Thermodynamics I INTRODUCTION Thermodynamics, field of physics that describes and correlates the physical properties of macroscopic systems of matter and energy. The principles of thermodynamics are of fundamental importance to all branches of science and engineering. A central concept of thermodynamics is that of the macroscopic system, defined as a geometrically isolable piece of matter in coexistence with an infinite, unperturbable environment. The state of a macroscopic system in equilibrium can be described in terms of such measurable properties as temperature, pressure, and volume, which are known as thermodynamic variables. Many other variables (such as density, specific heat, compressibility, and the coefficient of thermal expansion) can be identified and correlated, to produce a more complete description of an object and its relationship to its environment. When a macroscopic system moves from one state of equilibrium to another, a thermodynamic process is said to take place. Some processes are reversible and others are irreversible. The laws of thermodynamics, discovered in the 19th century through painstaking experimentation, govern the nature of all thermodynamic processes and place limits on them. II ZEROTH LAW OF THERMODYNAMICS The vocabulary of empirical sciences is often borrowed from daily language. Thus, although the term temperature appeals to common sense, its meaning suffers from the imprecision of nonmathematical language. A precise, though empirical, definition of temperature is provided by the so-called zeroth law of thermodynamics as explained below. When two systems are in equilibrium, they share a certain property. This property can be measured and a definite numerical value ascribed to it. A consequence of this fact is the zeroth law of thermodynamics, which states that when each of two systems is in equilibrium with a third, the first two systems must be in equilibrium with each other. This shared property of equilibrium is the temperature. If any such system is placed in contact with an infinite environment that exists at some certain temperature, the system will eventually come into equilibrium with the environment—that is, reach the same temperature. (The so-called infinite environment is a mathematical abstraction called a thermal reservoir; in reality the environment need only be large relative to the system being studied.) Temperatures are measured with devices called thermometers (see Thermometer). A thermometer contains a substance with conveniently identifiable and reproducible states, such as the normal boiling and freezing points of pure water. If a graduated scale is marked between two such states, the temperature of any system can be determined by having that system brought into thermal contact with the thermometer, provided that the system is large relative to the thermometer. III FIRST LAW OF THERMODYNAMICS The first law of thermodynamics gives a precise definition of heat, another commonly used concept. When an object is brought into contact with a relatively colder object, a process takes place that brings about an equalization of temperatures of the two objects. To explain this phenomenon, 18th-century scientists hypothesized that a substance more abundant at higher temperature flowed toward the region at a lower temperature. This hypothetical substance, called “caloric,” was thought to be a fluid capable of moving through material media. The first law of thermodynamics instead identifies caloric, or heat, as a form of energy. It can be converted into mechanical work, and it can be stored, but is not a material substance. Heat, measured originally in terms of a unit called the calorie, and work and energy, measured in ergs, were shown by experiment to be totally equivalent. One calorie is equivalent to 4.186 × 107 ergs, or 4.186 joules. The first law, then, is a law of energy conservation. It states that, because energy cannot be created or destroyed—setting aside the later ramifications of the equivalence of mass and energy (see Nuclear Energy)—the amount of heat transferred into a system plus the amount of work done on the system must result in a corresponding increase of internal energy in the system. Heat and work are mechanisms by which systems exchange energy with one another. In any machine some amount of energy is converted into work; therefore, no machine can exist in which no energy is converted into work. Such a hypothetical machine (in which no energy is required for performing work) is termed a “perpetual-motion machine of the first kind.” Since the input energy must now take heat into account (and in a broader sense chemical, electrical, nuclear, and other forms of energy as well), the