قوانین ترمودینامیک

3

قوانین ترمودینامیک

شاخه علمی به نام  ترمودینامیک با سیستمهایی سروکار دارد که قادر به انتقال انرژی حرارتی حداقل به یک شکل دیگر انرژی (مکانیکی ، الکتریکی و غیره) یا به کار هستند. قوانین ترمودینامیک در طی سالها به عنوان برخی از اساسی ترین قوانینی که با استفاده از سیستم ترمودینامیکی به نوعی تغییر انرژی انجام می شود ، تدوین می شوند .(انرژی خورشیدی)

تاریخچه ترمودینامیک

تاریخچه ترمودینامیک از Otto von Guericke آغاز می شود که در سال 1650 اولین پمپ خلاء جهان را ساخت و با استفاده از نیم کره های مگدبورگ خود خلاء را به نمایش گذاشت. گوریک برای تهی کردن فرض دیرینه ارسطو مبنی بر اینکه “طبیعت از یک خلاء نادیده می گیرد” خواسته شد خلاء ایجاد کند. اندکی پس از گوریک ، فیزیکدان و شیمیدان انگلیسی روبرت بویل از طرح های گوریک آموخته بود و در سال 1656 با هماهنگی دانشمند انگلیسی روبرت هوک ، پمپ هوا ساخت. با استفاده از این پمپ ، بویل و هوک متوجه همبستگی بین فشار ، دما و حجم شدند. با گذشت زمان ، قانون بویل تدوین شد که می گوید فشار و میزان آن با یکدیگر متناسب است.

پیامدهای قوانین ترمودینامیک

قوانین ترمودینامیک تمایل به نسبتا آسان به دولت و درک … به طوری که آن را آسان به دست کم گرفتن تاثیر آنها. در میان چیزهای دیگر ، آنها محدودیت هایی در مورد چگونگی استفاده از انرژی در جهان دارند. تأکید بیش از اندازه تأثیر این مفهوم بسیار دشوار خواهد بود. عواقب قوانین ترمودینامیک تقریباً به هر جنبه ای از تحقیق علمی به نوعی لمس می شود.

مفاهیم اصلی برای فهم قوانین ترمودینامیک

برای درک قوانین ترمودینامیک ، درک برخی دیگر از مفاهیم ترمودینامیک مربوط به آنها ضروری است.

  • بررسی اجمالی ترمودینامیک – مروری بر اصول اساسی حوزه ترمودینامیک
  • انرژی گرمایی – تعریف اساسی از انرژی گرما
  • دما – تعریف اساسی دما
  • مقدمه ای برای انتقال حرارت – توضیحی در مورد روش های مختلف انتقال حرارت.
  • فرآیندهای ترمودینامیکی – قوانین ترمودینامیک بیشتر در مورد فرآیندهای ترمودینامیکی اعمال می شوند ، هنگامی که یک سیستم ترمودینامیکی نوعی انتقال انرژی را پشت سر می گذارد.

تدوین قوانین ترمودینامیک

مطالعه گرما به عنوان یک شکل مجزا از انرژی تقریباً در سال 1798 آغاز شد هنگامی که سر بنیامین تامپسون (همچنین به عنوان Count Rumford) ، یک مهندس نظامی بریتانیا نیز شناخته می شود ، متوجه شد که گرما می تواند متناسب با مقدار کار انجام شده ایجاد شود … اساسی ایده ای که در نهایت می تواند به نتیجه نخستین قانون ترمودینامیک تبدیل شود.

فیزیکدان فرانسوی Sadi Carnot برای اولین بار در سال 1824 یک اصل اساسی ترمودینامیک را تدوین کرد. اصولی که کاروت برای تعریف موتور گرمای چرخه کاروت از آن استفاده می کرد ، در نهایت به قانون دوم ترمودینامیک توسط فیزیکدان آلمانی Rudolf Clausius تبدیل می شود ، که همچنین به طور مرتب به این فرمولاسیون اعتبار می یابد. قانون اول ترمودینامیک.

بخشی از دلیل رشد سریع ترمودینامیک در قرن نوزدهم لزوم توسعه موتورهای بخار کارآمد در طول انقلاب صنعتی بود.

نظریه سینتیک و قوانین ترمودینامیک

قوانين ترموديناميك به طور خاص به چگونگي و دليل انتقال گرما توجه نمي كند و اين امر باعث مي شود قوانيني كه قبل از پذيرش نظريه اتم به طور كامل تدوين شده اند ، معقول باشد. آنها با کل انتقال انرژی و گرما در یک سیستم سروکار دارند و ماهیت خاص انتقال حرارت در سطح اتمی یا مولکولی را در نظر نمی گیرند.

