A fizika területén van egy ág, amely a hő és a munka által létrehozott átalakulásokat vizsgálja egy rendszeren belül. Ez a termodinamika. Ez a fizika azon ága, amely az összes átmenet tanulmányozásával foglalkozik, amelyek egyszerűen a hőmérséklet és az energia állapotváltozóinak makro szintű változásait magában foglaló folyamatok eredményei. A termodinamika számos alapelve alapvető fontosságú a fizika számos aspektusa szempontjából, és ezek az alapelvek kulcsfontosságúak az energia és a munka közötti kapcsolat megértéséhez különböző rendszerekben.
Ezért ebben a cikkben elmondjuk, hogy melyek a termodinamika alapelvei és mi a jelentősége.
A termodinamika jellemzői
Ha a klasszikus termodinamikát elemezzük, azt találjuk, hogy a makroszkopikus rendszerek koncepcióján alapul. Ez a rendszer csak egy aspektusa a külső környezettől való elválasztás fizikai vagy fogalmi minőségének. A termodinamikai rendszer jobb tanulmányozása érdekében mindig feltételezzük, hogy ez egy fizikai tömeg, amelyet nem zavar meg a külső környezettel történő energiacsere. Az egyensúlyban lévő makroszkopikus rendszer állapotát a termodinamikai változóknak nevezett mennyiségek határozzák meg. Ismerjük ezeket a változókat: hőmérséklet, nyomás, térfogat és kémiai összetétel. Mindezek a változók határozzák meg a rendszert és annak egyensúlyát, ami összefügg a termodinamikában használt hőmérsékleti egységekkel . Az alkalmazások nemzetközi szövetségének köszönhetően kialakultak a kémiai termodinamika főbb szimbólumai. Ezen egységek használata lehetővé teszi a termodinamika alapelveinek jobb megértését és magyarázatát.
Van azonban a termodinamikának egy ága, amely nem az egyensúlyt vizsgálja, hanem olyan termodinamikai folyamatokat elemez, amelyeket elsősorban az jellemez, hogy képtelenek stabil egyensúlyi feltételeket elérni. Ezek az ágak közvetlenül kapcsolódnak a kortárs fizika különféle alkalmazásaihoz.
A termodinamika alapelvei
A termodinamika négy alapelve van, nullától háromig számozva. Ezek a törvények segítenek megérteni a világegyetemünkben található összes fizika törvényét, és bizonyos jelenségeket magyaráznak, amelyeket a mi világunkban lehetetlen megfigyelni. Ezeket a termodinamika törvényeinek is nevezik. Ezeknek a törvényeknek különböző eredetűek. Némelyik korábbi képletekből származik. A termodinamika utolsó ismert főtétele a nulladik főtétel. Ezek a törvények alapvető fontosságúak a laboratóriumban végzett összes kutatás és vizsgálat szempontjából. Elengedhetetlenek a világegyetem működésének megértéséhez. A termodinamika alapelveit egyenként ismertetjük.
Első elv
Ez a törvény kimondja, hogy az energia nem keletkezhet és nem semmisülhet meg, csak átalakulhat. Ezt az energiamegmaradás törvényének is nevezik. Lényegében ez azt jelenti, hogy bármely, a környezetétől elszigetelt fizikai rendszerben az összes energiája mindig ugyanaz marad. Bár az energia más energiaformákká alakítható, ezen energiák összege mindig ugyanaz. Ez az elv alapvető fontosságú [az energia fogalmának] megértéséhez.
Mondunk egy példát, hogy jobban megértsük. Ezt az elvet követve, ha bizonyos mennyiségű energiát adunk egy fizikai rendszerhez hő formájában, akkor kiszámíthatjuk a teljes energiát, ha megtaláljuk a különbséget a belső energia növekedése és a rendszer és környezete által végzett munka között. Vagyis a rendszer energiája és az elvégzett munka közötti különbség a felszabaduló hőenergia között lesz.
Második elv
Elég idő elteltével minden rendszer elveszíti egyensúlyát. Ezt az elvet az entrópia törvényének is nevezik. A következőképpen foglalható össze: Az univerzum entrópiájának mennyisége az idő múlásával növekszik, ami közvetlen következményekkel jár az entrópia és a különböző rendszerekben való viselkedésének tanulmányozására. Egy rendszer entrópiája a rendezetlenség mértékének mérésére szolgáló index. Más szóval, a termodinamika második főtétele kimondja, hogy amint egy rendszer eléri az egyensúlyi pontot, a rendszerben lévő rendezetlenség mértéke növekszik. Ez azt jelenti, hogy ha egy rendszer elegendő időt kap, végül kiegyensúlyozatlanná válik.
Ez a törvény magyarázza egyes fizikai jelenségek visszafordíthatatlanságát. Például segít megmagyarázni, hogy egy elégett papírdarab miért nem térhet vissza eredeti állapotába . Ebben a rendszerben, amelyet papír és tűz jelenségként ismerünk, a rendezetlenség olyan mértékben fokozódott, hogy nem tud visszatérni az eredetéhez. Ez a törvény vezeti be az entrópia állapotfüggvényt, amely fizikai rendszerek esetén a rendezetlenség mértékét és annak elkerülhetetlen energiaveszteségét jelenti.
A termodinamika második főtételének megértéséhez nézzünk egy példát. Ha elégetünk egy bizonyos mennyiségű anyagot, és a keletkező hamut egyesítjük, láthatjuk, hogy kevesebb anyag van, mint a kezdeti állapotban. Ez azért van, mert az anyag gázokká alakult, amelyeket nem lehet visszanyerni, és amelyek hajlamosak a diszperzióra és a rendezetlenségre. Így azt látjuk, hogy az első állapotban kisebb volt az entrópia, mint a másodikban.
Harmadik elv
Amikor eléri az abszolút nullát, a fizikai rendszer folyamata leáll. Az abszolút nulla a legalacsonyabb hőmérséklet, amelyet elérhetünk. Ebben az esetben a hőmérsékletet Kelvin fokban mérjük. Ily módon elmondható, hogy a hőmérséklet és a hűtés miatt a rendszer entrópia nulla. Ezekben az esetekben inkább egy határozott állandó. Amikor eléri az abszolút nullát, a fizikai rendszer folyamata leáll. Ezért az entrópia minimális, de állandó értékű lesz.
Az abszolút nulla elérése egyszerű feladat. Az abszolút nulla értéke Kelvinben nulla, de ha a Celsius hőmérsékleti skálán használjuk , akkor -273,15 fok. Ez az elv a termodinamika alapfogalmaihoz is kapcsolódik.
Nulla törvény
Ez a törvény az utolsóként feltételezett, és kimondja, hogy ha A = C és B = C, akkor A = B. Ez megalapozza a termodinamika másik három főtételének alapvető szabályait. Ez a termikus egyensúly törvényének a neve. Más szóval, ha egy rendszer és más rendszerek egymástól függetlenül termikus egyensúlyban vannak, akkor termikus egyensúlyban kell lenniük. Ez a törvény lehetővé teszi a hőmérsékleti elvek felállítását. Ezt az elvet két különböző, termikus egyensúlyi állapotban lévő tárgy termikus energiájának összehasonlítására használják. Ha ez a két tárgy termikus egyensúlyban van, akkor szükségszerűen ugyanazon a hőmérsékleten lesznek. Másrészt, ha mindkettő megváltoztatja egy harmadik rendszer termikus egyensúlyát, akkor azok is hatással lesznek egymásra.
Remélem, hogy ezzel az információval többet tudhat meg jellemzőinek termodinamikai elveiről.