Законы термодинамики и их формулировки, простое понятие

Существует три фундаментальных закона термодинамики, которые касаются движения и передачи энергии. Давайте узнаем о них в этом уроке. Мы обсудим первый закон термодинамики, второй закон термодинамики и третий закон термодинамики.

Законы термодинамики упрощены

Что такое термодинамика?
Термодинамика - это раздел физики, который изучает взаимосвязь между теплом, работой и энергией. Речь идет о способах преобразования тепла в работу и о влиянии этого преобразования на свойства вещества.

Проще говоря, термодинамика имеет дело с тем, как ведет себя тепло и как его можно использовать для выполнения работы. Например, если вы потрете руки друг о друга, вы создадите тепло, преобразуя энергию ваших движений в тепло. Затем это тепло можно использовать для согревания рук.

Хороший способ понять термодинамику - подумать о четырех законах термодинамики. Эти законы описывают основные принципы, которые управляют поведением тепла и энергии.

Первый закон термодинамики объясняется просто
Первый закон термодинамики - это основной принцип физики, который описывает взаимосвязь между энергией и теплом. В нем говорится, что энергия не может быть создана или уничтожена, только передана или преобразована из одной формы в другую. Другими словами, общее количество энергии в системе остается постоянным, даже когда эта энергия передается или преобразуется.

Простой способ понять первый закон термодинамики - подумать о закрытой системе, такой как герметичный контейнер с газом внутри. Если к газу добавить тепло, температура газа увеличится, и газ будет расширяться, воздействуя на окружающую среду. Это увеличение температуры и давления газа происходит из-за передачи тепла от окружающей среды к газу. Первый закон термодинамики говорит нам, что общее количество энергии в системе (газ и его окружение) остается постоянным, даже когда тепло передается от окружающей среды к газу.

Другими словами, первый закон термодинамики можно рассматривать как утверждение о сохранении энергии. Это говорит нам о том, что энергия всегда сохраняется, даже когда она передается или преобразуется из одной формы в другую. Этот принцип имеет много важных применений в различных областях, включая термодинамику, инженерию и химию.

Второй закон термодинамики объясняется просто
Второй закон термодинамики - это основной принцип физики, который описывает поведение тепла и направление, в котором будет течь тепло. В нем говорится, что тепло всегда будет перетекать от более горячего объекта к более холодному, и что этот процесс необратим.

Проще говоря, второй закон термодинамики говорит нам, что тепло всегда переходит от более горячих объектов к более холодным, и что невозможно преобразовать тепло в работу со 100% эффективностью. Например, если у вас есть чашка горячего кофе и чашка холодной воды, тепло от кофе естественным образом перейдет в холодную воду, в результате чего кофе остынет, а вода нагреется. Этот процесс необратим, что означает, что вы не можете обратить его вспять, просто помешивая чашки или перемешивая содержимое.

Хороший способ понять второй закон термодинамики - подумать о концепции энтропии. Энтропия - это мера беспорядка или случайности в системе. Второй закон термодинамики говорит нам, что энтропия замкнутой системы всегда будет увеличиваться с течением времени. Другими словами, естественная тенденция любой системы - становиться более неупорядоченной и случайной.

Например, если у вас есть герметичный контейнер с газом внутри, молекулы газа будут перемещаться случайным образом и сталкиваться друг с другом. Со временем газ будет становиться все более и более неупорядоченным, и энтропия системы будет увеличиваться. Это увеличение энтропии является результатом второго закона термодинамики, который говорит нам, что тепло всегда будет перетекать от более горячих объектов к более холодным, и что этот процесс необратим.

В целом, второй закон термодинамики является фундаментальным принципом физики, который имеет много важных применений в различных областях, включая термодинамику, инженерию и химию. Это помогает нам понять поведение тепла и направление, в котором оно будет течь, и позволяет нам проектировать системы, которые могут эффективно преобразовывать тепло в работу.

Третий закон термодинамики объясняется просто
Третий закон термодинамики - это фундаментальный принцип физики, который описывает поведение энтропии при очень низких температурах. В нем говорится, что когда температура системы приближается к абсолютному нулю, энтропия системы приближается к постоянному минимальному значению.

Проще говоря, третий закон термодинамики говорит нам, что по мере того, как температура системы становится все ближе и ближе к абсолютному нулю, энтропия системы будет приближаться к постоянному минимальному значению. Абсолютный ноль - это минимально возможная температура, равная -273,15 градуса Цельсия или -459,67 градуса по Фаренгейту. При этой температуре частицы в системе перестают двигаться, и система достигает состояния полного беспорядка и случайности.

Хороший способ понять третий закон термодинамики - подумать о концепции энтропии. Энтропия - это мера беспорядка или случайности в системе. Третий закон термодинамики говорит нам, что когда температура системы приближается к абсолютному нулю, энтропия системы будет приближаться к постоянному минимальному значению.

