- Wat zijn de wetten van de thermodynamica?
- Oorsprong van de wetten van de thermodynamica
- Eerste wet van de thermodynamica
- Tweede wet van de thermodynamica
- Derde wet van de thermodynamica
- Nulwet van de thermodynamica
We leggen uit wat de wetten van de thermodynamica zijn, wat de oorsprong is van deze principes en de belangrijkste kenmerken van elk ervan.
Wat zijn de wetten van de thermodynamica?
De wetten van de thermodynamica (of de principes van de thermodynamica) beschrijven het gedrag van drie fundamentele fysieke grootheden, de temperatuur-, de Energie en deentropie, die thermodynamische systemen kenmerken. De term "thermodynamica" komt uit het Grieks thermosfles, Wat betekent het "warmte", Y dynamo's, Wat betekent het "kracht”.
Wiskundig worden deze principes beschreven door a set van vergelijkingen die het gedrag van thermodynamische systemen verklaren, gedefinieerd als elk studieobject (van a molecuul of een mens, tot atmosfeer of kokend water in een pan).
Er zijn vier wetten van de thermodynamica en ze zijn cruciaal voor het begrijpen van de natuurkundige wetten van: universum en de onmogelijkheid van bepaalde verschijnselen zoals de beweging doorlopend.
Oorsprong van de wetten van de thermodynamica
De vier principes van thermodynamica Ze hebben verschillende oorsprong, en sommige zijn geformuleerd uit de vorige. De eerste die werd vastgesteld, was in feite de tweede, het werk van de Franse natuurkundige en ingenieur Nicolás Léonard Sadi Carnot in 1824.
In 1860 werd dit principe echter opnieuw geformuleerd door Rudolf Clausius en William Thompson, en voegden er vervolgens aan toe wat we nu de Eerste Wet van de Thermodynamica noemen. Later verscheen het derde, ook wel het "Nerst-postulaat" genoemd omdat het is ontstaan dankzij de studies van Walther Nernst tussen 1906 en 1912.
Ten slotte verscheen in 1930 de zogenaamde "nulwet", voorgesteld door Guggenheim en Fowler. Het moet gezegd worden dat het niet op alle gebieden wordt erkend als een echte wet.
Eerste wet van de thermodynamica
De eerste wet wordt de "Wet van behoud van energie" genoemd omdat deze bepaalt dat in elk systeem geïsoleerd van zijn omgeving, zal de totale hoeveelheid energie altijd hetzelfde zijn, ook al kan het van de ene vorm van energie naar verschillende vormen worden omgezet. Of met andere woorden: energie kan niet worden gemaakt of vernietigd, alleen worden getransformeerd.
Dus door een bepaalde hoeveelheid warmte (Q) aan een fysiek systeem te leveren, kan de totale hoeveelheid energie worden berekend als de geleverde warmte minus defunctie (W) uitgevoerd door het systeem op zijn omgeving. Uitgedrukt in een formule: ΔU = Q - W.
Laten we ons als voorbeeld van deze wet een vliegtuigmotor voorstellen. Het is een thermodynamisch systeem dat bestaat uit brandstof die chemisch reageert tijdens het proces van verbranding, geeft warmte af en doet werk (waardoor het vliegtuig beweegt). Dus: als we de hoeveelheid verrichte arbeid en de vrijgekomen warmte zouden kunnen meten, zouden we de totale energie van het systeem kunnen berekenen en kunnen concluderen dat de energie in de motor tijdens de vlucht constant bleef: energie werd niet gecreëerd of vernietigd, maar werd veranderd van chemische energie naar calorische energie jaKinetische energie (beweging, dat wil zeggen, werk).
Tweede wet van de thermodynamica
De tweede wet, ook wel de «Wet van entropie» genoemd, kan worden samengevat in dat de hoeveelheid van entropie in het universum heeft de neiging toe te nemen in de weer. Dit betekent dat de mate van wanorde van de systemen toeneemt totdat een evenwichtspunt wordt bereikt, de toestand van de grootste wanorde van het systeem.
