Есть 4 закона термодинамики, и они являются одними из самых важных законов во всей физике. Законы следующие
· Нулевой закон термодинамики - если две термодинамические системы находятся в тепловом равновесии с третьим, то они находятся в тепловом равновесии друг с другом.
· Первый закон термодинамики – энергия ниоткуда не возникает и никуда не пропадает, она переходит из одного состояния в другое, из одного тела в другое. В любом процессе общая энергия вселенной/системы остается неизменной. Для термодинамического цикла чистая энергия, подаваемая в систему, равна чистой работе, проделанной системой.
· Второй закон термодинамики - энтропия изолированной системы, не находящейся в равновесии, будет иметь тенденцию к увеличению со временем, приближаясь к максимальному значению в равновесии.
· Третий закон термодинамики. Когда температура приближается к абсолютному нулю, энтропия системы приближается к постоянному минимуму.
Прежде чем перейти к этим законам более подробно, будет проще, если я сначала введу энтропию.
Энтропия и фазовое пространство
Энтропия - очень важная вещь в области термодинамики. Это основная идея второго и третьего законов, которая проявляется повсюду. По существу, энтропия является мерой беспорядка и случайности в системе. Вот 2 примера
Допустим, у вас есть контейнер с молекулами газа. Если все молекулы находятся в одном углу, то это будет состояние с низкой энтропией (высокоорганизованное). Когда частица выходит и заполняет остальную часть контейнера, тогда энтропия (беспорядок) увеличивается.
Если у вас есть шар, летящий по воздуху, он начнет с организованной энергией, т.е. с кинетической энергией движения. Однако при движении по воздуху некоторая часть кинетической энергии распределяется между частицами воздуха, поэтому общая энтропия системы увеличилась (однако общая энергия сохраняется благодаря первому закону)
Чтобы получить более детальную картину энтропии, нам нужно взглянуть на концепцию фазового пространства. Некоторые концепции для этого могут быть немного запутанными, но имейте в виду, как только вы обдумаете это, это не так уж и сложно.
Фазовое пространство подобно графику, но точка на этом графике представляет все состояние системы. Давайте использовать пример. Представьте, что у меня есть коробка с 4 частицами газа внутри. Каждая точка в фазовом пространстве для этой системы говорит вам, где все 4 частички находятся в коробке.
В нашем примере нас интересуют только положения 4 частиц, поэтому каждая точка в фазовом пространстве должна содержать координаты x, y и z для каждой частицы, поэтому наше фазовое пространство является 3N-мерным, где N - число частицы в системе. Таким образом, в нашем случае фазовое пространство является 12-мерным, чтобы каждая точка могла описать местоположение 4 тел.
На всех диаграммах я буду изображать фазовое пространство как 2D, чтобы было легче передать то, что оно на самом деле представляет. Для наших целей нам не нужно будет учитывать размеры.
Если мы представим, что каждая из частиц имеет разный цвет, мы можем легче отслеживать их положение. Если мы представим случай, когда все частицы расположены в одном углу контейнера, то мы имеем ситуацию
С точки зрения системы, существует множество других комбинаций из 4 частиц, которые будут организованы так же, как указано выше
и так далее. Каждый из этих наборов будет соответствовать разному положению в фазовом пространстве, поскольку все они представляют собой различные схемы системы из 4 частиц. Если мы добавим их в фазовое пространство вместе с оригиналом, мы получим что-то вроде
Эти 5 макетов 4 частиц, наряду с 11 другими комбинациями, составляют набор состояний, которые (кроме цветов) неразличимы. Таким образом, в фазовом пространстве мы могли бы поместить прямоугольник вокруг 16 состояний, который определяет все состояния внутри него как макроскопически неразличимые.
Общее фазовое пространство системы будет иметь много областей всех форм и размеров и может выглядеть следующим образом
Но как все это абстрактное представление связано с энтропией? Энтропия, заданная в уравнениях как символ S, определяется тогда так:
Где K постоянная Больцмана ( 1,38*10 в минус 23 степени ДЖ/К) и V объем коробки в фазовом пространстве. Все точки в области фазового пространства имеют одинаковую энтропию, и значение энтропии связано с логарифмом объема (первоначально Больцман никогда не ставил константу K в формуле, поскольку он не имел отношения к единицам. Вставка К, первым использовал Планк).
