Wetten van thermodynamica

De tak van de wetenschap genaamd thermodynamica houdt zich bezig met systemen die in staat zijn om thermische energie over te dragen naar ten minste één andere vorm van energie (mechanisch, elektrisch, enz.) Of naar werk. De wetten van de thermodynamica zijn in de loop der jaren ontwikkeld als een van de meest fundamentele regels die worden gevolgd wanneer een thermodynamisch systeem een ​​soort van energiewijziging doormaakt.

Geschiedenis van de thermodynamica

De geschiedenis van de thermodynamica begint met Otto von Guericke die in 1650 de eerste vacuümpomp ter wereld bouwde en een vacuüm demonstreerde met behulp van zijn halfrond in Magdeburg. Guericke werd gedreven om een ​​vacuüm te maken om de lang bestaande veronderstelling van Aristoteles te weerleggen dat 'de natuur een vacuüm verafschuwt'. Kort na Guericke had de Engelse natuurkundige en scheikundige Robert Boyle kennis genomen van de ontwerpen van Guericke en bouwde hij in 1656 in samenwerking met de Engelse wetenschapper Robert Hooke een luchtpomp. Met deze pomp merkten Boyle en Hooke een verband tussen druk, temperatuur en volume. Na verloop van tijd werd de wet van Boyle geformuleerd, waarin staat dat druk en volume omgekeerd evenredig zijn. 

Gevolgen van de wetten van de thermodynamica

De wetten van de thermodynamica zijn meestal vrij eenvoudig te verklaren en te begrijpen ... zozeer dat het gemakkelijk is om de impact ervan te onderschatten. Ze leggen onder andere beperkingen op hoe energie in het universum kan worden gebruikt. Het zou heel moeilijk zijn om te benadrukken hoe belangrijk dit concept is. De gevolgen van de wetten van de thermodynamica raken op een of andere manier bijna elk aspect van wetenschappelijk onderzoek.

Sleutelconcepten voor het begrijpen van de wetten van de thermodynamica

Om de wetten van de thermodynamica te begrijpen, is het essentieel om een ​​aantal andere thermodynamische concepten te begrijpen die daarop betrekking hebben.

• Thermodynamica Overzicht - een overzicht van de basisprincipes van het gebied van thermodynamica
• Warmte-energie - een basisdefinitie van warmte-energie
• Temperatuur - een basisdefinitie van temperatuur
• Inleiding tot warmteoverdracht - een uitleg van verschillende methoden voor warmteoverdracht.
• Thermodynamische processen - de wetten van de thermodynamica zijn meestal van toepassing op thermodynamische processen, wanneer een thermodynamisch systeem een ​​soort energetische overdracht doormaakt.

Ontwikkeling van de wetten van de thermodynamica

De studie van warmte als een aparte vorm van energie begon in ongeveer 1798 toen Sir Benjamin Thompson (ook bekend als graaf Rumford), een Britse militaire ingenieur, merkte dat warmte kon worden gegenereerd in verhouding tot de hoeveelheid werk die werd verricht ... een fundamenteel concept dat zou uiteindelijk een gevolg worden van de eerste wet van de thermodynamica.

De Franse natuurkundige Sadi Carnot formuleerde voor het eerst een basisprincipe van thermodynamica in 1824. De principes die Carnot gebruikte om zijn Carnot cyclus warmtemotor zou zich uiteindelijk vertalen in de tweede wet van de thermodynamica door de Duitse fysicus Rudolf Clausius, die ook vaak wordt gecrediteerd met de formulering van de eerste wet van de thermodynamica.

Een deel van de reden voor de snelle ontwikkeling van de thermodynamica in de negentiende eeuw was de noodzaak om efficiënte stoommachines te ontwikkelen tijdens de industriële revolutie.

Kinetische theorie en de wetten van de thermodynamica

De wetten van de thermodynamica houden zich niet specifiek bezig met het specifieke hoe en waarom van warmteoverdracht, wat logisch is voor wetten die werden geformuleerd voordat de atoomtheorie volledig werd aangenomen. Ze gaan over de som van energie- en warmtetransities in een systeem en houden geen rekening met de specifieke aard van warmtetransfer op atomair of moleculair niveau.

De nulwet van de thermodynamica

Deze nul-wet is een soort overgangseigenschap van thermisch evenwicht. De transitieve eigenschap van wiskunde zegt dat als A = B en B = C, dan A = C. Hetzelfde geldt voor thermodynamische systemen die in thermisch evenwicht zijn.

Een gevolg van de zeroeth-wet is het idee dat het meten van temperatuur enige betekenis heeft. Om de temperatuur te meten, moet een thermisch evenwicht worden bereikt tussen de thermometer als geheel, het kwik in de thermometer en de stof die wordt gemeten. Dit resulteert op zijn beurt in het nauwkeurig kunnen vertellen wat de temperatuur van de stof is.

Deze wet werd begrepen zonder expliciet te worden vermeld door een groot deel van de geschiedenis van de thermodynamica-studie, en het werd pas gerealiseerd dat het een wet op zichzelf was aan het begin van de 20e eeuw. Het was de Britse natuurkundige Ralph H. Fowler die voor het eerst de term 'nul wet' bedacht, gebaseerd op een overtuiging dat het zelfs fundamenteler was dan de andere wetten.

De eerste wet van de thermodynamica

Hoewel dit misschien ingewikkeld klinkt, is het echt een heel eenvoudig idee. Als u warmte toevoegt aan een systeem, kunt u slechts twee dingen doen: de interne energie van het systeem wijzigen of ervoor zorgen dat het systeem werkt (of natuurlijk een combinatie van beide). Alle warmte-energie moet deze dingen doen.