Esplora le tre leggi della termodinamica

Il ramo della scienza ha chiamato termodinamica si occupa di sistemi in grado di trasferire energia termica in almeno un'altra forma di energia (meccanica, elettrica, ecc.) o in lavoro. Le leggi della termodinamica sono state sviluppate nel corso degli anni come alcune delle regole più fondamentali che vengono seguite quando un sistema termodinamico va attraverso una sorta di cambiamento di energia.

La storia della termodinamica inizia con Otto von Guericke che, nel 1650, costruì la prima pompa per vuoto al mondo e dimostrò un vuoto usando i suoi emisferi di Magdeburgo. Guericke fu spinto a fare il vuoto per confutare la supposizione di lunga data di Aristotele secondo cui "la natura detesta il vuoto". Poco dopo Guericke, il fisico e chimico inglese Robert Boyle aveva appreso dei progetti di Guericke e, nel 1656, in collaborazione con lo scienziato inglese Robert Hooke, costruì una pompa ad aria. Usando questa pompa, Boyle e Hooke hanno notato una correlazione tra pressione, temperatura e volume. Nel tempo, fu formulata la Legge di Boyle, che afferma che la pressione e il volume sono inversamente proporzionali.

Il leggi della termodinamica tendono ad essere abbastanza facili da affermare e capire... così tanto che è facile sottovalutare l'impatto che hanno. Tra le altre cose, pongono dei vincoli su come l'energia può essere usata nell'universo. Sarebbe molto difficile enfatizzare eccessivamente l'importanza di questo concetto. Le conseguenze delle leggi della termodinamica toccano in qualche modo quasi ogni aspetto dell'indagine scientifica.

Per comprendere le leggi della termodinamica, è essenziale comprendere alcuni altri concetti di termodinamica che si riferiscono ad essi.

• Panoramica della termodinamica: una panoramica dei principi di base del campo della termodinamica
• Energia termica - una definizione di base di energia termica
• Temperatura - una definizione di base della temperatura
• Introduzione al trasferimento di calore - una spiegazione di vari metodi di trasferimento di calore.
• Processi termodinamici: le leggi della termodinamica si applicano principalmente ai processi termodinamici, quando un sistema termodinamico passa attraverso una sorta di trasferimento energetico.

Lo studio del calore come forma distinta di energia iniziò nel 1798 circa quando Sir Benjamin Thompson (noto anche come Conte Rumford), un ingegnere militare britannico, notò che il calore poteva essere generato in proporzione alla quantità di lavoro fatto... un concetto fondamentale che alla fine diventerebbe una conseguenza della prima legge della termodinamica.

Il fisico francese Sadi Carnot formulò per la prima volta un principio di base della termodinamica nel 1824. I principi che Carnot usava per definire i suoi Ciclo di Carnot il motore termico alla fine si sarebbe tradotto nella seconda legge della termodinamica dal fisico tedesco Rudolf Clausius, che è anche spesso accreditato con la formulazione della prima legge di termodinamica.

Parte del motivo del rapido sviluppo della termodinamica nel diciannovesimo secolo era la necessità di sviluppare efficienti motori a vapore durante la rivoluzione industriale.

Le leggi della termodinamica non si occupano particolarmente di come e perché di trasferimento di calore, che ha senso per le leggi che sono state formulate prima che la teoria atomica fosse pienamente adottata. Si occupano della somma totale delle transizioni di energia e calore all'interno di un sistema e non tengono conto della natura specifica del trasferimento di calore a livello atomico o molecolare.

Questo a zero legge è una sorta di proprietà transitiva dell'equilibrio termico. La proprietà transitiva della matematica dice che se A = B e B = C, allora A = C. Lo stesso vale per i sistemi termodinamici in equilibrio termico.

Una conseguenza della legge zero è l'idea che misurare temperatura ha alcun significato. Per misurare la temperatura, equilibrio termale deve essere raggiunto tra il termometro nel suo insieme, il mercurio all'interno del termometro e la sostanza da misurare. Questo, a sua volta, si traduce nella capacità di dire con precisione quale sia la temperatura della sostanza.

Questa legge è stata compresa senza essere esplicitamente dichiarata attraverso gran parte della storia della termodinamica studio, e si è realizzato solo che era una legge a sé stante all'inizio del 20esimo secolo. Era il fisico britannico Ralph H. Fowler che per primo ha coniato il termine "zeroeth law", basato sulla convinzione che fosse più fondamentale anche delle altre leggi.

Anche se può sembrare complesso, è davvero un'idea molto semplice. Se aggiungi calore a un sistema, ci sono solo due cose che possono essere fatte: cambiare il Energia interna del sistema o far funzionare il sistema (o, ovviamente, una combinazione dei due). Tutta l'energia termica deve andare a fare queste cose.