law of energy conservation rules out the possibility of such a machine ever being invented. The first law is sometimes given in a contorted form as a statement that precludes the existence of perpetual-motion machines of the first kind. IV SECOND LAW OF THERMODYNAMICS The second law of thermodynamics gives a precise definition of a property called entropy. Entropy can be thought of as a measure of how close a system is to equilibrium; it can also be thought of as a measure of the disorder in the system. The law states that the entropy—that is, the disorder—of an isolated system can never decrease. Thus, when an isolated system achieves a configuration of maximum entropy, it can no longer undergo change: It has reached equilibrium. Nature, then, seems to “prefer” disorder or chaos. It can be shown that the second law stipulates that, in the absence of work, heat cannot be transferred from a region at a lower temperature to one at a higher temperature. The second law poses an additional condition on thermodynamic processes. It is not enough to conserve energy and thus obey the first law. A machine that would deliver work while violating the second law is called a “perpetual-motion machine of the second kind,” since, for example, energy could then be continually drawn from a cold environment to do work in a hot environment at no cost. The second law of thermodynamics is sometimes given as a statement that precludes perpetual-motion machines of the second kind. V THERMODYNAMIC CYCLES All important thermodynamic relations used in engineering are derived from the first and second laws of thermodynamics. One useful way of discussing thermodynamic processes is in terms of cycles—processes that return a system to its original state after a number of stages, thus restoring the original values for all the relevant thermodynamic variables. In a complete cycle the internal energy of a system depends solely on these variables and cannot change. Thus, the total net heat transferred to the system must equal the total net work delivered from the system. An ideal cycle would be performed by a perfectly efficient heat engine—that is, all the heat would be converted to mechanical work. The 19th-century French scientist Nicolas Léonard Sadi Carnot, who conceived a thermodynamic cycle that is the basic cycle of all heat engines, showed that such an ideal engine cannot exist. Any heat engine must expend some fraction of its heat input as exhaust. The second law of thermodynamics places an upper limit on the efficiency of engines; that upper limit is less than 100 percent. The limiting case is now known as a Carnot cycle. VI THIRD LAW OF THERMODYNAMICS The second law suggests the existence of an absolute temperature scale that includes an absolute zero of temperature. The third law of thermodynamics states that absolute zero cannot be attained by any procedure in a finite number of steps. Absolute zero can be approached arbitrarily closely, but it can never be reached. VII MICROSCOPIC BASIS OF THERMODYNAMICS The recognition that all matter is made up of molecules provided a microscopic foundation for thermodynamics. A thermodynamic system consisting of a pure substance can be described as a collection of like molecules, each with its individual motion describable in terms of such mechanical variables as velocity and momentum. At least in principle, it should therefore be possible to derive the collective properties of the system by solving equations of motion for the molecules. In this sense, thermodynamics could be regarded as a mere application of the laws of mechanics to the microscopic system. Objects of ordinary size—that is, ordinary on the human scale—contain immense numbers (on the order of 1024) of molecules. Assuming the molecules to be spherical, each would need three variables to describe its position and three more to describe its velocity. Describing a macroscopic system in this way would be a task that even the largest modern computer could not manage. A complete solution of these equations, furthermore, would tell us where each molecule is and what it is doing at every moment. Such a vast quantity of information would be too detailed to be useful and too transient to be important. Statistical methods were devised therefore to obtain averages of the mechanical variables of the molecules in a system and to provide the gross features of the system. These gross features turn out to be, precisely, the macroscopic thermodynamic variables. The statistical treatment of molecular mechanics is called statistical mechanics, and it anchors thermodynamics to mechanics. Viewed from the statistical perspective, temperature represents a measure of the average