مفاهیم اصلی

سه قانون اساسی ترمودینامیک وجود دارد که با حرکت و انتقال انرژی سروکار دارد. بیایید در این آموزش با آنها آشنا شویم.

سیستم چیست؟

قبل از پرداختن به سه قانون ترمودینامیک، درک مفهوم یک سیستم و محیط اطراف بسیار مهم است.

ترمودینامیک زمانی که یک مرز مشخص ترسیم شود بسیار آسان تر می شود. هر چیزی که در داخل مرز باشد «سیستم» نامیده می‌شود و هر چیزی خارج از مرز «محدوده» نامیده می‌شود. هنگامی که نمودار مرزی ترسیم شد، حرکت و انتقال انرژی را می توان با علامت مشخص کرد جریان فراتر از مرزهای سیستم.

اصطلاح “جهان” فراگیر است. به عبارت دیگر، هم به سیستم و هم به محیط اطراف اشاره دارد.

قانون اول ترمودینامیک

قانون اول بقای انرژی است که به صورت خلاصه بیان می شود: انرژی را نمی توان ایجاد کرد یا از بین برد. به عبارت دیگر، انرژی کل جهان باید ثابت بماند.

∆U_کائنات = 0

با این حال، توجه به این نکته مهم است که انرژی اشکال مختلفی دارد. راه دیگر برای بیان مجدد قانون اول این است که بگوییم تغییر انرژی برابر است با جریان گرما در سراسر سیستم (Q) به اضافه کار انجام شده روی سیستم یا توسط سیستم (W).

∆E_سیستم = Q + W

δE = δQ + δدبلیو به شکل دیفرانسیل

بنابراین گرما و کار دو فرآیندی هستند که می توانند انرژی داخلی یک سیستم را تغییر دهند. اگر گرما به سیستم جریان یابد، Q مثبت است. این بدان معنی است که گرما توسط سیستم به دست می آید و همان مقدار گرما توسط محیط اطراف از دست می رود (واکنش گرماگیر). اگر گرما از سیستم خارج شود، Q منفی است. این بدان معنی است که گرمای از دست رفته توسط سیستم برابر با گرمای بدست آمده توسط محیط اطراف است (واکنش گرمازا).

همین ایده برای کار است. اگر محیط اطراف روی سیستم کار کند، کار مثبت است. اگر سیستم روی محیط اطرافش کار کند، کار منفی است. در هر صورت، انرژی کل حفظ می شود. در زیر خلاصه شده است:

قانون دوم ترمودینامیک

دومین قانون ترمودینامیک به این موضوع می پردازد آنتروپی و تا حدی قانون اول را محدود می کند. طبق قانون دوم، آنتروپی یک فرآیند خود به خود باید افزایش یابد و آنتروپی جهان همیشه باید افزایش یابد. این به این دلیل است که دستیابی به حداکثر آنتروپی به این معنی است که یک سیستم در حالت تعادل است. همه سیستم ها همیشه در تلاش هستند تا به تعادل برسند و انرژی آزاد گیبس خود را افزایش دهند.

∆S_کائنات > 0

فرآیندها می توانند اجازه دهند آنتروپی یک سیستم کاهش یابد، اما در آن صورت، آنتروپی محیط اطراف افزایش می یابد. این قانون دوم را نقض نمی کند.

∆S_کائنات = ∆S_سیستم + ∆S_{محیط اطراف}

فرآیندهای خود به خود

یک فرآیند خود به خودی اتفاق می افتد بدون هر ورودی طبق قانون دوم ترمودینامیک، در یک فرآیند خود به خود، آنتروپی باید افزایش یابد. شما می توانید آنتروپی را به عنوان رسیدن به تعادل یا افزایش بی نظمی یک سیستم درک کنید.

یک مثال از یک فرآیند خود به خود انتقال گرما از یک جسم گرم به یک جسم سرد است. گرما به طور طبیعی بدون هیچ ورودی خارجی از گرم به سرد منتقل می شود زیرا سیستم کلی سعی می کند به دمای یکنواخت برسد.

با خروج گرما از سیستم سیستم گرم، آنتروپی خود کاهش می یابد و با ورود به سیستم سرد، آنتروپی آن افزایش می یابد. این یک روند خود به خودی است.

از سوی دیگر، یک فرآیند غیر خود به خودی فرآیندی است که در آن آنتروپی کاهش می یابد.

توجه داشته باشید که خودانگیختگی به سرعت اشاره نمی کند! به فرآیندی اشاره دارد که به طور طبیعی بدون تداخل اتفاق می افتد. یک فرآیند خود به خودی می تواند در واقع سرعت واکنش بسیار آهسته ای داشته باشد.

قانون سوم ترمودینامیک

قانون سوم ترمودینامیک معتقد است که آنتروپی یک سیستم با نزدیک شدن دمای آن به صفر مطلق به یک مقدار ثابت نزدیک می شود. این قانون عموماً برای یک ماده خالص در ساختار کاملاً کریستالی اعمال می شود، زیرا حداقل انرژی آن اجازه می دهد تا به آنتروپی صفر نزدیک شود.

بیشتر خواندن

معادله قانون هس
آنتالپی باند و انرژی باند
عناصر شیمیایی