Care sunt principiile termodinamicii?


principiile termodinamicii

Cunoaștem principiile termodinamicii, adică legile care reglementează schimburile de energie dintre sistem și mediul înconjurător din Univers.

Te lupți cu principiile termodinamicii ? Analizându-le împreună vom vedea că ne explică multe experiențe pe care le avem continuu: în practică, le cunoșteam încă dinainte de a le studia!

PRINCIPIUL ZERO

Pentru a face lucrurile în ordine… să începem de la zero: principiul zero al termodinamicii stabilește că:

Când două sisteme sunt fiecare în echilibru termic cu un al treilea, atunci ele sunt, de asemenea, în echilibru termic unul cu celălalt.

Două corpuri sunt în echilibru termic dacă au aceeași temperatură și, prin urmare, schimbul de căldură între cel mai cald și cel mai rece a încetat. Conform principiului zero, dacă A este în echilibru termic cu B și C este în echilibru termic cu B, atunci A și C ar fi de asemenea în echilibru, dacă sunt puse în contact .

Pare evident, nu-i așa? Cu toate acestea, în ciuda numelui, principiul zero valorează mult și este o premisă fundamentală pentru celelalte trei. Fără ea, de fapt, nu am putea defini temperatura , care este proprietatea fizică care măsoară transferul de energie termică de la un sistem la altul (același transfer care are loc atunci când avem febră și ne punem termometrul sub braț).

Principiul zero a fost formulat ultimul , după celelalte trei: i s-a dat această denumire pentru că celelalte erau deja numerotate și pentru că i-a fost recunoscută importanța de bază.

PRIMUL PRINCIPIUL TERMODINAMICII

Prima lege a termodinamicii este exprimată în mod tradițional după cum urmează:

Căldura furnizată unui sistem termodinamic este egală cu suma muncii efectuate de sistem asupra mediului și variația energiei sale interne.

Acest principiu ne spune un fapt simplu, și anume că atunci când adăugăm căldură la un sistem, o parte din acea energie rămâne în sistem și o parte o părăsește . Energia care rămâne în sistem creează o schimbare în energia sa internă, iar cea care o părăsește afectează zona înconjurătoare.

Imaginează-ți că ai o oală cu apă la temperatura camerei. Dacă adăugăm căldură sistemului (adică pornim gazul), temperatura și energia apei cresc mai întâi; apoi sistemul de oală eliberează o parte din energie și lucrează asupra mediului înconjurător , de exemplu prin încălzirea aerului din jurul oală și emițând abur. Acest principiu explică faptul că energia nu poate fi creată sau distrusă: ea poate fi doar transformată. Înseamnă că de fiecare dată când folosim energie nu creăm nimic nou, ci transformăm o formă de energie în alta. De exemplu: atunci când facem activitate fizică transformăm energia chimică furnizată de alimente în energie cinetică (alergare, flotări).

Energia nu este creată, nici distrusă, ci doar transformată : acest principiu se mai numește și conservarea energiei și nu există nimic în natură care să o încalce. Energia totală a Universului este constantă, deși poate fi transformată și transferată dintr-o parte a Universului în alta.

AL DOILEA PRINCIPIUL TERMODINAMICII

Bun! Dar acum apare o problemă. Prima lege a termodinamicii nu spune în ce direcție ar trebui să apară aceste transformări . Dacă ar fi să ascultăm doar primul principiu, s-ar putea întâmpla și ca un corp mai rece să poată da spontan căldură unui corp mai cald. După cum știm, totuși, în realitate acest lucru nu se poate întâmpla în mod natural. Pasajele de energie din lumea în care trăim au întotdeauna o direcție, o direcție preferențială. Aburul care iese din oală nu se condensează singur pentru a reveni în oală 

Și aici vine a doua lege a termodinamicii, conform căreia:

Este imposibil să se realizeze o transformare al cărei singur rezultat este transferul de căldură de la un corp la o anumită temperatură la altul la o temperatură mai mare.

Aceasta este așa-numita afirmație Clausius , de la numele fizicianului german care a formulat-o în secolul al XIX-lea, dar este doar una dintre modalitățile de a enunța al doilea principiu.

Există și altele, cum ar fi afirmația lui Kelvin (fizicianul britanic cunoscut pentru scara cu același nume):

Este imposibil să se realizeze o transformare al cărei rezultat este doar acela de a transforma căldura preluată dintr-o singură sursă în lucru mecanic.

Prima afirmație este poate mai evidentă: căldura vrea să curgă în mod natural din zonele mai calde în cele mai reci. Dacă ar trece de la zone mai reci la zone mai calde, ar acționa împotriva naturii, așa că ar trebui să adauge lucru la sistem pentru ca acest lucru să se întâmple. A doua afirmație ne spune că este imposibil să existe un proces ciclic, repetat, care să transforme complet căldura în muncă .

Să ne punem sufletul în pace: nicio reacție nu este 100% eficientă. O parte din energia dintr-o reacție se va pierde, sub formă de căldură, și niciun sistem nu poate transforma toată energia pe care o are în muncă. Să luăm exemplul unei locomotive cu abur , una dintre mașinile care au revoluționat transportul în secolul al XIX-lea; functiona datorita arderii carbunelui intr-un cuptor care incalzea apa prezenta intr-un cazan si producea abur care era trimis la motor, energia termica transformata in miscare. Să ne imaginăm locomotiva noastră în acțiune: căldura produsă nu poate fi transformată total în mișcare. O parte din ea va fi risipită în mediu sub formă de pufături de vapori care nu au fost transformate în energie mecanică. După cum am văzut, o „risipă” inevitabilă.

Dacă ne lărgim puțin privirea și luăm în considerare Universul ca un întreg sistem, ne putem gândi că și în cosmos energia este transferată de la corpurile mai calde la cele mai puțin calde, iar cu fiecare transfer de energie crește și cantitatea de energie. energia nu este disponibilă pentru un loc de muncă: entropia , adică – simplificând foarte mult – măsura „dezorderii” sistemului .

Sistemele tind în mod natural spre dezordine până când ajung la un nou echilibru .

AL TREILEA PRINCIPIUL TERMODINAMICII

Iar acest discurs ne conduce la cea de -a treia lege a termodinamicii , conform căreia nu se poate ajunge la zero absolut într-un proces termodinamic care implică un număr finit de operații . Sau, dacă preferați, o substanță „perfect cristalină” la zero absolut are entropie zero.

Înseamnă că dacă un obiect atinge temperatura de zero absolut (0 Kelvin sau −273,15 ° C), atomii săi sunt imobili: dezordinea sa, entropia, a dispărut și nu mai există mișcări în interiorul lui.termic. Întrucât temperatura este o măsură a variațiilor acestor mișcări, nu poate exista , cel puțin din punct de vedere teoretic, o temperatură mai mică decât zero absolut . Cu toate acestea, în 2013, unii oameni de știință germani au reușit să scadă sub această valoare , deși cu o cantitate foarte mică, prin blocarea modificării entropiei într-un sistem la care au adăugat energie.


admin

0 Comments

Adresa ta de email nu va fi publicată.