Закони термодинаміки

Ми можемо визначити термодинаміка двома простими способами: наука про тепло і теплові машини або наука про великі системи в рівновазі. Перше визначення - це також перше в історії. Другий прийшов пізніше, завдяки новаторській роботі Людвіга Больцмана.
Поряд із статистичною фізикою, частиною якої вона є зараз, термодинаміка є однією з великих теорій, на якій базується сучасне розуміння матерії.

Типова термодинамічна система - тепло переходить від гарячого (випарник) до холодного (конденсатор) і робота витягується.

Поняття тепла і температури є найбільш фундаментальними з термодинаміки. Ми можемо визначити термодинаміку як науку про всі явища, які залежать від температури та її змін.

Тепло і температура

Кожна людина інтуїтивно знає поняття температури. Тіло гаряче чи холодне, залежно від того, вище чи нижче його температура. Але точне визначення складніше. Одним з найбільших успіхів класичної термодинаміки в 19 столітті є визначення абсолютної температури тіла: вона вимірюється в кельвінах, абсолютний нуль = нуль кельвін = -273,15 градусів Цельсія (приблизно).
Тепло визначити ще складніше. Стара теорія, яку захищав, зокрема, Лавуазьє, приписувала особливій рідині (невидимій, неймовірній чи майже) властивості тепла, калорійності, яка циркулює від одного тіла до іншого. Чим гарячіше тіло, тим більше калорій воно міститиме. Ця теорія помилкова в тому сенсі, що калорійність не можна ототожнювати із збереженою фізичною величиною. Але термодинаміка все ще надає значення поняттю тепла: це кількість енергії, що обмінюється системою з іншою системою або зовнішнім середовищем.

Теплові машини

Класична термодинаміка взяла початок як наука про теплові машини або наука про рушійну силу вогню.
Саді Карно започаткував сучасні дослідження теплових машин у фундаментальній дисертації "Роздуми про рушійну силу вогню та про машини, придатні для розвитку цієї сили". Цикл Карно, вивчений у цій дисертації, залишається основним теоретичним прикладом дослідження теплових машин. Замість "рушійної сили" сьогодні ми говоримо, що теплові машини забезпечують роботу, і ми задаємось питанням, як використовувати тепло для безперервної роботи.
Рух макроскопічних тіл, які в міліметровому масштабі і набагато менші, може виробляти тепло, в тому сенсі, що робить тіла гарячішими. Вам потрібно лише потерти руки, щоб це усвідомити. І навпаки, тепло може приводити макроскопічні тіла в рух.
Прикладів дуже багато. Ми можемо назвати їх пожежними машинами, або тепловими машинами. Вони є макроскопічними системами, які зберігають свій рух, доки зберігається різниця температур між гарячою та холодною частинами.

Приклади

Проста свічка приводить повітря навколо неї в рух. Над полум’ям створюється висхідний потік. Він постійно оновлюється потоком холодного повітря, що надходить знизу. Їх можна спостерігати в тихій кімнаті з пуховим пером або наближаючись до іншого полум’я. Це конвекційний струм.

Вода в каструлі над вогнем починає рухатися, як повітря над свічкою, і як усі рідини над досить гарячими поверхнями. Якщо ви надягнете чохол, виникає нове явище. Пара піднімає кришку, яка потім падає, щоб її знову підняли, нескінченно, поки вогонь або вода не вичерпаються, і тому утворюється пара. Кажуть, що це просте спостереження, яке можна зробити на будь-якій кухні, пов’язане з винаходом парових машин. Рух кришки занадто малий, щоб бути цікавим. Він зупиняється, як тільки починається, тому що пара, що штовхає його, відразу виходить. Але якщо ви покладете кришку в циліндр, ви отримаєте поршень, який можна довго штовхати парою або будь-яким іншим газом. Парові та теплові машини не завжди будуються за принципом поршня та циліндра, але дуже часто. Інші рішення не дуже відрізняються. Можна вважати, що досвід кришки каструлі лежить в основі винаходів усіх теплових машин.