قانون صفر ترمودینامیک

این قانون صفر نوعی خاصیت انتقالی تعادل حرارتی است. خاصیت انتقالی ریاضیات می گوید اگر A = B و B = C باشد ، A = C نیز در مورد سیستم های ترمودینامیکی که در تعادل حرارتی هستند ، یکسان است.

یکی از نتایج قانون صفر این ایده است که اندازه گیری  دما  به معنای هر آنچه باشد. برای اندازه گیری دما ،   باید تعادل حرارتی بین دماسنج به عنوان یک کل ، جیوه داخل دماسنج و ماده اندازه گیری شود. این به نوبه خود منجر به این می شود که به طور دقیق بتوان گفت دمای ماده چیست.

این قانون بدون آنکه به صراحت در بیشتر تاریخچه مطالعه ترمودینامیک بیان شود ، فهمیده می شد و فقط متوجه می شد که این قانون به نوبه خود به خودی خود در ابتدای قرن بیستم است. این فیزیکدان انگلیسی ، رالف H. فاولر بود که نخستین بار اصطلاح “قانون صفر” را بر اساس این عقیده ابداع کرد که حتی از سایر قوانین اساسی تر است.

اولین قانون ترمودینامیک

اگرچه این ممکن است پیچیده به نظر برسد ، اما واقعاً یک ایده بسیار ساده است. اگر گرما را به یک سیستم اضافه کنید ، فقط دو کار وجود دارد که می توانید انجام دهید –  انرژی داخلی  سیستم را تغییر دهید یا باعث شوید سیستم کار خود را انجام دهد (یا البته برخی از ترکیبات این دو). تمام انرژی گرما باید در انجام این کارها باشد.

بازنمایی ریاضی قانون اول

فیزیکدانان به طور معمول از کنوانسیون های یکنواخت برای نشان دادن کمیت ها در قانون اول ترمودینامیک استفاده می کنند. آن ها هستند:

  • U 1 (یا  U i) = انرژی داخلی اولیه در شروع فرآیند
  • U 2 (یا  U f) = انرژی داخلی نهایی در پایان فرآیند
  • delta- U  =  U 2 –  U 1 = تغییر در انرژی داخلی (در مواردی که ویژگی های شروع و پایان دادن به انرژی های داخلی بی ربط است مورد استفاده قرار می گیرد)
  • Q  = گرما به سیستم ( Q  > 0) یا خارج از ( Q  <0) منتقل می شود
  • W  =  کار  انجام شده توسط سیستم ( W  > 0) یا بر روی سیستم ( W  <0).

این بازنمایی ریاضی از قانون اول است که اثبات بسیار مفیدی دارد و می توان آنرا با چند روش مفید بازنویسی کرد:

تجزیه و تحلیل  فرایند ترمودینامیکی ، حداقل در شرایط کلاس فیزیک ، به طور کلی شامل تجزیه و تحلیل وضعیتی است که یکی از این مقادیر یا 0 یا حداقل به روش معقول قابل کنترل باشد. به عنوان مثال ، در یک  فرآیند adiabatic ، انتقال حرارت ( Q ) برابر 0 است در حالی که در یک  فرآیند ایزوژریک  کار ( W ) برابر 0 است.

اولین قانون و حفظ انرژی

قانون اول  ترمودینامیک توسط بسیاری به عنوان پایه و اساس مفهوم حفاظت از انرژی است. اساساً می گوید انرژی وارد شده به یک سیستم نمی تواند در طول راه از بین برود بلکه باید برای انجام کاری استفاده شود … در این حالت یا انرژی داخلی را تغییر داده و یا کار را انجام می دهید.

با در نظر گرفتن این دیدگاه ، اولین قانون ترمودینامیک یکی از گسترده ترین مفاهیم علمی است که تاکنون کشف شده است.

قانون دوم ترمودینامیک

قانون دوم ترمودینامیک: قانون دوم ترمودینامیک به روش های مختلفی تدوین شده است ، که به زودی به آن پرداخته می شود ، اما اساساً قانونی است که – برخلاف سایر قوانین موجود در فیزیک – نه به نحوه انجام کاری می پردازد بلکه کاملاً با قرار دادن آن سرو کار دارد. محدودیتی در مورد آنچه می توان انجام داد.

این قانونی است که می گوید طبیعت ما را از گرفتن انواع خاصی از نتایج بدون قرار دادن کار زیاد در آن محدود می کند ، و به همین ترتیب نیز به همان اندازه اولین قانون ترمودینامیک با مفهوم حفظ انرژی گره خورده  است.

