Ο Πρώτος Νόμος της Θερμοδυναμικής σχετίζεται με τη διατήρηση της ενέργειας, ενώ ο Δεύτερος Νόμος της Θερμοδυναμικής υποστηρίζει ότι ορισμένες από τις θερμοδυναμικές διαδικασίες είναι ανεπίτρεπτες και δεν ακολουθούν πλήρως τον Πρώτο Νόμο της Θερμοδυναμικής.
Η λέξη « θερμοδυναμική » προέρχεται από τις ελληνικές λέξεις, όπου το «Thermo» σημαίνει θερμότητα και η «δυναμική» σημαίνει δύναμη. Έτσι, η θερμοδυναμική είναι η μελέτη της ενέργειας που υπάρχει σε διάφορες μορφές όπως το φως, η θερμότητα, η ηλεκτρική και η χημική ενέργεια.
Η θερμοδυναμική είναι πολύ σημαντικό μέρος της φυσικής και του συναφούς πεδίου της, όπως η χημεία, η επιστήμη των υλικών, η περιβαλλοντική επιστήμη κλπ. Εν τω μεταξύ, ο «νόμος» σημαίνει το σύστημα των κανόνων. Επομένως, οι νόμοι της θερμοδυναμικής ασχολούνται με τη μία από τις μορφές ενέργειας που είναι θερμότητα, τη συμπεριφορά τους κάτω από διαφορετικές συνθήκες που αντιστοιχούν στο μηχανικό έργο.
Αν και γνωρίζουμε ότι υπάρχουν τέσσερις νόμοι της θερμοδυναμικής, ξεκινώντας από τον μηδενικό νόμο, τον πρώτο νόμο, τον δεύτερο νόμο και τον τρίτο νόμο. Αλλά οι πιο συνηθισμένοι είναι οι πρώτοι και οι δεύτεροι νόμοι, επομένως σε αυτό το περιεχόμενο θα συζητήσουμε και θα διαφοροποιήσουμε τον πρώτο και τον δεύτερο νόμο.
Συγκριτικό διάγραμμα
| Βάση σύγκρισης | Πρώτος Νόμος Θερμοδυναμικής | Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής |
|---|---|---|
| Δήλωση | Η ενέργεια δεν μπορεί ούτε να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί. | Η εντροπία (βαθμός διαταραχών) ενός απομονωμένου συστήματος ποτέ δεν μειώνεται αντί πάντα αυξάνεται. |
| Εκφραση | ΔΕ = Q + W, χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της τιμής εάν είναι γνωστές οποιεσδήποτε δύο ποσότητες. | ΔS = ΔS (σύστημα) + ΔS (περιβάλλον)> 0 |
| Η έκφραση συνεπάγεται αυτό | Η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος είναι ίση με το άθροισμα της ροής θερμότητας στο σύστημα και την εργασία που γίνεται στο σύστημα από το περιβάλλον. | Η συνολική μεταβολή στην εντροπία είναι το άθροισμα της μεταβολής στην εντροπία του συστήματος και του περιβάλλοντος που θα αυξηθεί για κάθε πραγματική διαδικασία και δεν μπορεί να είναι μικρότερη από 0. |
| Παράδειγμα | 1. Οι ηλεκτρικοί λαμπτήρες, όταν φωτίζουν, μετατρέπουν την ηλεκτρική ενέργεια σε ενέργεια φωτός (ενέργεια ακτινοβολίας) και θερμότητα (θερμική ενέργεια). 2. Τα φυτά μετατρέπουν το ηλιακό φως (ενέργεια φωτός ή ακτινοβολίας) σε χημική ενέργεια στη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. | 1. Τα μηχανήματα μετατρέπουν την πολύ χρήσιμη ενέργεια όπως τα καύσιμα στην λιγότερο χρήσιμη ενέργεια, η οποία δεν είναι ίση με την ενέργεια που λαμβάνεται κατά την εκκίνηση της διαδικασίας. 2. Ο θερμαντήρας στο δωμάτιο χρησιμοποιεί την ηλεκτρική ενέργεια και δίνει θερμότητα στο δωμάτιο, αλλά το δωμάτιο σε αντάλλαγμα δεν μπορεί να παρέχει την ίδια ενέργεια στον θερμαντήρα. |
Ορισμός του πρώτου νόμου της θερμοδυναμικής
Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι «η ενέργεια δεν μπορεί ούτε να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί » μπορεί να μετασχηματιστεί από το ένα κράτος στο άλλο. Αυτό είναι επίσης γνωστό ως ο νόμος της διατήρησης.
