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Rechtsvorschriften

Thermodynamik

Die Thermodynamik ist ein Zweig der Physik, der sich mit den Begriffen Wärme und Temperatur und der Umwandlung von Wärme und anderen Energieformen befasst.

William Thomson prägte 1749 den Begriff Thermodynamik . Viele Technologien, die zur industriellen Revolution führten, wie die Dampfmaschine, wurden dank seiner Kenntnisse der Thermodynamik entwickelt.

Die vier Hauptsätze der Thermodynamik bestimmen das Verhalten dieser Größen und liefern eine quantitative Erklärung.

Thermodynamik Rechtsvorschriften

Nulltes Gesetz: Zwei Systeme befinden sich im Gleichgewicht, wenn sich ihre Zustände nicht ändern, wenn sie miteinander interagieren. Stehen zwei Systeme getrennt mit einem dritten System im Gleichgewicht, stehen diese Systeme auch untereinander im Gleichgewicht.

Es lässt sich ungefähr so formulieren:

A=C und B=C Wenn A=B

Erstes Gesetz: Energie kann nicht erzeugt oder zerstört werden, aber sie kann von einer Form in eine andere wechseln.

Rudolf Clausius und William Thomson führten den ersten Hauptsatz der Thermodynamik ein.

Der erste Hauptsatz besagt, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet, sondern von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann. Die Sonne ist die einzige Energiequelle für alle Lebewesen auf der Erde. Diese Sonnenenergie wird von Pflanzen durch den Prozess der Photosynthese in chemische Energie umgewandelt. Diese von Pflanzen gewonnenen Energien kehren nicht in das Sonnensystem zurück, sondern werden an Pflanzenfresser übertragen, die sich von grünen Pflanzen ernähren. Ein Teil der von Pflanzenfressern gewonnenen Energie wird von Fleischfressern verwendet oder an Zersetzer übertragen, wenn die Pflanzenfresser sterben. Insofern ist auch der erste Hauptsatz der Thermodynamik für die „Umwelt“ sehr wichtig.

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik quantifiziert die Energieübertragung nicht, was die Anwendbarkeit des thermischen Prozesses nicht erklärt.

Dieses Gesetz wird mathematisch wie folgt dargestellt.

ΔQ=ΔU+W

ΔQ: abgegebene oder verlorene Wärme

ΔU: ist die Änderung der inneren Energie

W: Arbeit erledigt

Aus obiger Gleichung können wir also schließen, dass die Größe (ΔQ – W) unabhängig vom Weg der Zustandsänderung ist. Wir können auch sagen, dass die innere Energie tendenziell zunimmt, wenn Wärme in das System eingebracht wird und umgekehrt.

Die folgende Tabelle zeigt die entsprechenden Kennzeichnungsregeln für alle drei Größen unter verschiedenen Bedingungen:

Zweites Gesetz: Dieses Gesetz ist auch als „Gesetz der zunehmenden Entropie“ bekannt. Ein französischer Physiker namens Nicolas Léonard Sadi Carnot, auch bekannt als „Vater der Thermodynamik“, hat im Wesentlichen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik aufgestellt. Er betonte jedoch laut seiner Aussage die Verwendung der Kalorientheorie für die Definition des Gesetzes. Kalorien (Flüssigkeit, die sich selbst antreibt) hängt mit Wärme zusammen, und Carnot beobachtete, dass einige Kalorien im Bewegungszyklus verloren gehen.

Alle natürlich vorkommenden Prozesse verlaufen in Richtung erhöhter Entropie. Entropie im allgemeinsten Sinne ist ein Maß für Unordnung. Dieses Gesetz besagt beispielsweise, dass Wärme von heißen Objekten zu kalten Objekten fließt. Die Entropie des Universums nimmt nur zu und nie ab. Viele Menschen nehmen diese Aussage auf die leichte Schulter, aber sie hat weitreichende Implikationen und Konsequenzen.

Wenn ein Raum nicht organisiert oder gereinigt wird, wird es mit der Zeit immer unordentlicher und unordentlicher. Wenn der Raum gereinigt wird, nimmt seine Entropie ab, aber der Reinigungsaufwand führt dazu, dass die Entropie außerhalb des Raums zunimmt und die verlorene Entropie übersteigt.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik erlegt der Richtung der Wärmeübertragung und dem erreichbaren Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen Beschränkungen auf. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Energie des Universums konstant bleibt, aber weder erzeugt noch zerstört werden kann, obwohl Energie zwischen dem System und der Umgebung ausgetauscht werden kann.

Thermodynamik erstes Gesetz Während es Informationen über die Menge der Energieübertragung als Prozess gibt, gibt es keine Vorstellung über die Richtung der Energieübertragung und die Qualität der Energie. Der erste Hauptsatz kann nicht zeigen, ob ein Metallstab gleichförmiger Temperatur spontan an einem Ende heißer und am anderen kälter wird. Das Gesetz kann nur sagen, dass es immer ein Energiegleichgewicht geben wird, wenn der Prozess stattfindet. Es ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, der das Kriterium für die Durchführbarkeit jeder Operation liefert. Ein Prozess kann nur stattfinden, wenn er sowohl den ersten als auch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik erfüllt.