Deze wet introduceert een fundamenteel concept in de natuurkunde: het concept van entropie (weergegeven door de letter S), dat in het geval van fysieke systemen de mate van wanorde vertegenwoordigt. Het blijkt dat in elk fysiek proces waarin energie wordt omgezet, een bepaalde hoeveelheid energie niet bruikbaar is, dat wil zeggen, het kan geen werk doen. Als je niet kunt werken, is die energie in de meeste gevallen warmte. Die warmte die het systeem afgeeft, wat het doet, is de wanorde van het systeem, zijn entropie, vergroten. Entropie is een maat voor de wanorde van een systeem.
De formulering van deze wet stelt vast dat de verandering in entropie (dS) altijd gelijk zal zijn aan of groter zal zijn dan dewarmteoverdracht (dQ), gedeeld door de temperatuur (T) van het systeem. Dat wil zeggen, dat: dS ≥ dQ / T.
Om dit aan de hand van een voorbeeld te begrijpen, volstaat het om een bepaalde hoeveelheid materie en verzamel vervolgens de resulterende as. Wanneer we ze wegen, zullen we verifiëren dat het minder materie is dan in de oorspronkelijke staat: een deel van de materie werd omgezet in warmte in de vorm van gassen dat ze geen werk aan het systeem kunnen doen en dat ze bijdragen aan de wanorde ervan.
Derde wet van de thermodynamica
De derde wet stelt dat de entropie van een systeem dat naar het absolute nulpunt wordt gebracht een bepaalde constante zal zijn. Met andere woorden:
- Bij het bereiken van het absolute nulpunt (nul in Kelvin-eenheden) stoppen de processen van fysieke systemen.
- Bij het bereiken van het absolute nulpunt (nul in Kelvin-eenheden), heeft de entropie een constante minimumwaarde.
Het is moeilijk om dagelijks het zogenaamde absolute nulpunt (-273,15 ° C) te bereiken, maar we kunnen over deze wet nadenken door te analyseren wat er in een vriezer gebeurt: voedsel die we daar deponeren, zal zo koud worden dat de biochemische processen erin zullen vertragen of zelfs stoppen. Dat is de reden waarom de ontbinding ervan wordt vertraagd en zijn consumptie veel langer.
Nulwet van de thermodynamica
De "nulwet" staat bekend onder die naam, hoewel het de laatste was die werd uitgevoerd. Ook gekend als Wet van thermisch evenwicht, dicteert dit principe dat: “Als twee systemen in thermisch evenwicht onafhankelijk van elkaar met een derde systeem, moeten ze ook in thermisch evenwicht met elkaar zijn”. Het kan logisch als volgt worden uitgedrukt: als A = C en B = C, dan is A = B.
Deze wet stelt ons in staat om de thermische energie van drie verschillende lichamen A, B en C te vergelijken. Als lichaam A in thermisch evenwicht is met lichaam C (ze hebben dezelfde temperatuur) en B ook dezelfde temperatuur heeft als C, dan hebben A en B dezelfde temperatuur hebben.
Een andere manier om dit principe te verwoorden is door te stellen dat wanneer twee lichamen met verschillende temperaturen met elkaar in contact komen, ze warmte uitwisselen totdat hun temperaturen gelijk worden.
Alledaagse voorbeelden van deze wet zijn gemakkelijk te vinden. Wanneer we in koud of warm water komen, zullen we het temperatuurverschil pas de eerste minuten opmerken, omdat ons lichaam dan in thermisch evenwicht komt met deWater en we zullen het verschil niet meer merken. Hetzelfde gebeurt wanneer we een warme of koude ruimte binnengaan: we zullen eerst de temperatuur opmerken, maar dan zullen we het verschil niet meer waarnemen omdat we ermee in thermisch evenwicht komen.