قوانین ترمودینامیک
قوانین ترمودینامیک محدودیتهای جهانی انرژی، گرما و آنتروپی را بیان میکنند که بر هر سیستم ماکروسکوپی، از موتورهای بخار گرفته تا سیاهچالهها، مستقل از جزئیات میکروسکوپی حاکم هستند.
Definition
قوانین ترمودینامیک مجموعهای از اصول جهانی مبتنی بر تجربه هستند که تبادل و تبدیل انرژی را در سیستمهای ماکروسکوپی محدود میکنند و توابع حالت دما، انرژی درونی و آنتروپی را تعریف میکنند.
Scope
این حوزه چهار قانون اساسی ترمودینامیک کلاسیک را پوشش میدهد: قانون صفرم و تعریف دما از طریق تعادل گرمایی؛ قانون اول به عنوان پایستگی انرژی با گرما و کار به عنوان اشکال انتقال انرژی؛ قانون دوم که آنتروپی و جهتگیری فرآیندهای خودبهخودی را معرفی میکند؛ و قانون سوم که رفتار آنتروپی را با نزدیک شدن دما به صفر مطلق کنترل میکند. فرمولبندی این قوانین، گزارههای معادل آنها (کلوین-پلانک، کلاوزیوس) و پیامدهای آنها برای موتورهای حرارتی و بازدهی گنجانده شده است، در حالی که پتانسیلهای مشتق شده از آنها و مبانی آماری میکروسکوپی در حوزههای خودشان مورد بررسی قرار میگیرند.
Sub-topics
Core questions
- چگونه قانون صفرم امکان تعریف سازگار دما را از طریق تعادل گرمایی فراهم میکند؟
- چگونه قانون اول گرما و کار را به عنوان ابزارهای معادل تغییر انرژی درونی در نظر میگیرد؟
- چرا قانون دوم از طریق کاهش نیافتن آنتروپی، جهتی را بر زمان تحمیل میکند؟
- قانون سوم چه مفهومی در مورد دستیابی به صفر مطلق و رفتار آنتروپی در آنجا دارد؟
Key concepts
- تعادل گرمایی و دمای تجربی
- انرژی درونی، گرما و کار
- آنتروپی و برگشتناپذیری
- موتورهای حرارتی، چرخه کارنو و بازدهی
- صفر مطلق و اصل عدم دستیابی
Key theories
- قانون اول (پایستگی انرژی)
- انرژی درونی یک سیستم بسته تنها از طریق گرمای اضافه شده به سیستم یا کار انجام شده توسط سیستم تغییر میکند، dU = dQ - dW، که انرژی را به عنوان یک تابع حالت پایسته تثبیت میکند.
- قانون دوم و اصل کارنو
- هیچ فرآیند چرخهای نمیتواند گرما را به طور کامل به کار تبدیل کند؛ حداکثر بازدهی هر موتور حرارتی که بین دو مخزن کار میکند توسط دماهای آنها تعیین میشود و آنتروپی هرگز در یک سیستم ایزوله کاهش نمییابد.
Clinical relevance
قوانین ترمودینامیک محدودیتهای بازدهی تمام موتورها، یخچالها و نیروگاهها را تعیین میکنند، زیربنای انرژیزایی شیمیایی و بیولوژیکی هستند و پرسشهای عمیقی را در مورد پیکان زمان و سرنوشت نهایی سیستمهای فیزیکی مطرح میکنند.
History
ترمودینامیک که از تحلیل کارنو در سال ۱۸۲۴ در مورد موتورهای حرارتی متولد شد، در دهه ۱۸۵۰ با فرمولبندی قوانین اول و دوم توسط کلاوزیوس و کلوین و ابداع مفهوم آنتروپی توسط کلاوزیوس شکل گرفت؛ نرنست قانون سوم را در آغاز قرن بیستم اضافه کرد.
Key figures
- Sadi Carnot
- Rudolf Clausius
- William Thomson (Lord Kelvin)
Related topics
Seminal works
- carnot1824
- callen1985
- fermi1956
Frequently asked questions
- چرا به آن قانون «صفرم» میگویند؟
- این قانون تنها پس از نامگذاری قوانین اول و دوم، به عنوان مقدم بر آنها از نظر منطقی شناخته شد، بنابراین برای حفظ نامهای تثبیت شده و در عین حال اذعان به اینکه زیربنای تعریف خود دما است، شماره صفر به آن داده شد.
- آیا قانون دوم کاهشهای محلی آنتروپی را ممنوع میکند؟
- خیر. آنتروپی میتواند در بخشی از یک سیستم کاهش یابد، مانند زمانی که یک یخچال فضای داخلی خود را خنک میکند، مشروط بر اینکه آنتروپی کل سیستم به علاوه محیط اطراف آن کاهش نیابد.