Например, если у вас есть герметичный контейнер с газом внутри, молекулы газа будут перемещаться случайным образом и сталкиваться друг с другом. По мере снижения температуры газа молекулы газа будут двигаться все медленнее и медленнее, а энтропия системы будет уменьшаться. В конце концов, когда температура приблизится к абсолютному нулю, молекулы газа вообще перестанут двигаться, и энтропия системы достигнет постоянного минимального значения.

В целом, третий закон термодинамики является фундаментальным принципом физики, который имеет много важных применений в различных областях, включая термодинамику, инженерию и химию. Это помогает нам понять поведение энтропии при очень низких температурах и позволяет нам предсказывать поведение систем, когда они приближаются к абсолютному нулю.

Что такое система?
Прежде чем углубляться в три закона термодинамики, важно понять концепцию системы и окружения.

Термодинамика становится намного проще, когда проводится четкая граница. Все, что находится внутри границы, называется “системой”, а все, что находится за пределами границы, называется “окружением”. Как только диаграмма границ нарисована, движение и перенос энергии можно охарактеризовать потоком через границы системы.

Термин “вселенная” является всеобъемлющим. Другими словами, относится как к системе, так и к окружающей среде.

Типы систем
В зависимости от типа закона и обменов существует три типа систем: открытые системы, закрытые системы и изолированные системы. Во-первых, в открытой системе происходит обмен как веществом, так и энергией. Далее, в замкнутой системе происходит не обмен веществом, а некоторый обмен энергией. Наконец, в открытой системе происходит обмен как веществом, так и энергией. Понимание различий между этими системами имеет решающее значение для понимания законов термодинамики.

Что такое термодинамика?
Термодинамика - это раздел физики, который изучает взаимосвязи между работой, теплом, температурой и энергией. Кроме того, термодинамика рассматривает науку о том, как тепловая энергия преобразуется между формами энергии и как тепловая энергия влияет на материю. Тепловая энергия определяется как энергия, получаемая от тепла.

Законы термодинамики: Первый
Первый закон термодинамики сводится к следующему: энергия не может быть создана или уничтожена. Другими словами, полная энергия Вселенной должна оставаться постоянной или сохраняться.

∆U вселенная = 0

Однако важно отметить, что энергия принимает разные формы. Другой способ повторить первый закон - сказать, что изменение энергии равно тепловому потоку через систему (Q) плюс работа, выполняемая в системе или системой (W).

∆E система = Q + W

∂E = ∂Q + ∂W в дифференциальной форме

Итак, тепло и работа - это два процесса, которые могут изменять внутреннюю энергию системы. Если тепло поступает в систему, Q является положительным. Это означает, что система получает тепло, и такое же количество тепла теряется окружающей средой (эндотермическая реакция). Если тепло выходит из системы, Q отрицательно. Это означает, что тепло, теряемое системой, равно по величине теплу, получаемому окружающей средой (экзотермическая реакция).

Та же идея и для работы. Если окружающая среда действительно работает в системе, то работа положительна. Если система работает над своим окружением, то работа отрицательна. В любом случае, общая энергия сохраняется. Это кратко изложено ниже:

Законы термодинамики: Второй
Второй закон термодинамики имеет дело с энтропией и, в некоторой степени, ограничивает первый закон. Согласно второму закону, энтропия спонтанного процесса должна увеличиваться, а энтропия Вселенной, как изолированной системы, всегда должна увеличиваться. Это потому, что достижение максимальной энтропии означает, что система находится в равновесии. Все системы всегда пытаются достичь равновесия и увеличить свою свободную энергию Гиббса.

Вселенная > 0

Процессы могут привести к уменьшению энтропии системы, но в этом случае энтропия окружающей среды увеличится. Это не нарушает второй закон.

Наша вселенная = наша система + наше окружение

Спонтанные процессы
Спонтанный процесс - это процесс, который происходит без какого-либо участия. Согласно второму закону термодинамики, в спонтанном процессе энтропия должна увеличиваться. Вы можете понимать энтропию либо как достижение равновесия, либо как увеличение беспорядка в системе.

Примером спонтанного процесса является тепло, переходящее от горячего к холодному телу. Тепло естественным образом переходит от горячего к холодному без какого-либо внешнего воздействия, потому что вся система пытается достичь равномерной температуры.

Когда тепло покидает горячую систему, его собственная энтропия уменьшается, а затем, когда оно попадает в холодную систему, его энтропия увеличивается. Это спонтанный процесс.

С другой стороны, непроизвольный процесс - это процесс, в котором энтропия уменьшается.

Обратите внимание, что спонтанность не относится к скорости! Это относится к процессу, который естественным образом происходит без вмешательства. Спонтанный процесс может иметь очень низкую скорость реакции.

Законы термодинамики: Третий
Третий закон термодинамики гласит, что энтропия системы приближается к постоянному значению, когда ее температура приближается к абсолютному нулю. Этот закон обычно применяется к чистому материалу с идеально кристаллической структурой, поскольку его минимальная энергия позволяет приблизиться к нулевой энтропии. Если кристалл не идеален или не при 0 К, то произойдет тепловое движение, которое приведет к беспорядку.