قوانين ترموديناميك

[ریپورتر]

قوانين ترموديناميك

قانون صفرم ترموديناميك

قانون صفرم ترموديناميك بيان مي‌كند كه اگر دو سيستم با سيستم سومي در حال تعادل گرمايي باشند، با يكديگر در حال تعادلند.




قانون اول ترموديناميك

قانون اول ترموديناميك كه به عنوان قانون بقاي كار و انرژي نيز شناخته مي‌شود، مي‌گويد كه حالت تعادل ماكروسكوپي يك سيستم با كميتي به نام انرژي دروني (U) بيان مي‌شود. انرژي دروني داراي خاصيتي است كه براي يك سيستم منزوي (ايزوله) داريم:

U=مقدار ثابت
اگر به سيستم اجازهٔ برهم‌كنش با محيط داده شود، سيستم از حالت ماكروسكوپي اوليهٔ خود به حالت ماكروسكوپي ديگري منتقل مي‌شود كه تغيير انرژي دروني را براي اين تحول (فرآيند) مي‌توان به شكل زير نشان داد:
ΔU = Q − W
كه در اين فرمول W، كار ماكروسكوپي انجام شده توسط سيستم در برابر نيروي خارجي و Q مقدار گرماي جذب شده توسط سيستم در طي اين فرآيند است.
نمادگذاري

شميي و فيزيك

چون در شيمي و فيزيك سيستم مورد توجه است، گرما و كاري كه به سيمتم داده مي‌شود مورد نظر ماست و انرژي دروني را Q+W در نظر مي‌گيريم.(سيستم را بسته,در حالت سكون و در غياب ميداانها در نظر ميگيريم)
,

where
dU يك افزايش بي‌اندازه كوچك در انرژي دروني سيستم است.,
δQ يك مقدار بي‌اندازه كوچك از گرما كه به سيستم افزوده مي‌شود,
δW يك كار بي‌اندازه كوچك كه بر روي سيستم انجام مي‌شود و
δ نماد ديفرانسيل است.



قانون دوم ترموديناميك

قانون اول ترموديناميك تنها بياني از تئوري كار و انرژي يا قانون بقاي انرژي است. يك آونگ ساده يا يك آونگ ايده‌آل براي هميشه به نوسان ادامه مي‌دهد. فيلمي از يك آونگ كه به جلو و عقب نوسان مي‌كند را در نظر بگيريد. اگر ما فيلم را برعكس نشان بدهيم، نخواهيم توانست آن را از حالت عادي تشخيص بدهيم.

اما برداري (نشانگري) براي زمان وجود دارد. دامنهٔ نوسان آونگ به تدريج كوجكتر مي‌شود. اگر توپي را از ارتفاع خاصي رها كنيد، در هر بار برخورد توپ با زمين، كمتر از دفعهٔ قبل بالا خواهد آمد. فيلمي از اين توپ در دنياي واقعي، هنگام پخش برعكس، متفاوت ديده خواهدشد. قطعات يخ در داخل فنجان چاي ذوب مي‌شوند در حالي كه چاي سردتر مي‌شود.
هيچ تناقضي با قانون اول ترموديناميك نخواهد داشت اگر ما ببينيم كه در داخل يك فنجان چاي قطعات يخ تشكيل شده و چاي گرمتر شود. اين با قانون بقاي انرژي سازگار است اما «ما هيچگاه چنين چيزي را نمي‌بينيم». قانون دوم ترموديناميك توضيح مي‌دهد كه چرا چنين چيزي اتفاق نمي‌افتد.
بيان كلوين-پلانك
ساخت يك موتور گرمايي سيكلي (چرخه‌اي) كه جر جذب گرما از منبع و انجام كار مساوي با گرماي چذب شده تأثير ديگري بر محيط نداشته باشد، غير ممكن است.
يا مي‌توان گفت كه: ساخت ماشين گرمايي با بازدهي ۱۰۰ درصد غيرممكن است.

بيان كلازيوس

ساخت يك موتور سيكلي كه تأثيري جز انتقال مداوم گرما از دماي سرد به دماي گرم نداشته باشد، غير ممكن است.

ارتباط اين دو بيان

اين دو بيان قانون دوم ترموديناميك معادل (هم‌ارز) هستند. اگر بتوان يكي از آنها را نقض كرد، ديگري نيز نقض مي‌شود.


قانون سوم ترموديناميك

قانون سوم ترموديناميك مي‌گويد هنگامي كه انرژي يك سيستم به حداقل مقدار خود ميل مي‌كند، انتروپي سيستم به مقدار قابل چشم‌پوشي مي‌رسد. يا بطور نمادين: هنگامي كه

،

از رابطهٔ بين انرژي دروني و دما، رابطهٔ بالا را مي‌توان به صورت زير نوشت:
هنگامي كه ،
اما در هنگام كاربرد اين قانون بايد توجه داشت كه در اين دما () سيستم در حال تعادل است يا نه. زيرا با پايين آمدن دما، سرعت رسيدن به تعادل خيلي زياد مي‌شود.