熱力学の法則
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と呼ばれる科学の分野 熱力学 転送できるシステムを扱っています 熱エネルギー エネルギーの少なくとも 1 つの他の形態 (機械、電気など) または仕事に。熱力学の法則は、熱力学系が動くときに従う最も基本的な規則のいくつかとして、何年にもわたって開発されました。 ある種のエネルギー変化によって .
熱力学の歴史
熱力学の歴史は、1650 年にオットー フォン ゲリケが世界で初めて真空ポンプを製造し、マクデブルク半球を使って真空を実証したことから始まります。ゲリケは、「自然は真空を嫌う」というアリストテレスの長年の仮説を反証するために、真空を作るよう駆り立てられました。ゲリケのすぐ後、イギリスの物理学者で化学者のロバート・ボイルがゲリケの設計を知り、1656 年にイギリスの科学者ロバート・フックと協力して空気ポンプを作った。ボイルとフックは、このポンプを使用して、圧力、温度、および体積の相関関係に気付きました。やがて、圧力と体積は反比例するというボイルの法則が定式化されました。
熱力学の法則の結果
の熱力学の法則述べたり理解したりするのはかなり簡単な傾向があります...そのため、それらが与える影響を過小評価するのは簡単です.とりわけ、宇宙でのエネルギーの使用方法に制約を課しています。この概念がいかに重要であるかを強調しすぎることはありません。熱力学の法則の結果は、何らかの形で科学的調査のほぼすべての側面に影響を与えます。
熱力学の法則を理解するための重要な概念
熱力学の法則を理解するには、それらに関連する他の熱力学の概念を理解することが不可欠です。
- 熱力学の概要 - 熱力学分野の基本原理の概要
- 熱エネルギー - 熱エネルギーの基本的な定義
- 温度- 温度の基本的な定義
- 熱伝達入門 - さまざまな熱伝達方法の説明。
- 熱力学プロセス - 熱力学の法則は、熱力学系がある種のエネルギー伝達を経るとき、熱力学プロセスにほとんど適用されます。
熱力学法則の発展
エネルギーの明確な形態としての熱の研究は、1798 年頃、イギリスの軍事技術者であるベンジャミン トンプソン卿 (ランフォード伯爵としても知られる) が、行われた仕事の量に比例して熱が生成される可能性があることに気付いたときに始まりました...最終的に熱力学の第一法則の結果となる概念。
フランスの物理学者サディ カルノーは、1824 年に熱力学の基本原理を最初に定式化しました。 カルノーサイクル 熱機関は最終的に、ドイツの物理学者ルドルフ・クラウジウスによって熱力学の第 2 法則に変換されます。彼はまた、熱力学の第 1 法則の定式化にも頻繁に貢献しています。
19 世紀に熱力学が急速に発展した理由の 1 つは、産業革命中に効率的な蒸気エンジンを開発する必要があったことです。
速度論と熱力学の法則
熱力学の法則は、特定の方法と理由には特に関係していません。 熱伝達の 、これは、原子理論が完全に採用される前に定式化された法則にとって意味があります。それらは、システム内のエネルギーと熱の遷移の合計を扱い、原子または分子レベルでの熱伝達の特定の性質を考慮していません。
熱力学のゼロ法則
これ ゼロス法 熱平衡の一種の推移的な性質です。数学の推移的な性質によると、A = B かつ B = C の場合、A = C となります。熱平衡状態にある熱力学系についても同じことが言えます。
ゼロ次の法則の帰結の 1 つは、温度何の意味もありません。温度を測るには、 熱平衡 温度計全体、温度計内部の水銀、および測定対象の物質の間に到達する必要があります。これにより、物質の温度を正確に知ることができます。
この法則は、熱力学研究の多くの歴史を通じて明確に述べられることなく理解され、20 世紀の初めにそれ自体が法則であることが認識されました。イギリスの物理学者 Ralph H. Fowler は、他の法則よりも根本的なものであるという信念に基づいて、「ゼロ次の法則」という用語を最初に作り出しました。
熱力学の第一法則
これは複雑に聞こえるかもしれませんが、実際には非常に単純なアイデアです。システムに熱を加えた場合、できることは 2 つだけです。 内部エネルギー システムの機能またはシステムを機能させる (または、もちろん、この 2 つの組み合わせ)。すべての熱エネルギーは、これらのことを行うために使用する必要があります。
第一法則の数学的表現
物理学者は通常、熱力学の第一法則の量を表すために統一された規則を使用します。彼らです：
- の 1 (または の i) = プロセス開始時の初期内部エネルギー
- の 2 (または の f) = プロセス終了時の最終内部エネルギー
- デルタ- の = の 2 - の 1 = 内部エネルギーの変化 (内部エネルギーの開始と終了の詳細が無関係な場合に使用)
- Q = に伝達される熱 ( Q > 0) または ( のうち Q <0) the system
- の = 仕事 システムによって実行されます ( の > 0) またはシステム ( の <0).