Υπάρχουν πολλά παραδείγματα που εξηγούν την παραπάνω δήλωση, όπως ένας ηλεκτρικός λαμπτήρας, ο οποίος χρησιμοποιεί ηλεκτρική ενέργεια και μετατρέπεται σε ενέργεια φωτός και θερμότητας.
Όλα τα είδη μηχανών και κινητήρων χρησιμοποιούν κάποιο ή άλλο είδος καυσίμου για να εκτελούν εργασία και να δίνουν διαφορετικά αποτελέσματα. Ακόμη και οι ζωντανοί οργανισμοί, τρώνε τρόφιμα που παίρνουν πέψη και παρέχουν ενέργεια για να εκτελούν διαφορετικές δραστηριότητες.
ΔΕ = Q + W
Μπορεί να εκφραστεί με την απλή εξίσωση ΔΕ, η οποία είναι η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος είναι ίση με το άθροισμα της θερμότητας (Q) που ρέει στα όρια του περιβάλλοντος και η εργασία γίνεται (W) από το περιβάλλον. Αλλά υποθέστε ότι εάν η ροή θερμότητας ήταν έξω από το σύστημα τότε το «Q» θα ήταν αρνητικό, ομοίως εάν το έργο έγινε από το σύστημα, τότε το «W» θα ήταν επίσης αρνητικό.
Μπορούμε λοιπόν να πούμε ότι όλη η διαδικασία βασίζεται σε δύο παράγοντες, οι οποίοι είναι η θερμότητα και η εργασία, και μια μικρή αλλαγή σε αυτές θα έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος. Όμως, όπως όλοι γνωρίζουμε ότι αυτή η διαδικασία δεν είναι τόσο αυθόρμητη και δεν ισχύει κάθε φορά, όπως η ενέργεια ποτέ δεν εκρέει αυθόρμητα από μια χαμηλότερη θερμοκρασία στην υψηλότερη θερμοκρασία.
Ορισμός του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής
Υπάρχουν διάφοροι τρόποι να εκφραστεί ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής, αλλά πριν από αυτό πρέπει να καταλάβουμε γιατί γιατί εισήχθη ο δεύτερος νόμος. Πιστεύουμε ότι στην πραγματική διαδικασία της καθημερινής ζωής ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής θα πρέπει να ικανοποιεί, αλλά δεν είναι υποχρεωτικός.
Για παράδειγμα, σκεφτείτε έναν ηλεκτρικό λαμπτήρα σε ένα δωμάτιο που θα καλύψει την ηλεκτρική ενέργεια σε θερμική και φωτεινή ενέργεια και το δωμάτιο θα πάρει φωτισμό, αλλά δεν είναι εφικτό το αντίστροφο, εάν παρέχουμε την ίδια ποσότητα φωτός και θερμότητας ο λαμπτήρας, θα μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια. Παρόλο που αυτή η εξήγηση δεν αντιτίθεται στον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής, στην πραγματικότητα δεν είναι δυνατόν.
Σύμφωνα με τη δήλωση του Kelvin-Plancks: "Είναι αδύνατο για οποιαδήποτε συσκευή που λειτουργεί σε έναν κύκλο, να δέχεται θερμότητα από μία δεξαμενή και να την μετατρέπει 100% σε εργασία, δηλαδή δεν υπάρχει θερμικός κινητήρας με θερμική απόδοση 100% .
Ακόμη, ο Clausius είπε ότι «είναι αδύνατο να κατασκευαστεί μια συσκευή που λειτουργεί σε έναν κύκλο και μεταφέρει θερμότητα από μια δεξαμενή χαμηλής θερμοκρασίας σε μια δεξαμενή υψηλής θερμοκρασίας χωρίς την εξωτερική εργασία».