در کاربردهای عملی ، این قانون بدان معنی است که هر  موتور حرارتی  یا دستگاه مشابه بر اساس اصول ترمودینامیک حتی در تئوری نمی تواند 100٪ کارآمد باشد.

این اصل نخستین بار توسط فیزیکدان و مهندس فرانسوی سادی کاروت روشن شد ، زیرا او  موتور چرخه کاروت خود را در سال 1824 توسعه داد  و بعداً  توسط فیزیکدان آلمانی رودولف کلاویوس به عنوان قانون ترمودینامیک رسمیت یافت  .

آنتروپی و قوانین دوم ترمودینامیک

قانون دوم ترمودینامیک شاید محبوب ترین خارج از قلمرو فیزیک باشد زیرا به مفهوم  آنتروپی یا اختلال ایجاد شده در طی فرایند ترمودینامیکی نزدیک است. قانون دوم به عنوان بیانیه مربوط به آنتروپی اصلاح شده است:

به عبارت دیگر ، در هر سیستم بسته ، به عبارت دیگر ، هر بار که یک سیستم فرآیند ترمودینامیکی را پشت سر می گذارد ، سیستم هرگز نمی تواند کاملاً به همان وضعیت قبلی خود بازگردد. این یکی از تعریفی است که برای  پیکان زمان به کار می رود زیرا آنتروپی جهان همیشه مطابق قانون دوم ترمودینامیک با مرور زمان افزایش می یابد.

فرمول قانون دوم

تحول چرخه ای که تنها نتیجه نهایی آن تبدیل گرمای استخراج شده از منبعی است که در همان درجه حرارت در همان کار قرار دارد به کار غیرممکن است. – ویلیام تامپسون ، فیزیکدان اسکاتلندی (تحول چرخه ای که تنها نتیجه نهایی آن انتقال گرما از بدن در دمای معین به بدن در دمای بالاتر است غیرممکن است) – فیزیکدان آلمانی رودولف کلوسیوس

کلیه فرمولهای فوق قانون دوم ترمودینامیک عبارات معادل همان اصل اساسی است.

قانون سوم ترمودینامیک

قانون سوم ترمودینامیک است که اساسا یک بیانیه ای در مورد توانایی برای ایجاد یک  مطلق  مقیاس دمای، که برای آن  صفر مطلق  که در آن نقطه انرژی داخلی یک جامد است که دقیقا به 0 است.

منابع مختلف سه فرمول احتمالی زیر قانون سوم ترمودینامیک زیر را نشان می دهد:

  1. کاهش یک سیستم به صفر مطلق در یک سری محدود از عملیات غیرممکن است.
  2. با نزدیک شدن دما به صفر مطلق ، آنتروپی یک بلور کامل یک عنصر در پایدارترین شکل آن صفر است.
  3. با نزدیک شدن دما به صفر مطلق ، آنتروپی یک سیستم به یک ثابت نزدیک می شود

قانون سوم به چه معنی است

قانون سوم به معنی چند مورد است ، و دوباره همه این فرمول ها بسته به اینکه شما چه مقدار در نظر داشته باشید به نتیجه یکسان می رسند:

فرمول 3 حاوی حداقل محدودیت ها است ، صرفاً با بیان اینکه آنتروپی به حد ثابت می رود. در حقیقت ، این ثابت آنتروپی صفر است (همانطور که در فرمول 2 بیان شده است). اما به دلیل محدودیت های کوانتومی بر روی هر سیستم بدنی ، آن را به پایین ترین حالت کوانتومی خود فرو می ریزیم اما هرگز قادر نخواهیم بود به طور کامل تا 0 آنتروپی کاهش یابد ، بنابراین کاهش سیستم بدنی به صفر مطلق در تعداد محدودی از مراحل غیرممکن است (که فرمول ما 1).

 

 

 

 

 

منبع.    https://www.thoughtco.com/laws-of-thermodynamics-p3-2699420

3 نظرات
  1. […] به طور خاص ، ترمودینامیک تا حد زیادی به چگونگی ارتباط انتقال گرما با تغییرات مختلف انرژی در یک سیستم فیزیکی که تحت یک فرآیند ترمودینامیک قرار دارد ، متمرکز است. چنین فرایندهایی معمولا در نتیجه کار  که توسط سیستم انجام می شود و توسط هدایت قوانین ترمودینامیک . […]

  2. […] یا تصادفی در یک سیستم تعریف می شود. این مفهوم از ترمودینامیک بیرون می آید ، که به انتقال انرژی گرما در یک سیستم می […]

  3. […] نظر ریاضی ، اولین قوانین ترمودینامیک را می توان به شرح زیر […]

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.