Legile termodinamicii: detaliate și explicate pas cu pas

Cu siguranță ați auzit vreodată conceptul de legile termodinamicii. Cunoscute și sub denumirea de principiile termodinamicii, aceste legi constituie baza fundamentală a fizicii legate de comportamentul căldurii, energiei și entropiei în sistemele termodinamice. În acest articol, vă vom explica în detaliu tot ce trebuie să știți despre cele patru legi ale termodinamicii, cum funcționează, originea și aplicarea lor în viața de zi cu zi.

Legile termodinamicii

Există patru legi ale termodinamicii, numerotate de la zero la a treia. Aceste legi sunt folosite pentru a descrie modul în care sistemele fizice din universul nostru funcționează și ce limitări există asupra proceselor energetice. Ele sunt cruciale pentru înțelegerea unor fenomene atât de importante precum transferul de căldură, echilibrul termic și creșterea entropiei, care este gradul de dezordine într-un sistem.
Fiecare dintre aceste legi are un accent specific. Deși ordinea formulării nu a fost cronologică, ele urmează în prezent o structură logică care ajută la înțelegerea mai clară a interacțiunilor energetice. Vom descrie fiecare dintre aceste legi și modul în care sunt aplicate în practică.

Prima lege a termodinamicii

Prima lege a termodinamicii, numită și legea conservării energiei, afirmă că energia nu poate fi creată sau distrusă, ci doar transformată. Mai simplu spus, cantitatea totală de energie dintr-un sistem izolat rămâne constantă, chiar dacă se poate schimba forma.
De exemplu, dacă furnizați o cantitate de energie sub formă de căldură unui sistem, creșterea energiei totale va fi egală cu suma muncii efectuate plus creșterea energiei sale interne. Această lege este fundamentală pentru aplicațiile energetice moderne, de la motoarele cu ardere internă la producția de energie electrică în instalațiile termodinamice.Exemplu practic: Imaginați-vă un motor de avion. Combustibilul reacționează chimic, eliberând energie sub formă de căldură, din care o parte este transformată în lucru pentru deplasarea elicelor. Deși o parte din această energie este disipată sub formă de căldură în mediu, energia totală este conservată, se schimbă doar de la o formă la alta.

A doua lege a termodinamicii

A doua lege a termodinamicii este cunoscută și sub numele de legea entropiei. Această lege afirmă că toate sistemele tind spre o stare de dezordine sau entropie mai mare. Pe măsură ce timpul trece, entropia universului crește mereu.
Aceasta înseamnă că în orice proces energetic, o parte din energie este întotdeauna disipată sub formă de căldură, determinând sistemele să se miște în mod natural către stări mai dezordonate. Un sistem nu poate fi niciodată 100% eficient, deoarece va exista întotdeauna o pierdere de energie utilizabilă.

Eexemplu practic: Dacă arzi o bucată de hârtie, materia se transformă în gaze și cenușă care nu pot fi recuperate. Acest proces este ireversibil, deoarece hârtia nu poate reveni la starea inițială. Aici a doua lege dezvăluie că dezordinea (entropia) sistemului a crescut.

În plus, această lege ajută la explicarea de ce fenomene precum mișcarea perpetuă sunt imposibile. Există întotdeauna o pierdere de energie pentru mediu, ceea ce împiedică o mașină să funcționeze pentru totdeauna fără o sursă externă de energie.

A treia lege a termodinamicii

A treia lege a termodinamicii afirmă că, la atingerea Zero absolut, entropia unui sistem tinde să fie minimă și constantă. Zero absolut este cea mai scăzută temperatură posibilă, echivalentă cu -273.15 °C sau 0 K pe scara Kelvin.

În teorie, la atingerea acestei temperaturi, particulele dintr-un sistem încetează să se miște, eliminând toată energia termică din acesta. Cu toate acestea, atingerea zeroului absolut este, în practică, imposibilă. Pe măsură ce ne apropiem de această temperatură, sistemele suferă modificări drastice ale proprietăților lor. De exemplu, unele materiale experimentează fenomene precum supraconductivitate sau superfluiditate.

Aplicație practică: Deși zero absolut nu poate fi atins, cercetările în fizică au condus la crearea unor tehnologii care profită de fenomenele materialelor la temperaturi apropiate, precum supraconductorii, care elimină aproape complet rezistența electrică.

Legea zero a termodinamicii

Legea zero a termodinamicii este cea mai recentă formulată, dar este crucială pentru fundamentarea celorlalte. Această lege spune că, dacă două sisteme sunt în echilibru termic cu un al treilea sistem, atunci acele două sisteme sunt, de asemenea, în echilibru termic unul cu celălalt. Aceasta înseamnă că, dacă nu există transfer de căldură între ele, atunci au aceeași temperatură.

Exemplu practic: Un termometru plasat într-un pahar cu apă măsoară temperatura lichidului. Când termometrul atinge aceeași temperatură cu apa, nu mai face schimb de căldură cu acesta. Acesta este un exemplu clasic al legii zero la locul de muncă.
Datorită acestei legi, putem defini și măsura temperatura obiectelor, care este esențială pentru toată fizica termodinamică.

Importanta tehnica: Fără legea zero, nu am fi capabili să stabilim conceptul de temperatură și nici să folosim dispozitive precum termometrele pentru măsurarea energiilor termice.

Acest set de patru legi ne permite să înțelegem cum funcționează energia în universul nostru, cum este transferată și cum o parte din ea se pierde inevitabil sub formă de entropie. Fără aceste legi, multe progrese tehnologice moderne, cum ar fi motoarele, centralele electrice și sistemele de refrigerare, nu ar fi posibile.