Zasady termodynamiki

Tak, jak zasady dynamiki Newtona stanowią fundament mechaniki klasycznej, tak zasady termodynamiki stanowią podstawę działu fizyki nazywanego Termodynamiką. Termodynamika zajmuje się badaniem zjawisk fizycznych, którym towarzyszy proces wymiany energii pomiędzy dowolnym układem a otoczeniem oraz wszelkich procesów energetycznych odbywających się w obrębie takiego układu.

Zerowa zasada termodynamiki

Jeżeli układ X znajduje się w równowadze termodynamicznej z układem Z oraz układ Y znajduje się w równowadze termodynamicznej z układem Z, to układ X znajduje się także w równowadze termodynamicznej z układem Y.

Stan równowagi termodynamicznej osiągnięty np. pomiędzy dwoma ciałami oznacza, że temperatury tych ciał są jednakowe.

Pierwsza zasada termodynamiki

Zmiana energii wewnętrznej układu jest równa ciepłu przekazanemu z zewnątrz, bądź odebranemu od takiego układu oraz pracy wykonanej nad, bądź przez taki układ.

Matematyczny zapis pierwszej zasady termodynamiki przedstawia się następująco:

$$\Delta \hspace{.1cm}U = Q \hspace{.05cm} + \hspace{.05cm} W$$

gdzie:
ΔU – zmiana energii wewnętrznej układu,
Q – ciepło dostarczone (Q > 0), bądź odebrane (Q < 0) od układu,
W – praca wykonana nad układem (W > 0), bądź przez taki układ (W < 0).

Pierwsza zasada termodynamiki jest swoistą zasadą zachowania energii dla układów termodynamicznych. W układzie izolowanym, czyli układzie nie wymieniającym energii oraz masy z otoczeniem, energia nigdy nie jest tracona; co najwyżej może ulec przekształceniu do innej formy energii.

Pierwszą zasadę termodynamiki możemy również sformułować następująco:

Perpetuum mobile pierwszego rodzaju

Niemożliwym jest zbudowanie perpetuum mobile pierwszego rodzaju, czyli urządzenia, które pracowałoby w sposób ciągły bez pobierania z zewnątrz energii.

Pomimo usilnych starań niezliczonej rzeszy osób przeczących powyższej definicji, nie udało się i z całą pewnością nie uda się zbudować perpetuum mobile pierwszego rodzaju. Moim ulubionym przykładem „urządzenia” spełniającego pierwszą zasadę termodynamiki jest człowiek. Spożywanie jedzenia to proces dostarczania energii (przekaz energii z zewnątrz w postaci pokarmu), który jest nieodłącznym elementem utrzymującym nas przy życiu, bez którego wykonywanie jakichkolwiek czynności (praca wykonywana przez układ) przez dłuższy okres czasu stałoby się niemożliwe. Tak więc w myśl pierwszej zasady termodynamiki człowiek, ściślej organizm ludzki, jest przykładem układu termodynamicznego!

Druga zasada termodynamiki

Ciepło może być zamienione na pracę tylko wtedy, gdy ciepło kosztem, którego pracuje silnik cieplny pochodzi ze źródła o temperaturze przewyższającej temperaturę otoczenia.

Druga zasada termodynamiki została sformułowana w 1824 roku przez francuskiego fizyka Sadiego Carnot (1796-1832), na podstawie obserwacji zachowania się maszyn cieplnych. Z drugiej zasady termodynamiki wynika następujący wniosek:

Perpetuum mobile drugiego rodzaju

Niemożliwym jest zbudowanie perpetuum mobile drugiego rodzaju, czyli urządzenia, które pracowałoby w sposób ciągły pobierając energię (ciepło) tylko i wyłącznie ze źródła o temperaturze niższej od najzimniejszego ciała w jego najbliższym otoczeniu.

Inne sformułowania drugiej zasady termodynamiki

Druga zasada termodynamiki – inne sformułowania

Niemożliwym jest samorzutny przepływ ciepła od ciała mniej ogrzanego do ciała gorętszego.

— Rudolf Clausius (1822 – 1888)

Niemożliwe jest otrzymywanie pracy mechanicznej z jakiegokolwiek układu materialnego przez oziębienie go poniżej temperatury ciała najzimniejszego znajdującego się w jego otoczeniu.

— Lord Kelvin (1824 – 1907)

Niemożliwe jest zbudowanie maszyny, która pracowałaby w sposób ciągły kosztem oziębiania jednego zbiornika ciepła bez żadnego innego efektu.

— Max Planck (1858 – 1947)

Nie istnieją w przyrodzie procesy, których jedynym wynikiem byłoby stałe czerpanie ciepła tylko z jednego zbiornika połączone z równoczesnym wykorzystaniem ciepła na pracę mechaniczną. Moc takich urządzeń będzie dążyć do zera.

— Marian Smoluchowski (1872 – 1917)

Trzecia zasada termodynamiki

Entropia S dowolnego układu w temperaturze zera bezwzględnego (0 K = – 273,15 ^oC) dąży do zera.

Matematyczny zapis trzeciej zasady termodynamiki:

$$\lim\limits_{T \to 0} \hspace{.05cm} S = 0$$