zasady termodynamiki

Zasady termodynamiki — Zasady termodynamiki – podstawowe prawa termodynamiki, działu fizyki zajmującego się badaniem efektów energetycznych przemian fizycznych i chemicznych, które wpływają na zmiany energii wewnętrznej w danym układzie.

Pierwsza zasada termodynamiki

Pierwsza zasada termodynamiki jest prawem zachowania energii dla układów termodynamicznych, które mówi o tym, że układzie izolowanym suma wszystkich rodzajów energii jest stała. Energia nie powstaje na nowo ani nie ulega zniszczeniu, może jedynie zachodzić przemiana jednych rodzajów energii w inne.

Przyrost energii wewnętrznej w jakimkolwiek procesie w termodynamicznym w układzie zamkniętym jest równy sumie energii doprowadzonej w tym procesie w wyniku wykonanej pracy lub wymiany ciepła:

gdzie:
ΔU – zmiana energii wewnętrznej układu
Q – ilość ciepła doprowadzona do układu
W – praca wykonana przez układ

W przypadku układu termodynamicznie izolowanego nie następuje wymiana energii z otoczeniem, ani w postaci ciepła ani w postaci pracy wykonanej przez układ:

James Prescott Joule, jeden z twórców pierwszej zasady termodynamiki., Źródło: By Henry Roscoe [Public domain], via Wikimedia Commons

Niezależne od siebie obserwacje Juliusa Roberta von Mayera (1842) nad przemianą materii w organizmach żywych oraz doświadczenia przeprowadzone przez Jamesa Prescotta Joule’a (1843) przyczyniły się do sformułowania treści pierwszej zasady termodynamiki.

Pierwszą zasadę termodynamiki można także alternatywnie sformułować jako brak możliwości zbudowania perpetuum mobile pierwszego rodzaju, czyli hipotetycznej maszyny, która wykonuje pracę bez pobierania energii z zewnątrz lub ilość wykonywanej pracy przewyższa ilość pobieranej energii.

Druga zasada termodynamiki

Druga zasada termodynamiki określa kierunek, w którym mogą samorzutnie zachodzić procesy termodynamiczne. We współczesnej termodynamice drugą zasadę termodynamiki formułuje się najczęściej jako prawo wzrostu entropii.

Entropia (S) jest funkcją stanu, która określa liczbę sposobów, na jakie może być zrealizowany dany stan termodynamiczny układu w określonej temperaturze. Druga zasada termodynamiki odzwierciedla tendencję dochodzenia układów fizycznych do stanów o największym prawdopodobieństwie termodynamicznym, czyli do maksymalizacji entropii.

Zmiana entropii (ΔS) w procesie odwracalnym równa się całce z przekazu ciepła (DQ) podzielonego przez temperaturę (T). W procesie nieodwracalnym zmiana entropii jest większa i wyraża się wzorem: ∆S≥∫DQ/T

Koncepcja entropii powstała podczas badań Rudolfa Clausiusa nad silnikiem Carnota. By Eric Gaba (Sting – fr:Sting) (Own workBased upon Image:Carnot-engine.png) [Public domain], via Wikimedia Commons

Istnieje kilka równoważnych sformułowań drugiej zasady termodynamiki:

• Rudolf Clausius (1850) stwierdził, że spontaniczny przekaz ciepła może dokonywać się tylko od ciała o temperaturze wyższej do ciała o temperaturze niższej; pracujący w cyklu przemian odwracalnych silnik cieplny nie może działać bez różnic temperatury pomiędzy ciałami, między którymi zachodzi wymiana ciepła. Silnik, w którym ciepło przekazywane jest od ciała cieplejszego do ciała zimniejszego, nazywany jest silnikiem Carnota.
• William Thomson (1851) stwierdził brak możliwości pobierania ciepła z jednego źródła i zamiany go na równoważną ilość pracy bez wprowadzenia innych zmian w układzie oraz w jego otoczeniu. Sformułowanie to można wyrazić również jako brak możliwości zbudowania perpetuum mobile drugiego rodzaju, czyli hipotetycznej maszyny, która zamienia ciepło na pracę bez wzrostu całkowitej entropii.

Trzecia zasada termodynamiki

Trzecia zasada termodynamiki (zasada Nernsta-Plancka) została sformułowana pierwotnie w 1906 r. przez Waltera Hermanna Nernsta, ostateczną postać nadał jej w 1912 r. Max Planck. Podstawowym założeniem trzeciej zasady termodynamiki jest to, że przy określonych warunkach entropia układu termodynamicznego dąży do zera, gdy wartość bezwzględna temperatury tego układu dąży do zera. Z zasady tej wynika również brak możliwości osiągnięcia temperatury zera bezwzględnego, jak również zachowanie się wielkości termodynamicznych w pobliżu tej temperatury.

Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki wymiana ciepła zachodzi zawsze od ciała o temperaturze wyższej do ciała o temperaturze niższej. Fot. pixabay.com

Czwarta zasada termodynamiki

Zasadę Onsagera (zasadę relacji wzajemności Onsagera) określa się czasem mianem czwartej zasady termodynamiki. Zasada ta dotyczy procesów nieodwracalnych, takich jak przewodzenie ciepła, dyfuzja materii, przekazywanie pędu (siła tarcia) oraz przepływ prądu. Podstawowym założeniem tej zasady jest istnienie symetrii związków pomiędzy siłami termodynamicznymi a wywołanymi przez nie przepływami. Obowiązuje przy większości zjawisk zachodzących w stanach bliskich równowagi termodynamicznej.

Za czwartą zasadę termodynamiki uważana jest także zasada minimum produkcji entropii sformułowana przez Prigogine’a. Założeniem tej zasady jest przechodzenie układów w okolicach stanu równowagi przez stany nierównowagowe, w których produkcja entropii jest najmniejsza.

Zerowa zasada termodynamiki

Czasami wyróżnia się też zerową zasadę termodynamiki, która głosi, że dwa ciała znajdujące się w równowadze termicznej z trzecim ciałem znajdują się także w równowadze termicznej względem siebie. Z zasady tej wynika istnienie temperatury empirycznej, której wartość jest równa dla wszystkich układów będących jednocześnie w równowadze termicznej.

Zerowa zasada termodynamiki stwierdza także, że ciało w równowadze termodynamicznej posiada wszędzie temperaturę o takiej samej wartości.

Zerowa zasada dynamiki – dwa ciała znajdujące się w równowadze termicznej z trzecim ciałem znajdują się także w równowadze termicznej względem siebie. Źródło: Wikipedia