これにより、非常に有用であることが証明された最初の法則の数学的表現が得られ、いくつかの有用な方法で書き直すことができます。
の分析 熱力学的プロセス 、少なくとも物理教室の状況内では、一般に、これらの量の1つが0であるか、少なくとも合理的な方法で制御可能である状況を分析する必要があります。たとえば、 断熱過程 、熱伝達 ( Q ) は 0 に等しい アイソコリックプロセス 作品 （ の ) は 0 です。
第一法則とエネルギー保存
の 第一法 熱力学の理論は、エネルギー保存の概念の基礎として多くの人に見られています。基本的に、システムに入るエネルギーは途中で失われることはありませんが、何かを行うために使用する必要があります...この場合、内部エネルギーを変更するか、仕事を実行します.
この観点からすると、熱力学の第一法則は、これまでに発見された中で最も広範囲にわたる科学的概念の 1 つです。
熱力学第二法則
熱力学第二法則: 熱力学第二法則は、すぐに説明するように、多くの方法で定式化されますが、基本的には、物理学の他のほとんどの法則とは異なり、何かを行う方法ではなく、配置のみを扱う法則です。できることの制限。
それは、自然が私たちに多くの努力を払わなければ特定の種類の結果を得るのを制限しているという法則であり、そのため、自然と密接に関係しています. エネルギー保存の概念 、熱力学の第一法則と同じです。
実際のアプリケーションでは、この法則は、 熱機関 または熱力学の原理に基づく同様のデバイスは、理論上でも 100% 効率的ではありません。
この原理は、フランスの物理学者でエンジニアのサディ・カルノーによって初めて解明されました。 カルノーサイクル エンジンは 1824 年に開発され、後に公式化された 熱力学の法則として ドイツの物理学者ルドルフ・クラウジウスによる。
エントロピーと熱力学第二法則
熱力学の第 2 法則は、物理学の分野以外ではおそらく最も人気のあるものです。 エントロピ または熱力学的プロセス中に作成された障害。エントロピーに関する声明として再定式化された第 2 法則は、次のようになります。
言い換えれば、閉じたシステムでは、システムが熱力学的プロセスを通過するたびに、システムが以前とまったく同じ状態に完全に戻ることは決してありません.これは、 時の矢 宇宙のエントロピーは、熱力学第二法則に従って常に増加するからです。
その他の第二法則の定式化
全体を通して同じ温度にある熱源から抽出された熱を変換することだけが最終的な結果となる循環変換は不可能です。 - スコットランドの物理学者ウィリアム・トンプソン (ある温度の物体からより高い温度の物体に熱を伝達することだけが最終結果となる循環変換は不可能です。 - ドイツの物理学者ルドルフ・クラウジウス
上記の熱力学第 2 法則の定式化はすべて、同じ基本原理の同等のステートメントです。
熱力学の第三法則
熱力学の第三法則は本質的に、 絶対の 温度スケール、 絶対零度 は、固体の内部エネルギーが正確に 0 になるポイントです。
さまざまなソースが、熱力学の第 3 法則の次の 3 つの潜在的な定式化を示しています。
- 有限の一連の操作でシステムを絶対ゼロに減らすことは不可能です。
- 最も安定した形の元素の完全な結晶のエントロピーは、温度が絶対零度に近づくにつれてゼロになる傾向があります。
- 温度が絶対零度に近づくと、システムのエントロピーは定数に近づきます
第三法則の意味
第 3 法則はいくつかのことを意味します。ここでも、どれだけ考慮に入れるかによって、これらの定式化はすべて同じ結果になります。
式 3 は、エントロピーが定数になることを示しているだけで、制約が最も少ないです。実際、この定数はゼロ エントロピーです (定式化 2 で述べたように)。ただし、物理システムの量子制約により、最小の量子状態に崩壊しますが、エントロピーを完全に 0 に減らすことはできません。したがって、有限数のステップで物理システムを絶対ゼロに減らすことは不可能です (これは式 1) が得られます。