Έτσι από την παραπάνω δήλωση, είναι σαφές ότι ο Δεύτερος Νόμος της Θερμοδυναμικής εξηγεί για τον τρόπο που ο μετασχηματισμός της ενέργειας λαμβάνει χώρα μόνο σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, η οποία δεν έχει εκκαθαριστεί στον πρώτο νόμο της θερμοδυναμικής.
Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής, γνωστός επίσης ως νόμος της αυξημένης εντροπίας, ο οποίος λέει ότι με την πάροδο του χρόνου η εντροπία ή ο βαθμός των διαταραχών σε ένα σύστημα θα αυξηθεί πάντοτε. Ας δώσουμε ένα παράδειγμα, γιατί γιατί έχουμε να κάνουμε πιο δύσκολα, αφού αρχίσουμε να δουλεύουμε με όλους τους σχεδιαστές καθώς προχωράει η δουλειά. Έτσι, με την αύξηση του χρόνου, οι διαταραχές ή η αποδιοργάνωση επίσης αυξάνονται.
Αυτό το φαινόμενο ισχύει σε κάθε σύστημα, που με τη χρήση χρήσιμης ενέργειας, η άχρηστη ενέργεια θα δοθεί μακριά.
ΔS = ΔS (σύστημα) + ΔS (περιβάλλον)> 0
Όπως περιγράψαμε προηγουμένως, οι delS που είναι η ολική αλλαγή στην εντροπία είναι το άθροισμα της αλλαγής στην εντροπία του συστήματος και του περιβάλλοντος που θα αυξηθεί για κάθε πραγματική διαδικασία και δεν μπορεί να είναι μικρότερη από 0.
Βασικές διαφορές μεταξύ του πρώτου και του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής
Ακολουθούν τα βασικά σημεία για να γίνει διάκριση μεταξύ Πρώτου και Δεύτερου Νόμου Θερμοδυναμικής:
- Σύμφωνα με τον Πρώτο Νόμο της Θερμοδυναμικής «Η Ενέργεια δεν μπορεί ούτε να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί, μπορεί να μετασχηματιστεί από τη μια μορφή στην άλλη». Σύμφωνα με τον Δεύτερο Νόμο της Θερμοδυναμικής, που δεν παραβιάζει τον πρώτο νόμο, αλλά λέει ότι η ενέργεια που μετατρέπεται από το ένα κράτος στο άλλο δεν είναι πάντοτε χρήσιμη και 100% όπως έχει ληφθεί. Έτσι μπορεί να αναφερθεί ότι «Η εντροπία (βαθμός διαταραχών) ενός απομονωμένου συστήματος δεν μειώνεται ποτέ μάλλον παρά πάντα αυξάνει».
- Ο Πρώτος Νόμος της Θερμοδυναμικής μπορεί να εκφραστεί ως ΔΕ = Q + W, χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της αξίας, εάν είναι γνωστές οποιεσδήποτε δύο ποσότητες, ενώ ο Δεύτερος Νόμος Θερμοδυναμικής μπορεί να εκφραστεί ως ΔS = ΔS (σύστημα) + ΔS περιβάλλον)> 0 .
- Οι εκφράσεις υποδηλώνουν ότι η αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια ενός συστήματος είναι ίση με το άθροισμα της ροής θερμότητας στο σύστημα και την εργασία που γίνεται στο σύστημα από τον περιβάλλοντα χώρο στον Πρώτο Νόμο. Στον Δεύτερο Νόμο η συνολική μεταβολή της εντροπίας είναι το άθροισμα της μεταβολής στην εντροπία του συστήματος και του περιβάλλοντος που θα αυξηθεί για κάθε πραγματική διαδικασία και δεν μπορεί να είναι μικρότερη από 0.
συμπέρασμα
Σε αυτό το άρθρο, συζητήσαμε τη Θερμοδυναμική, η οποία δεν περιορίζεται στη φυσική ή μηχανήματα όπως τα ψυγεία, τα αυτοκίνητα, το πλυντήριο, αλλά αυτή η έννοια ισχύει για την καθημερινή εργασία του καθενός. Αν και εδώ διακρίναμε τους δύο πιο σύγχρονους νόμους της θερμοδυναμικής, καθώς γνωρίζουμε ότι υπάρχουν δύο ακόμη, που είναι εύκολα κατανοητά και όχι τόσο αντιφατικά.
