Termodynamikens lagar

Termodynamikens lagar anger de universella begränsningarna för energi, värme och entropi som styr varje makroskopiskt system, från ångmaskiner till svarta hål, oberoende av mikroskopiska detaljer.

Definition

Termodynamikens lagar är en uppsättning empiriskt grundade universella principer som begränsar utbytet och omvandlingen av energi i makroskopiska system och definierar tillståndsfunktionerna temperatur, inre energi och entropi.

Scope

Detta område omfattar den klassiska termodynamikens fyra fundamentala lagar: nollte lagen och definitionen av temperatur genom termisk jämvikt; första lagen som energins bevarande med värme och arbete som former av energiöverföring; andra lagen, som introducerar entropi och spontana processers riktning; och tredje lagen, som styr entropins beteende när temperaturen närmar sig absoluta nollpunkten. Formuleringen av dessa lagar, deras ekvivalenta utsagor (Kelvin-Planck, Clausius), och deras konsekvenser för värmemaskiner och verkningsgrad ingår, medan de potentialer som härleds från dem och de mikroskopiska statistiska grunderna behandlas inom egna områden.

Sub-topics

• First Law and Energy Conservation
• Second Law and Entropy
• Third Law and Absolute Zero
• Zeroth Law and Temperature

Core questions

• Hur möjliggör den nollte lagen att temperatur kan definieras konsekvent genom termisk jämvikt?
• Hur förklarar den första lagen värme och arbete som ekvivalenta sätt att ändra inre energi?
• Varför påtvingar den andra lagen en riktning på tiden genom att entropin inte minskar?
• Vad innebär den tredje lagen om uppnåbarheten av absoluta nollpunkten och entropins beteende där?

Key concepts

• Termisk jämvikt och empirisk temperatur
• Inre energi, värme och arbete
• Entropi och irreversibilitet
• Värmemaskiner, Carnotcykeln och verkningsgrad
• Absoluta nollpunkten och oåtkomlighetsprincipen

Key theories

Första lagen (energibevarande)

Den inre energin i ett slutet system ändras endast genom värme som tillförs eller arbete som utförs av systemet, dU = dQ - dW, vilket etablerar energi som en bevarad tillståndsfunktion.

Andra lagen och Carnotprincipen

Ingen cyklisk process kan helt omvandla värme till arbete; den maximala verkningsgraden för en värmemaskin som arbetar mellan två reservoarer bestäms av deras temperaturer, och entropin minskar aldrig i ett isolerat system.

Clinical relevance

Termodynamikens lagar sätter effektivitetsgränserna för alla motorer, kylskåp och kraftverk, ligger till grund för kemisk och biologisk energetik, och ramar in djupa frågor om tidens pil och fysikaliska systems slutliga öde.

History

Född ur Carnots analys från 1824 av värmemaskiner, tog termodynamiken form på 1850-talet när Clausius och Kelvin formulerade den första och andra lagen och Clausius myntade begreppet entropi; Nernst lade till den tredje lagen i början av 1900-talet.

Key figures

• Sadi Carnot
• Rudolf Clausius
• William Thomson (Lord Kelvin)

Seminal works

• carnot1824
• callen1985
• fermi1956

Frequently asked questions

Varför kallas den för den "nollte" lagen?

Den erkändes som logiskt föregående de första och andra lagarna först efter att dessa hade namngivits, så den numrerades noll för att behålla de etablerade namnen intakta samtidigt som man erkände att den ligger till grund för själva definitionen av temperatur.

Förbjuder den andra lagen lokala minskningar av entropin?

Nej. Entropin kan minska i en del av ett system, som när ett kylskåp kyler sin insida, förutsatt att systemets totala entropi plus dess omgivning inte minskar.