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass jeder spontane Prozess immer im Universum stattfindet. zeigt an, dass dies zu einer Erhöhung der Entropie (S) führen wird. In einfachen Worten erklärt das Gesetz, dass die Entropie eines isolierten Systems niemals mit der Zeit abnehmen wird.

In einigen Fällen jedoch, wenn sich das System im thermodynamischen Gleichgewicht befindet oder einen reversiblen Prozess durchläuft, bleibt die Gesamtentropie des Systems und seiner Umgebung konstant.

Der zweite Hauptsatz besagt eindeutig, dass es unmöglich ist, Wärmeenergie mit 100-prozentiger Effizienz in mechanische Energie umzuwandeln. Wenn wir uns zum Beispiel einen Kolben in einem Motor ansehen, wird das Gas erhitzt, um seinen Druck zu erhöhen und einen Kolben anzutreiben. Aber auch wenn sich der Kolben bewegt, bleibt immer etwas Restwärme im Gas, die für keine andere Arbeit genutzt werden kann. Die Wärme wird verschwendet und muss entsorgt werden. In diesem Fall erfolgt dies durch Übertragung auf einen Kühler, oder im Fall eines Automotors wird Abwärme abgeführt, indem ein Gemisch aus abgebranntem Brennstoff und Luft in die Atmosphäre abgelassen wird. Zudem muss auch die oft nicht nutzbare Reibungswärme aus dem System abgeführt werden.

Mathematisch wird der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wie folgt dargestellt:

ΔWasser > 0

ΔWasser: ist die Änderung der Entropie des Universums.

Entropie ist ein Maß für die Zufälligkeit des Systems oder ein Maß für die Energie oder das Chaos innerhalb eines isolierten Systems. Es kann als quantitativer Index betrachtet werden, der die Qualität der Energie beschreibt.

Inzwischen gibt es mehrere Faktoren, die eine Erhöhung der Entropie des geschlossenen Systems verursachen. Zunächst wird in einem geschlossenen System Wärme mit der Umgebung ausgetauscht, während die Masse konstant bleibt. Diese Änderung des Wärmeinhalts erzeugt eine Störung im System und erhöht somit die Entropie des Systems.

Zweitens können interne Veränderungen in den Bewegungen der Moleküle des Systems auftreten. Dies führt zu Störungen, die Irreversibilität innerhalb des Systems verursachen und zu einer erhöhten Entropie führen.

Zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik gibt es zwei Aussagen:

Kelvin-Plank-Beschreibung
Clausius-Erklärung

Die Aussagen von Clausius und Kelvin sind gleichwertig, sodass ein Gerät, das gegen die Aussage von Clausius verstößt, auch gegen Kelvins Aussage verstoßen wird und umgekehrt.

Kelvin-Plank-Beschreibung

Wenn eine Wärmekraftmaschine Wärme nur mit Körpern einer konstanten Temperatur austauscht,

es ist ihm unmöglich, in einem vollständigen Zyklus ein Netzwerk zu bilden.

Ausnahmen:

Wenn Q 2 = 0 (dh W netto = Q 1 oder Effizienz = 1,00)

Die Wärmekraftmaschine leistet in einem vollen Zyklus Arbeit, indem sie Wärme mit nur einem Reservoir austauscht.

Clausius-Erklärung

Es ist unmöglich, ein Gerät herzustellen, das mit einem Kreislauf arbeitet, der Wärme von einem kälteren Objekt auf ein wärmeres übertragen kann, ohne Arbeit zu investieren. Außerdem fließt Energie nicht spontan von einem Objekt mit niedrigerer Temperatur zu einem Objekt mit höherer Temperatur. Es ist wichtig zu beachten, dass es sich um eine Nettoenergieübertragung handelt. Die Energieübertragung von einem kalten Objekt auf ein heißes Objekt kann durch die Übertragung von energetischen Teilchen oder elektromagnetischer Strahlung erfolgen. Bei jedem spontanen Vorgang findet jedoch eine Nettoübertragung vom heißen Objekt zum kalten Objekt statt. Und es ist eine Art Arbeit erforderlich, um die Nettoenergie auf den heißen Körper zu übertragen. Mit anderen Worten, der Kühlschrank funktioniert nicht, wenn der Kompressor nicht von einer externen Quelle gespeist wird.

Dritter Hauptsatz: Wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt nähert, nähert sich die Entropie dem Nullpunkt. Die absolute Nulltemperatur entspricht -273,15 Grad Celsius auf der Celsius-Skala und 0 Grad auf der Kelvin-Skala.

Dieses Gesetz wurde zwischen 1906 und 1912 vom deutschen Chemiker Walther Nernst entwickelt.

Eine reine kristalline Substanz (perfekte Ordnung) hat bei absoluter Nulltemperatur eine Entropie von Null. Diese Aussage gilt, wenn der perfekte Kristall einen einzigen Zustand mit minimaler Energie hat.

