนโทรปี» สามารถสรุปได้ว่าปริมาณของ เอนโทรปี ในจักรวาลมีแนวโน้มที่จะเพิ่มขึ้นใน สภาพอากาศ. ซึ่งหมายความว่าระดับของความผิดปกติของระบบเพิ่มขึ้นจนถึงจุดสมดุลซึ่งเป็นสถานะของความผิดปกติที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของระบบ
กฎข้อนี้แนะนำแนวคิดพื้นฐานในวิชาฟิสิกส์: แนวคิดของเอนโทรปี (แสดงด้วยตัวอักษร S) ซึ่งในกรณีของระบบทางกายภาพแสดงถึงระดับของความผิดปกติ ปรากฎว่าในทุกกระบวนการทางกายภาพที่มีการเปลี่ยนแปลงของพลังงาน พลังงานจำนวนหนึ่งใช้ไม่ได้ กล่าวคือ มันไม่สามารถทำงานได้ ถ้าคุณทำงานไม่ได้ ส่วนใหญ่แล้วพลังงานก็คือความร้อน ความร้อนที่ระบบปล่อยออกมา สิ่งที่มันทำคือเพิ่มความผิดปกติของระบบ เอนโทรปีของมัน เอนโทรปีเป็นตัววัดความผิดปกติของระบบ
การกำหนดกฎหมายนี้กำหนดว่าการเปลี่ยนแปลงในเอนโทรปี (dS) จะเท่ากับหรือมากกว่าการถ่ายเทความร้อน (dQ) หารด้วยอุณหภูมิ (T) ของระบบ นั่นคือ: dS ≥ dQ / T
เพื่อให้เข้าใจสิ่งนี้ด้วยตัวอย่างก็เพียงพอที่จะเผาผลาญ .จำนวนหนึ่ง วัตถุ แล้วเก็บขี้เถ้าที่เกิด เมื่อชั่งน้ำหนักเราจะตรวจสอบว่าสสารน้อยกว่าที่อยู่ในสภาพเริ่มต้น: ส่วนหนึ่งของสสารถูกแปลงเป็นความร้อนในรูปของ ก๊าซ ว่าพวกเขาไม่สามารถทำงานบนระบบได้และมีส่วนทำให้เกิดความผิดปกติ
กฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์
กฎข้อที่สามระบุว่าเอนโทรปีของระบบที่ถูกทำให้เป็นศูนย์สัมบูรณ์จะเป็นค่าคงที่ที่แน่นอน กล่าวอีกนัยหนึ่ง:
- เมื่อถึงศูนย์สัมบูรณ์ (ศูนย์ในหน่วยเคลวิน) กระบวนการของระบบกายภาพจะหยุดลง
- เมื่อถึงศูนย์สัมบูรณ์ (ศูนย์ในหน่วยเคลวิน) เอนโทรปีมีค่าต่ำสุดคงที่
เป็นเรื่องยากที่จะเข้าถึงสิ่งที่เรียกว่าศูนย์สัมบูรณ์ (-273.15 ° C) ในแต่ละวัน แต่เราสามารถคิดเกี่ยวกับกฎหมายนี้ได้โดยการวิเคราะห์สิ่งที่เกิดขึ้นในช่องแช่แข็ง: อาหาร ที่เราฝากไว้จะเย็นจนกระบวนการทางชีวเคมีภายในจะช้าลงหรือหยุดลง นั่นคือสาเหตุที่ทำให้การสลายตัวล่าช้าและ การบริโภค นานขึ้น
กฎศูนย์ของเทอร์โมไดนามิกส์
"กฎศูนย์" เป็นที่รู้จักในชื่อนั้นแม้ว่าจะเป็นคนสุดท้ายที่เรียกใช้ ยังเป็นที่รู้จักกันในนาม กฎสมดุลความร้อนหลักการนี้กำหนดว่า: “ถ้าสองระบบอยู่ใน สมดุลความร้อน ด้วยระบบที่สามอย่างอิสระพวกเขาจะต้องอยู่ในสมดุลความร้อนซึ่งกันและกัน” สามารถแสดงตรรกะได้ดังนี้: ถ้า A = C และ B = C แล้ว A = B
กฎข้อนี้อนุญาตให้เราเปรียบเทียบพลังงานความร้อนของร่างกาย A, B และ C ที่แตกต่างกันสามตัว หากร่างกาย A อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อนกับร่างกาย C (มีอุณหภูมิเท่ากัน) และ B มีอุณหภูมิเท่ากับ C แล้ว A และ B มีอุณหภูมิเท่ากัน
อีกวิธีหนึ่งในการระบุหลักการนี้คือโต้แย้งว่าเมื่อวัตถุสองชิ้นที่มีอุณหภูมิต่างกันมาสัมผัสกัน พวกมันจะแลกเปลี่ยนความร้อนกันจนกว่าอุณหภูมิจะเท่ากัน
ตัวอย่างประจำวันของกฎหมายนี้หาได้ง่าย เมื่อเราลงไปในน้ำเย็นหรือน้ำร้อน เราจะสังเกตเห็นความแตกต่างของอุณหภูมิในช่วงนาทีแรกเท่านั้น เนื่องจากร่างกายของเราจะเข้าสู่สมดุลความร้อนด้วยน้ำ และเราจะไม่สังเกตเห็นความแตกต่างอีกต่อไป สิ่งเดียวกันนี้เกิดขึ้นเมื่อเราเข้าไปในห้องที่ร้อนหรือเย็น: ในตอนแรกเราจะสังเกตเห็นอุณหภูมิ แต่แล้วเราจะหยุดรับรู้ความแตกต่างเพราะเราจะเข้าสู่สมดุลทางความร้อนด้วย