Các định luật Nhiệt động lực học
Các định luật nhiệt động lực học phát biểu những ràng buộc phổ quát về năng lượng, nhiệt và entropy chi phối mọi hệ vĩ mô, từ động cơ hơi nước đến lỗ đen, độc lập với chi tiết vi mô.
Definition
Các định luật nhiệt động lực học là một tập hợp các nguyên lý phổ quát dựa trên thực nghiệm nhằm giới hạn sự trao đổi và biến đổi năng lượng trong các hệ vĩ mô và định nghĩa các hàm trạng thái nhiệt độ, nội năng và entropy.
Scope
Lĩnh vực này bao gồm bốn định luật cơ bản của nhiệt động lực học cổ điển: định luật không và định nghĩa nhiệt độ thông qua cân bằng nhiệt; định luật thứ nhất là bảo toàn năng lượng với nhiệt và công là các dạng truyền năng lượng; định luật thứ hai, giới thiệu entropy và tính định hướng của các quá trình tự phát; và định luật thứ ba, chi phối hành vi của entropy khi nhiệt độ tiến gần đến không tuyệt đối. Việc xây dựng các định luật này, các phát biểu tương đương của chúng (Kelvin-Planck, Clausius), và các hệ quả của chúng đối với động cơ nhiệt và hiệu suất được bao gồm, trong khi các thế năng suy ra từ chúng và các nền tảng thống kê vi mô được xử lý trong các lĩnh vực riêng.
Sub-topics
Core questions
- Định luật không cho phép định nghĩa nhiệt độ một cách nhất quán thông qua cân bằng nhiệt như thế nào?
- Định luật thứ nhất giải thích nhiệt và công là các phương tiện tương đương để thay đổi nội năng như thế nào?
- Tại sao định luật thứ hai áp đặt một hướng cho thời gian thông qua việc entropy không giảm?
- Định luật thứ ba ngụ ý gì về khả năng đạt được không tuyệt đối và hành vi của entropy ở đó?
Key concepts
- Cân bằng nhiệt và nhiệt độ thực nghiệm
- Nội năng, nhiệt và công
- Entropy và tính không thuận nghịch
- Động cơ nhiệt, chu trình Carnot và hiệu suất
- Không tuyệt đối và nguyên lý không thể đạt được
Key theories
- Định luật thứ nhất (bảo toàn năng lượng)
- Nội năng của một hệ kín chỉ thay đổi thông qua nhiệt được thêm vào hoặc công được thực hiện bởi hệ, dU = dQ - dW, thiết lập năng lượng như một hàm trạng thái được bảo toàn.
- Định luật thứ hai và nguyên lý Carnot
- Không có quá trình tuần hoàn nào có thể chuyển đổi hoàn toàn nhiệt thành công; hiệu suất tối đa của bất kỳ động cơ nhiệt nào hoạt động giữa hai bể chứa được xác định bởi nhiệt độ của chúng, và entropy không bao giờ giảm trong một hệ cô lập.
Clinical relevance
Các định luật nhiệt động lực học đặt ra giới hạn hiệu suất của tất cả các động cơ, tủ lạnh và nhà máy điện, làm nền tảng cho năng lượng hóa học và sinh học, và đặt ra những câu hỏi sâu sắc về mũi tên thời gian và số phận cuối cùng của các hệ vật lý.
History
Ra đời từ phân tích động cơ nhiệt của Carnot năm 1824, nhiệt động lực học hình thành vào những năm 1850 khi Clausius và Kelvin xây dựng định luật thứ nhất và thứ hai và Clausius đặt ra khái niệm entropy; Nernst bổ sung định luật thứ ba vào đầu thế kỷ XX.
Key figures
- Sadi Carnot
- Rudolf Clausius
- William Thomson (Lord Kelvin)
Related topics
Seminal works
- carnot1824
- callen1985
- fermi1956
Frequently asked questions
- Tại sao nó được gọi là định luật 'không'?
- Nó được công nhận là có trước về mặt logic so với định luật thứ nhất và thứ hai chỉ sau khi những định luật đó đã được đặt tên, vì vậy nó được đánh số không để giữ nguyên các tên đã được thiết lập trong khi thừa nhận rằng nó là nền tảng cho định nghĩa nhiệt độ.
- Định luật thứ hai có cấm sự giảm entropy cục bộ không?
- Không. Entropy có thể giảm trong một phần của hệ, như khi tủ lạnh làm mát bên trong của nó, miễn là tổng entropy của hệ cộng với môi trường xung quanh không giảm.