Legile termodinamicii

LEGILE TERMODINAMICII Cand doua sisteme termodinamice sunt in echilibru, ele au unele proprietati comune, care pot fi masurate si le putem atribui valori numerice. Una din consecintele acestui fapt este legea 0 a termodinamicii, care ne spune ca atunci cand doua sisteme sunt in echilibru termodinamic cu un al treilea, ele trebuie sa fie in echilibru unul cu altul. Aceasta proprietate comuna a echilibrului este temperatura.

Daca un sistem este pus in contact cu un mediu infinit, care are o anumita temperatura, atunci sistemul va intra in echilibru cu acel mediu dupa un anumit timp, adica va ajunge laaceeasi temperatiura. (Termenul de mediu infinit este o abstractie matematica numita rezervor termic; in realitate mediul trebuie doar sa fie mare comparativ cu sistemul studiat).

Temperatura este masurata cu instrumente numite termometre. Un termometru contine o substanta care identifica, convenabil stari reproductibile, cum ar fi punctul de inghet sau de fierbere a apei. Daca avem o scala gradata intre      cele doua puncte, temperatura oricarui sistem poate fi determinata aducand sistemul in contact termic cu termometrul.

PRIMA LEGE A TERMODINAMICII Prima lege a termodinamicii da o definitie caldurii, un concept comun.

Cand un obiect este pus in contact cu un obiect relativ mai rece, are loc un proces care egalizeaza temperaturile corpurilor. Pentru a explica acest fenomen, oamenii de stiinta din secolul al 18-lea si-au imaginat o substanta mai abundenta si la o temperatura mai mare, care curge spre o regiune cu temperatura mai scazuta. Aceasta substanta ipotetica, numita "calorica" trebuia sa fie un fluid capabil sa se miste intr-un mediu material. Cu toate acestea, prima lege a termodinamicii identifica, caldura ca o forma de energie. Ea poate fi transformata in lucru mecanic si poate fi inmagazinata, dar nu este o substanta materiala. Caldura a fost masurata initial in calorii, apoi ca energie, masurata in ergi, dar s-a aratat experimental ca cele doua unitati de masura sunt echivalente. O calorie este echivalentul a 4.186 10^{7 ergi, sau 4.186 jouli.}

Prin urmare, prima lege esteo lege a conservarii energiei. Ea ne spune ca, deoarece energia nu poate fi creata sau distrusa, cantitate de caldura transferata intr-un sistem plus lucrul mecanic efectuat de sistem rezulta intr-o crestere corespunzatoare a energiei interne a sistemului. Caldura si lucrul mecanic sunt mecanisme prin care sistemele schimba energie intre ele.

In orice masina termica o cantitate de caldura este transformata in lucru mecanic, prin urmare nu poate exista o masina in care nu se transforma energie in lucru mecanic. Aceasta masina ipotetica (in care nu este neceasara energie pentru a efectua lucru mecanic) eete denumita "perpetuum mobile de speta I". Legea conservarii energiei ne spune ca o asemenea masina nu poate fi inventata.

LEGEA A II-A A TERMODINAMICII Legea a doua a termodinamicii ne da o definitie precisa a unei proprietati numita entropie. Entropia poate fi imaginata ca o masura care ne arata cat de aproape este un sistem de echilibru. Legea ne spune ca ca entropia unui sistem izolat nu poate descreste.Totusi cand un sistem acunge la o configuratie cu entropie maxima, nu mai poate suferi schimbari: a ajuns la o stare de echilibru. Natura pare totusi sa "prefere" dezordinea si haosul. Legea a doua stipuleaza ca, in absenta lucrului mecanic, caldura nu poate fi transferata de la o regiune cu temperatura mai joasa la una cu temperatura mai ridicata. Legea a doua poseda o conditie aditionala in procesele termodinamice. Nu este destul sa conservi energie si prin asta sa respecti prima lege. O masina care ar functiona violand legea a doua a termodinamicii este numita "perpetuum mobile de speta a doua pentru ca ar putea, de exemplu, sa extraga continuu energie dintr-un mediu rece pentru a efectua lucru mecanic intr-un mediu fierbinte fara nici un cost.

CICLURI TERMODINAMICE
Toate relatiile termodinamice folosite in inginerie deriva din prima sau a doua lege a termodinamicii. Intr-un ciclu termodinamic se pot distinge procesele care returneaza sistemul la starea sa initiala dupa un numar de transformari , aducand valorile tuturor variabilelor relevante la valoarea initiala. Intr-un ciclu complet, energia interna a unui sistem depinde numai de aceste variabile si nu-si poate schimba valoarea. Cu toate acestea caldura neta a sistemului trebuie sa fie egala cu lucrul mecanic efectuat de sistem.

Un ciclu ideal ar fi pus in aplicatie de un motor perfect eficient. In secolul al XIX-lea omul de stiinta francez Nicolas Lonard Sadi Carnot, care a conceput un ciclu termodinamic, care sta la baza tuturor motoarelor cu caldura de astazi, a aratat ca un asemenea ciclu ideal nu poate exista.
Legea a doua pune lumita superioara in eficienta motoarelor, care este mai mica de 100%.

LEGEA A TREIA A TERMODINAMICII

Legea a doua sugereaza existenta unei scali de temperatura absoluta care include zero absolut. Legea a treia ne spune ca zero absolut nu poate fi obtinut intr-un numar finit de pasi. Zero absolut nu poate fi atins niciodata, dar ne putem apropia arbitrar de aceasta valoare.

BAZELE MICROSCOPICE A TERMODINAMICII

Faptul ca materia este formata din molecule a pus bazele unei fundatii microscopice a termodinamicii. Un sistem termodinamic constand dintr-o substanta pura poate fi descris ca o colectie de molecule cu proprietati identice. Cel putin in principiu ar fi posibil sa derivam proprietatile colective ale unui sistem rezolvand ecuatia miscarii moleculelor. Obiectele de marime normala contin un numar imens de molecule(de ordinul a Presupunand ca moleculele sunt sferice, fiecare araavea nevoie de trei variabile pentru a-i descrie pozitia si inca trei pentru a-i descrie viteza. O solutie completa a ecuatiei ne-ar spune unde se afla fiecare molecula si ce face in fiecare moment. O asemenea cantitate vasta de informatii ar fi prea detaliata si de scurta durata pentru a fi folositoare.

Experimentele statistice au obtinut valorile medii a variabilelor mecanice a sistemului. Vazuta din punct de vedere statistic, temperatura reprezinta valoarea medie a energiei cinetice a moleculelor din sistem. Cresterea temperaturii are ca rezultat cresterea in vigoare a miscarii moleculare. Cand doua sisteme sunt in contact, energia este transferata intre molecule ca rezultat al ciocnirilor. Transferul va continua pana cant este atinsa uniformitatea, care corespunde in termeni statistici echilibrului termic. Temperatura poate fi redusa luand energie din sistem, reducand vigoarea miscarii moleculelor. Zero absolut corespunde starii in care toti constituentii sistemului sunt in repaus. Aceasta este o axioma a fizicii clasice. O analiza statistica arata ca mai exista miscare inertiala chiar si la zero absolut.