Nehmen wir Dampf als Beispiel, um den dritten Hauptsatz der Thermodynamik Schritt für Schritt zu verstehen:

Die Moleküle darin bewegen sich frei und haben eine hohe Entropie.
Wenn die Temperatur unter 100 °C gesenkt wird, verwandelt sich der Dampf in Wasser, wo die Bewegung der Moleküle eingeschränkt ist, wodurch die Entropie des Wassers verringert wird.
Wenn Wasser unter 0 °C abgekühlt wird, verwandelt es sich in festes Eis. In diesem Fall wird die Bewegung von Molekülen weiter eingeschränkt und die Entropie des Systems nimmt weiter ab.
Wenn die Temperatur des Eises weiter sinkt, wird die Bewegung der darin enthaltenen Moleküle weiter eingeschränkt und die Entropie der Materie nimmt weiter ab.
Idealerweise sollte die Entropie Null sein, wenn Eis auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt wird. Aber in Wirklichkeit ist es unmöglich, irgendeine Substanz auf Null abzukühlen.

Die mit „S“ bezeichnete Entropie ist ein Maß für die Unordnung/Zufälligkeit in einem geschlossenen System. Sie steht in direktem Zusammenhang mit der Anzahl der Mikrozustände, auf die das System zugreifen kann (ein fester mikroskopischer Zustand, der von einem System besetzt werden kann), dh je mehr Mikrozustände das geschlossene System einnehmen kann, desto größer ist seine Entropie. Der Mikrozustand, in dem die Energie des Systems minimal ist, wird als Grundzustand des Systems bezeichnet.

Bei null Kelvin können in einem geschlossenen System folgende Phänomene beobachtet werden:

Das System enthält keine Wärme.
Alle Atome und Moleküle im System befinden sich an ihren niedrigsten Energiepunkten.

Daher hat ein System am absoluten Nullpunkt nur einen zugänglichen Mikrozustand – das ist der Grundzustand. Nach dem dritten Hauptsatz der Thermodynamik ein solches System Entropie ist genau null.

SICAKLIK

ARTIŞI

Alternative Ausdrücke des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik:

Die Nernst-Aussage impliziert, dass es einem Prozess nicht möglich ist, die Entropie eines gegebenen Systems in endlich vielen Prozessen wieder auf Null zu bringen.

Die amerikanischen Physikochemiker Merle Randall und Gilbert Lewis drückten dieses Gesetz anders aus: Bei der absoluten Nulltemperatur wird die Entropie jedes Elements (in seinem perfekten kristallinen Zustand) als 0 angenommen, die Entropie jeder Substanz muss einen positiven, endlichen Wert haben. . Die Entropie am absoluten Nullpunkt kann jedoch gleich Null sein, wie dies bei der Betrachtung eines perfekten Kristalls der Fall ist.

Der Nernst-Simon-Ausdruck kann geschrieben werden als aus dem isothermen Prozess Bei einem durchlaufenden kondensierten System nähert sich die zugehörige Entropieänderung Null, wenn sich die zugehörige Temperatur Null nähert.

Eine weitere Bedeutung des dritten Hauptsatzes der Thermodynamik ist, dass der Energieaustausch zwischen zwei thermodynamischen Systemen (deren Zusammensetzung ein isoliertes System bildet) begrenzt ist.

Gemäß der statistischen Mechanik kann die Entropie eines Systems durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

S – Also = 𝑘 B ln𝛀

Q: ist die Entropie des Systems.

Also: ist die erste Entropie.

𝑘 B: Drückt die Boltzmann-Konstante aus.

𝛀: bezieht sich auf die Gesamtzahl der Mikrozustände, die mit der makroskopischen Konfiguration des Systems übereinstimmen.

Nun, für einen perfekten Kristall mit genau einem Grundzustand ist 𝛀 = 1.

Daher kann die Gleichung umgeschrieben werden als:

S – So = 𝑘 B ln(1) = 0 [weil ln(1) = 0]

Wenn die Anfangsentropie des Systems zu Null gewählt wird, kann der folgende 'S'-Wert erhalten werden:

S – 0 = 0 ⇒ S = 0

Somit ist die Entropie eines perfekten Kristalls am absoluten Nullpunkt Null.

Unmöglichkeit, eine Null-Kelvin-Temperatur zu erhalten:

Für einen isentropischen Prozess, der die Temperatur einer Substanz senkt, indem einige X-Parameter geändert werden, um eine Änderung von „X2“ auf „X1“ herbeizuführen, muss eine unendliche Anzahl von Schritten durchgeführt werden, um die Substanz auf null Kelvin abzukühlen.

Denn der dritte Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Entropieänderung bei absoluten Nulltemperaturen Null ist. Das Entropie-v/s-Temperaturdiagramm für jeden isentropischen Prozess, der versucht, eine Substanz auf den absoluten Nullpunkt abzukühlen, ist unten dargestellt.

Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass je niedriger die mit der Substanz verbundene Temperatur ist, desto mehr Schritte erforderlich sind, um die Substanz weiter abzukühlen. Wenn sich die Temperatur null Kelvin nähert, nähert sich die Anzahl der Schritte, die zum Kühlen von Materie erforderlich sind, der Unendlichkeit.