Еоліпіл Герона Олександрійського

Стародавні знали приклад парової турбіни. Металева кулька рухлива при обертанні навколо осі. Вода, яку він містить, нагрівається знизу. Потім два дотичні та протилежні струмені пари приводять кульку в рух. Але ця система не була значно вдосконалена до сучасності, щоб зробити її ефективним двигуном. Сучасні реактивні двигуни працюють здебільшого за тим же принципом, що і цей предок турбіни.

Рушійна сила вогню була набагато більш розвинена для виготовлення зброї. Куля, втулка або інший снаряд проштовхується через стовбур гарячим газом, що утворюється при згорянні порошку або іншої вибухової речовини. Тепло газу, що знаходиться під тиском, не розрізняє оболонку в стовбурі та поршень у циліндрі.

Рідини на земній поверхні, атмосфері та океанах приводиться в рух теплом сонця. Для океанів гравітація також відіграє роль, припливи і відливи. Отже, сила вітру є формою рушійної сили вогню.

І багато іншого.

Статистична рівновага та закон великих чисел

Основна стаття: закон великих чисел.
Якщо ми кидаємо одні і ті ж кістки, добре збалансовані, велику кількість разів, ми заздалегідь впевнені, що частота появи кожної з граней буде близько однієї шостої. Чим більше число кидків, тим більше частот рівні, тому що плашка також досліджує всі можливості, що їй пропонуються. Те саме відбувається, якщо ви покладете краплю харчового барвника в склянку з водою. Якщо ми почекаємо досить довго, скло стане рівномірно забарвленим, оскільки всі додані молекули також досліджують усі можливості, області всередині скла, які їм доступні.
Ці спостереження можна узагальнити. Коли система дуже велика і коли є сенс говорити про баланс системи, можна з упевненістю передбачити долю цілого, хоча долі багатьох людей не визначені.

Малість атомів

Сьогодні ми знаємо, що атоми дійсно існують і що вони дуже малі. Іншими словами, у кожному зразку речовини є дуже велика кількість атомів, мільярди мільярдів у крихітній піщинці. Отже, фізика макроскопічних тіл - це завжди фізика великих систем.

Теплові баланси

Вивчення теплових рівноваг має величезне значення. Всі форми речовини (гази, рідини, тверді речовини, напіврідкі середовища.) І всі фізичні явища (механічні, електричні та магнітні, оптичні.) Можна вивчати, міркуючи про рівновагу великих систем. Термодинаміка, яку ми тоді більше ототожнюємо зі статистичною фізикою, є однією з найбільш міцних основ, на якій будується наше розуміння матерії.

Закони термодинаміки

Два найважливіші принципи - це перший і другий. Іноді ми додаємо ще два (n ° 0 і n ° 3).

Перший принцип стверджує, що енергія завжди зберігається. Іншими словами, загальна енергія ізольованої системи залишається постійною. Події, що відбуваються там, призводять лише до перетворення одних видів енергії в інші форми енергії. Тому енергію не можна виробляти ex nihilo; вона в незмінній кількості в природі. Він може передаватися лише від однієї системи до іншої. Ми не створюємо енергію, ми її перетворюємо.
Перший принцип термодинаміки також є загальним законом для всіх фізичних теорій (механіки, електромагнетизму, ядерної фізики.) Він ніколи не знаходив ні найменшого винятку, хоча іноді виникали сумніви, особливо щодо радіоактивних розпадів. З теореми Нетера ми знаємо, що збереження енергії тісно пов'язане з однорідністю структури простору-часу.
Наступна цитата приписується Лавуазьє: "нічого не втрачено, нічого не створено, все перетворено".

Другий принцип стосується поняття незворотності перетворення і вводить поняття ентропії. Він каже, що ентропія ізольованої системи збільшується, або залишається постійною. Це пов’язано з неможливістю переходу від безладу до порядку без втручання ззовні. Але таке тлумачення створює труднощі.

Другий принцип має статистичне походження: на відміну від першого, мікроскопічні закони, що керують речовиною, містять її лише неявно та статистично. З іншого боку, це цілком незалежно від самих характеристик цих законів, оскільки воно також з’являється, якщо взяти за спрощені дрібномасштабні закони.