Ve fyzice existuje obor věnovaný studiu transformací vyvolaných teplem a prací v systému. Tím je termodynamika. Je to obor fyziky, který se zabývá studiem všech přechodů, které jsou jednoduše výsledkem procesu zahrnujícího změny stavových proměnných teploty a energie na makroúrovni. Několik principů termodynamiky je základem mnoha aspektů fyziky a tyto principy jsou klíčové pro pochopení vztahu mezi energií a prací v různých systémech.
V tomto článku vám proto řekneme, jaké jsou principy termodynamiky a jaký je její význam.
Charakteristika termodynamiky
Pokud analyzujeme klasickou termodynamiku, zjistíme, že je založena na konceptu makroskopických systémů. Tento systém je pouze jedním aspektem fyzikální neboli koncepční kvality oddělení od vnějšího prostředí. Pro lepší studium termodynamického systému se vždy předpokládá, že se jedná o fyzikální hmotu, která není narušena výměnou energie s vnějším prostředím. Stav makroskopického systému v rovnováze je určen veličinami nazývanými termodynamické proměnné. Všechny tyto proměnné známe: teplota, tlak, objem a chemické složení. Všechny tyto proměnné definují systém a jeho rovnováhu, která souvisí s teplotními jednotkami, které v termodynamice používáme. Díky mezinárodní alianci aplikací byly stanoveny hlavní symboly chemické termodynamiky. Použití těchto jednotek umožňuje lepší pochopení a vysvětlení principů termodynamiky.
Existuje však odvětví termodynamiky, které se nezabývá studiem rovnováhy, ale spíše analýzou termodynamických procesů charakterizovaných především neschopností dosáhnout stabilních rovnovážných podmínek. Tato odvětví přímo souvisí s různými aplikacemi v současné fyzice.
Principy termodynamiky
Existují čtyři principy termodynamiky, očíslované od nuly do tří. Tyto zákony nám pomáhají pochopit všechny fyzikální zákony v našem vesmíru a vysvětlují určité jevy, které je v našem světě nemožné pozorovat. Jsou také známé jako zákony termodynamiky. Tyto zákony mají různý původ. Některé jsou odvozeny z dřívějších vzorců. Posledním známým zákonem termodynamiky je nultý zákon. Tyto zákony jsou základem veškerého výzkumu a zkoumání prováděného v laboratoři. Jsou nezbytné pro pochopení fungování našeho vesmíru. Principy termodynamiky si popíšeme jeden po druhém.
První zásada
Tento zákon říká, že energii nelze vytvořit ani zničit, pouze ji transformovat. Toto je také známé jako zákon zachování energie. V podstatě to znamená, že v jakémkoli fyzikálním systému izolovaném od svého okolí zůstane veškerá jeho energie vždy stejná. Ačkoli lze energii přeměnit na jiné formy energie, součet všech těchto energií je vždy stejný. Tento princip je základem pro pochopení [konceptu energie].
Uvedeme příklad, abychom tomu lépe porozuměli. Podle tohoto principu, pokud přispíváme určitým množstvím energie do fyzického systému ve formě tepla, můžeme vypočítat celkovou energii nalezením rozdílu mezi nárůstem vnitřní energie a prací odvedenou systémem a jeho okolím. To znamená, že rozdíl mezi energií, kterou systém v tu chvíli má, a prací, kterou odvedl, bude uvolněná tepelná energie.
Druhý princip
Pokud je systém dostatečně dlouhou dobu, nakonec ztratí rovnováhu. Tento princip se také nazývá zákon entropie. Lze jej shrnout následovně: Množství entropie ve vesmíru se v průběhu času zvyšuje, což má přímé důsledky pro studium entropie a jejího chování v různých systémech. Entropie systému je index pro měření stupně neuspořádanosti. Jinými slovy, druhý termodynamický zákon nám říká, že jakmile systém dosáhne bodu rovnováhy, stupeň neuspořádanosti v systému se zvýší. To znamená, že pokud je systému poskytnut dostatek času, nakonec se stane nevyváženým.
Toto je zákon, který vysvětluje nevratnost některých fyzikálních jevů. Například pomáhá vysvětlit, proč se kus papíru, který shoří, nemůže vrátit do původního stavu . V tomto systému, známém jako jev papíru a ohně, se neuspořádanost zvýšila do takové míry, že se nemůže vrátit do svého původního stavu. Tento zákon zavádí funkci entropického stavu, která v případě fyzikálních systémů představuje stupeň neuspořádanosti a její nevyhnutelnou ztrátu energie.
Abychom pochopili druhý termodynamický zákon, podívejme se na příklad. Pokud spálíme určité množství hmoty a výsledný popel smícháme, vidíme, že hmoty je méně než v počátečním stavu. Je to proto, že hmota byla přeměněna na plyny, které nelze regenerovat a které mají tendenci k disperzi a neuspořádání. Vidíme tedy, že ve stavu jedna byla entropie menší než ve stavu dva.
Třetí princip
Když je dosaženo absolutní nuly, proces fyzického systému se zastaví. Absolutní nula je nejnižší teplota, které můžeme dosáhnout. V tomto případě měříme teplotu ve stupních Kelvina. Tímto způsobem lze říci, že teplota a chlazení způsobují, že entropie systému je nulová. V těchto případech je to spíše jako určitá konstanta. Když dosáhne absolutní nuly, proces fyzického systému se zastaví. Entropie bude mít tedy minimální, ale konstantní hodnotu.
Dosažení absolutní nuly je jednoduchý úkol. Hodnota absolutní nuly v Kelvinech je nula, ale pokud ji použijeme v Celsiově teplotní stupnici, je to -273,15 stupňů. Tento princip souvisí také se základními pojmy termodynamiky.
Nulový zákon
Tento zákon je posledním předpokládaným a říká, že pokud A = C a B = C, pak A = B. Tím se stanoví základní a fundamentální pravidla pro další tři termodynamické zákony. Je to název pro zákon tepelné rovnováhy. Jinými slovy, pokud je systém a další systémy v tepelné rovnováze nezávisle na sobě, musí být v tepelné rovnováze. Tento zákon umožňuje stanovení teplotních principů. Tento princip se používá k porovnání tepelné energie dvou různých objektů ve stavu tepelné rovnováhy. Pokud jsou tyto dva objekty v tepelné rovnováze, budou nutně mít stejnou teplotu. Na druhou stranu, pokud oba změní tepelnou rovnováhu třetího systému, budou se také navzájem ovlivňovat.
Doufám, že s těmito informacemi se můžete dozvědět více o principech termodynamiky jeho charakteristik.