Энтропия также может быть определена как изменение при передаче энергии при постоянной температуре.
Где дельта S изменение энтропии, Q энергия или тепло, а Т постоянная температура.
Нулевой закон
Нулевой закон назван так, так-как он появился после других 3. Законы 1, 2 и 3 были известны некоторое время, прежде чем важность этого закона была полностью понята. Оказалось, что этот закон был настолько важен и фундаментален, что он должен был идти перед другими 3, и вместо того, чтобы переименовать уже хорошо известные 3 закона, они назвали новый закон Нулевым и поместили его в начале списка.
Но что это на самом деле означает? Закон гласит
«Если две термодинамические системы находятся в тепловом равновесии с третьим, то они находятся в тепловом равновесии друг с другом».
В основном, если A = B и C = B, то A = C. Это может показаться настолько очевидным, что это не нужно указывать, но без этого закона мы не смогли бы определить температуру и не смогли бы построить термометры.
Первый Закон
Первый закон термодинамики в основном утверждает, что энергия сохраняется; оно не может быть ни создано, ни уничтожено, просто может быть изменено с одного на другое,
«Общее количество энергии в изолированной системе сохраняется».
Энергия в системе может быть преобразована в тепло, работу или другие вещи, но у вас всегда будет то же самое количество, с которого вы начали.
Как аналогия, думайте об энергии как о неразрушимых блоках. Если у вас есть 30 блоков, то, что бы вы ни делали с блоками или из них, у вас всегда будет 30 в конце. Вы не можете уничтожить их, только переместить их или разделить, но всегда будет их 30. Иногда вы можете потерять один или несколько, но они все равно должны быть приняты во внимание, потому что энергия сохраняется.
Фундаментальное термодинамическое соотношение
Из второго закона мы можем написать, что изменение внутренней энергии системы равно теплу/энергии подаваемому в систему Q, минус любая работа, выполненная системой W:
Из приведенного выше определения энтропии мы можем:
Теперь, если у нас есть система частиц, которые отличаются друг от друга - мы можем получить химические реакции, поэтому нам нужно добавить еще один термин, чтобы принять это во внимание
Второй Закон
Это, пожалуй, самый известный (по крайней мере среди ученых) и важный закон науки. Здесь утверждается;
«Энтропия вселенной стремится к максимуму».
Другими словами, энтропия либо остается неизменной, либо увеличивается, энтропия вселенной никогда не может уменьшиться.
Проблема в том, что это не всегда так. Если вы возьмете наш пример с 4 атомами в коробке, то все они, находящиеся в одном углу, являются высокоупорядоченной системой и поэтому будут иметь низкую энтропию, а затем со временем они станут более беспорядочными и увеличат энтропию. Но ничто не мешает им все случайно вернуться в угол. Это невероятно маловероятно, но на самом деле невозможно.
Если вы посмотрите на проблему с точки зрения фазового пространства, то увидите, что с течением времени более вероятно, что вы переместитесь в большую коробку, что означает более высокую энтропию, но нет никакого реального барьера, мешающего вам вернуться в меньшую коробку.
Третий Закон
Третий закон обеспечивает абсолютную точку отсчета для измерения энтропии, утверждая, что
«Когда температура системы приближается к абсолютному нулю (-273,15 ° C, 0 K), тогда значение энтропии приближается к минимуму».
Значение энтропии обычно равно 0 при 0К, однако в некоторых случаях в системе все еще остается небольшое количество остаточной энтропии.
Основы
Когда вы нагреваете что-то, в зависимости от того, из чего оно сделано, нагревание занимает разное время. Предполагая, что мощность, количество энергии, передаваемой за единицу времени, остается постоянной, это должно означать, что некоторым материалам требуется больше энергии, чтобы повысить свою температуру на 1 К (1 К фактически равен 1 ° С, они просто начинаются в другом месте), чем другие. Деревянная ложка нагревается намного дольше, чем металлическая. Мы говорим, что металл - хороший проводник тепла, а дерево - плохой проводник тепла. Энергия, необходимая для поднятия 1 кг вещества на 1 К, называется его удельной теплоемкостью. Формула, которую мы используем, чтобы найти, сколько энергии требуется, чтобы поднять 1 кг вещества на 1 К, имеет вид:
Различные меры энергии