熱力学の法則は、実際には 19 世紀から存在していました。ただし、確立されているからといって、混乱しないわけではありません。これら 3 つの法則を理解することの一部は、それらを互いに解きほぐし、個々の事実をつなぎ合わせることです。
熱力学は、熱と、機械、電気、化学などのあらゆる形態のエネルギーとの関係を含む科学の一分野です。これは物理的な概念であるため、有形のシステムまたは機械を扱います。この情報を基礎として、研究者や科学者は今日知られている 3 つの法則を開発し始めました。
熱力学的法則の出現
産業革命の間、熱力学の法則が出現し始めました。マシンはそれ自体の熱で機能し、無期限に動作する手段を提供するべきだという考えがありました.
エンジニアは、作業機械の性質のために、後にその考えを除外しました.どのプロセスでも常に熱損失またはエネルギー変換が発生します。そこから、熱力学の法則が徐々に作用し始め、専門家がエネルギーと熱の特性を理解するのに役立ちました.
熱力学の第一法則
熱力学の第一法則は、エネルギーと熱の性質に焦点を当てています。それはおそらく最も一般的な法律です – 人々がそれを参照したり、学校で覚えたりするのを聞くかもしれません.それは、エネルギーを作り出すことも破壊することもできないと述べています。素粒子レベルでも、この法則は残っています。ただし、エネルギーを保存または転送することはできます。この概念により、科学者は E2 – E1 =Q – W という簡単な方程式を開発しました。
E は系の内部エネルギーを表します。 Q はシステムへの熱伝達を表し、W はシステムが実行する仕事です。この方程式は、システムの内部エネルギーの変化が熱伝達と仕事の差に等しいことを表しています。 Q と W はシステムとプロセスに依存しますが、E はそうではありません。代わりに、運動エネルギーまたは位置エネルギーのような内部エネルギーとして機能します。したがって、システムはプロセスに応じてこのエネルギーを保存または変更できます。
この法則の一部として、熱の流れがプロセスの段階に依存するという考えが不可欠です。この概念は明白に思えるかもしれませんが、より複雑になる可能性があります。初期状態と最終状態、およびプロセスは、熱流の量に影響を与え、最終状態の結果に影響を与えます。
たとえば、方程式をエンジンの部品に置き換えます。最初の法則は、内部エネルギーの変化に加えられたエンジンからの仕事の出力がその熱入力に等しいことを証明しています.
熱力学第二法則
熱力学の第 2 法則は、系のエントロピー、無秩序度、およびランダム性を追加することにより、第 1 法則の問題を複雑にします。システム内で利用できない、または使用できないエネルギーを表し、増加すると、使用可能なエネルギーが減少します。
エントロピーが熱力学系でどのように機能するかをよりよく理解するために、科学者は別の方程式 ΔS =ΔQ/T を開発しました。ここでも、Q はシステムへの熱伝達を表します。 T は温度を表し、S はエントロピーのレベルを表します。
エントロピーには、システムの崩壊が含まれます。これは自然に発生するものであり、無期限に実行できない理由の一部です。したがって、エネルギーはある時点で散逸します。粒子は継続的に膨張しようとしますが、最終的にはエントロピーが支配します.
第 2 の法則は、第 1 の法則のエンジンの例を取り上げ、それにエントロピーを追加します。しかし、それはどのように見えますか？まず、仕事のアウトプットがエネルギーのインプットを追い越すことはできないということを心に留めておいてください。たとえば、エンジンはそのエネルギーの 100% を仕事の出力に変換することはできません。一部が熱や音になるからです。次に、エントロピーはすべてのシステムに存在するため、エネルギーが移動すると、一部が使用できなくなります。この考えはエントロピーの根源であり、最終的にはますます広がっていきます.
エントロピーは運動や温度をどの程度遅くすることができますか?第三法則はその考えを拡張します。
熱力学の第三法則
熱力学の第三法則には、絶対零度の考え方が組み込まれています。絶対零度は、粒子の動きが可能な限り遅くなる、理論的に可能な最低温度です。パースペクティブでは、絶対零度はゼロ ケルビンです。 -459.67°F または -273.15°C に相当します。それが信じられないほど冷たいと思うなら、その通りです。絶対零度を達成することは不可能だからです。この温度では、システムに熱エネルギーは残りません。
エントロピーは常に増加しているため、絶対ゼロにはなりません。エネルギーは生成も破壊もできず、常に保存または転送されます。絶対ゼロでは、エントロピーもゼロに到達する必要があります。この法則を最もよく表している方程式には、他の法則の多くの要素が組み込まれていますが、異なる limT -> 0, S =0.
この方程式はより複雑に見えるかもしれませんが、変数は同じままです。 T は温度を表し、S はエントロピーのレベルを表します。しかし、それは正確にはどういう意味ですか？温度がゼロになると、エントロピーもゼロになる必要があります。ただし、ここでも絶対ゼロは不可能であり、残念ながら今後もそのままです。
固体、液体、気体のすべての物質は、常に分子レベルで動いています。絶対零度では、それらの分子と原子もゼロに到達する必要があります。ただし、エントロピーは継続的に拡大するため、絶対ゼロは不可能です。
熱力学のゼロ法則
熱力学のもう 1 つのあまり一般的でない法則は、0 番目の法則です。この法律は、他の法律よりも単純で統合されており、より規則的です。 A=B かつ A=C の場合、B=C となります。言い換えると、システム B がシステム A に等しく、システム C もシステム A に等しい場合、システム B と C も互いに等しくなります。
この法則は、科学者が方程式で温度を特定するのに役立ちました。その結果、A の温度が B と C に等しい場合、B と C は近くにあり、互いに熱平衡状態にあるときも同じ温度でなければなりません。 2 つのシステムは、互いに接触しているにもかかわらず熱を交換しない場合、熱平衡状態にあります。
それらが接触しているため、もう一方の温度に影響を与えません。一杯のコーヒーにミルクを入れることを考えてみてください。 2つは互いに熱平衡状態にあり、最終的にサンプル温度になります。 3番目のシステムが機能すると、他の2つと同じ温度になります。したがって、この法則は、研究者が温度を方程式に入れる際に温度の変数を理解し、導き出すのに役立ちました。
熱力学の重要性
熱力学とその法則は、化学、物理学、工学において重要な意味を持っています。エネルギー使用のための適切なシステムの開発、化学プロセス、自然反応、温度変換などの理解などに役立ちます。日常生活にも役立ちます。冷凍、空調、ボイラー、放射線などはすべて、熱力学と伝熱特性に基づいています。ラップトップやタブレットなどの小さなものも、熱とエネルギーの法則を使用します。
本質的に、熱力学はすべての基礎となります。それには、あらゆる有形物の一部である原子、粒子、エネルギー、エントロピーが含まれます。これらの法則がなければ、科学者はエネルギーと熱がどのように機能し、それらがシステム、物、人、その他すべてをどのように構成するかを理解できません.