I fisici usano tipicamente convenzioni uniformi per rappresentare le quantità nella prima legge della termodinamica. Loro sono:

• U1 (o Ui) = energia interna iniziale all'inizio del processo
• U2 (o Uf) = energia interna finale alla fine del processo
• delta-U = U2 - U1 = Modifica dell'energia interna (utilizzata nei casi in cui le specificità delle energie interne iniziali e finali sono irrilevanti)
• Q = calore trasferito in (Q > 0) o fuori da (Q <0) il sistema
• W = opera eseguito dal sistema (W > 0) o sul sistema (W < 0).

Ciò produce una rappresentazione matematica della prima legge che si rivela molto utile e può essere riscritta in un paio di modi utili:

L'analisi di a processo termodinamico, almeno all'interno di una situazione di classe di fisica, implica generalmente l'analisi di una situazione in cui una di queste quantità è 0 o almeno controllabile in modo ragionevole. Ad esempio, in un processo adiabatico, il trasferimento di calore (Q) è uguale a 0 mentre in un processo isocorico il lavoro (W) è uguale a 0.

Il prima legge della termodinamica è vista da molti come il fondamento del concetto di conservazione dell'energia. Sostanzialmente dice che l'energia che entra in un sistema non può essere persa lungo la strada, ma deve essere usata per fare qualcosa... in questo caso, modificare l'energia interna o eseguire lavori.

In questa prospettiva, la prima legge della termodinamica è uno dei concetti scientifici di più vasta portata mai scoperti.

Seconda legge della termodinamica: la seconda legge della termodinamica è formulata in molti modi, come verrà affrontato a breve, ma è sostanzialmente una legge che - a differenza della maggior parte delle altre leggi in fisica - non si occupa di come fare qualcosa, ma piuttosto si occupa di porre una limitazione su ciò che può essere fatto.

È una legge che afferma che la natura ci impedisce di ottenere determinati tipi di risultati senza impegnarci molto, e come tale è anche strettamente legato al concetto di conservazione dell'energia, proprio come la prima legge della termodinamica.

Nelle applicazioni pratiche, questa legge significa che qualsiasi motore termico o un dispositivo simile basato sui principi della termodinamica non può, neppure in teoria, essere efficiente al 100%.

Questo principio fu inizialmente chiarito dal fisico e ingegnere francese Sadi Carnot, mentre sviluppava il suo Ciclo di Carnot motore nel 1824, e fu successivamente formalizzato come una legge della termodinamica del fisico tedesco Rudolf Clausius.

La seconda legge della termodinamica è forse il più popolare al di fuori del regno della fisica perché è strettamente correlato al concetto di entropia o il disturbo creato durante un processo termodinamico. Riformulata come una dichiarazione sull'entropia, la seconda legge recita:

In qualsiasi sistema chiuso, in altre parole, ogni volta che un sistema passa attraverso un processo termodinamico, il sistema non può mai tornare completamente esattamente allo stesso stato in cui era prima. Questa è una definizione utilizzata per freccia del tempo poiché l'entropia dell'universo aumenterà sempre nel tempo secondo la seconda legge della termodinamica.

Una trasformazione ciclica il cui unico risultato finale è trasformare il calore estratto da una fonte alla stessa temperatura durante tutto il lavoro è impossibile. - Fisico scozzese William Thompson (Una trasformazione ciclica il cui unico risultato finale è trasferire il calore da un corpo a una data temperatura a un corpo a una temperatura più elevata è impossibile. - Fisico tedesco Rudolf Clausius

Tutte le formulazioni di cui sopra della Seconda Legge della Termodinamica sono affermazioni equivalenti dello stesso principio fondamentale.

La terza legge della termodinamica è essenzialmente un'affermazione sulla capacità di creare un assoluto scala di temperatura, per la quale zero Assoluto è il punto in cui l'energia interna di un solido è precisamente 0.

Varie fonti mostrano le seguenti tre possibili formulazioni della terza legge della termodinamica:

1. È impossibile ridurre qualsiasi sistema allo zero assoluto in una serie finita di operazioni.
2. L'entropia di un cristallo perfetto di un elemento nella sua forma più stabile tende a zero quando la temperatura si avvicina allo zero assoluto.
3. Quando la temperatura si avvicina allo zero assoluto, l'entropia di un sistema si avvicina a una costante

La terza legge significa alcune cose, e ancora una volta tutte queste formulazioni producono lo stesso risultato a seconda di quanto prendi in considerazione:

La formulazione 3 contiene le restrizioni minime, affermando semplicemente che l'entropia va a una costante. In realtà, questa costante è zero entropia (come indicato nella formulazione 2). Tuttavia, a causa di vincoli quantistici su qualsiasi sistema fisico, collasserà nel suo stato quantico più basso ma non sarà mai in grado di ridurre perfettamente a 0 entropia, quindi è impossibile ridurre un sistema fisico a zero assoluto in un numero finito di passaggi (che ci dà la formulazione 1).