kinetic energy of the molecules of a system. Increases in temperature reflect increases in the vigor of molecular motion. When two systems are in contact, energy is transferred between molecules as a result of collisions. The transfer will continue until uniformity is achieved, in a statistical sense, which corresponds to thermal equilibrium. The kinetic energy of the molecules also corresponds to heat and—together with the potential energy arising from interaction between molecules—makes up the internal energy of a system. The conservation of energy, a well-known law of mechanics, translates readily to the first law of thermodynamics, and the concept of entropy translates into the extent of disorder on the molecular scale. By assuming that all combinations of molecular motion are equally likely, thermodynamics shows that the more disordered the state of an isolated system, the more combinations can be found that could give rise to that state, and hence the more frequently it will occur. The probability of the more disordered state occurring overwhelms the probability of the occurrence of all other states. This probability provides a statistical basis for definitions of both equilibrium state and entropy. Finally, temperature can be reduced by taking energy out of a system, that is, by reducing the vigor of molecular motion. Absolute zero corresponds to the state of a system in which all its constituents are at rest. This is, however, a notion from classical physics. In terms of quantum mechanics, residual molecular motion will exist even at absolute zero. An analysis of the statistical basis of the third law goes beyond the scope of the present discussion. See Gases; Quantum Theory; Uncertainty Principle. Microsoft ® Encarta ® 2008. © 1993-2007 Microsoft Corporation. All rights reserved. ------------------------------------------------------------------------ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC I. GIỚI THIỆU Nhiệt động học, lĩnh vực vật lý học mô tả và tương quan giữa các tính chất vật lý của các hệ vĩ mô về vật chất và năng lượng. Các nguyên lý nhiệt động lực học có tầm quan trọng cơ bản cho tất cả các ngành khoa học và kỹ thuật. Một khái niệm chủ yếu của nhiệt động lực học là của hệ vĩ mô, được định nghĩa như là một phần vật chất có thể cô lập được thuộc hình học cùng tồn tại với một môi trường vô hạn không thể đảo lộn được. Các trạng thái của một hệ vĩ mô cân bằng có thể được mô tả dưới dạng các đặc tính có thể đo lường được như nhiệt độ, áp suất, và thể tích, được biết đến như các biến nhiệt động lực học. Nhiều biến khác (như mật độ, tỷ nhiệt, hệ số nén, và hệ số giãn nở nhiệt) có thể được xác định và có tương quan với nhau, tạo ra một sự mô tả hoàn chỉnh hơn về một đối tượng và mối quan hệ của nó với môi trường. Khi một hệ vĩ mô chuyển từ một trạng thái cân bằng này đến trạng thái cân bằng khác, một quá trình nhiệt động lực học được cho là diễn ra. Một số quá trình có thể đảo ngược và số khác thì không thể. Các định luật nhiệt động lực học, đã được phát hiện vào thế kỷ 19 thông qua sự thử nghiệm cẩn thận, điều chỉnh bản chất của tất cả các quá trình nhiệt động lực và đặt những giới hạn trên chúng. II. ĐỊNH LUẬT THỨ 0 NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Các từ vựng khoa học kinh nghiệm thường được vay mượn từ ngôn ngữ hàng ngày. Vì vậy, mặc dù thuật từ nhiệt độ yêu cầu nghĩa thông thường, ý nghĩa của nó phải chịu từ sự thiếu chính xác của ngôn ngữ không liên quan đến toán học. Một định nghĩa chính xác của nhiệt độ, dù là kinh nghiệm, được cung cấp bởi cái gọi là định luật thứ 0 nhiệt động lực học như được giải thích dưới đây. Khi hai hệ đang ở trạng thái cân bằng, chúng có chung một tính chất nhất định. Tính chất này có thể được đo và một giá trị bằng số xác định được gán cho nó. Một hệ quả của thực tế này là định luật thứ 0 của nhiệt động học, trong đó nêu rằng khi một trong hai hệ là cân bằng với hệ thứ ba, hai hệ đầu phải cân bằng với nhau. Tính chất chung này của cân bằng là nhiệt độ. Nếu bất kỳ hệ như vậy được đặt trong mối liên hệ với một môi trường vô hạn mà tồn tại ở một nhiệt độ nhất định nào đó, hệ sẽ cuối cùng tiến đến cân bằng với môi trường-đó là, đạt đến cùng nhiệt độ. (Môi trường được gọi là vô hạn là một trừu tượng toán học gọi là nguồn nhiệt;.thực tế môi trường chỉ cần rộng lớn so với hệ đang được nghiên cứu) Các nhiệt độ được đo bằng các thiết bị được gọi là các nhiệt kế (xem Nhiệt kế). Một nhiệt kế có chứa một chất với các trạng thái có thể nhận dạng và tái sản xuất một cách thuận tiện, chẳng hạn như điểm sôi và đóng băng bình thường của nước tinh khiết. Nếu một hệ thống chia độ bằng các vạch được đánh dấu giữa hai trạng thái như vậy, nhiệt độ của hệ nào đó có thể được xác định cho tiếp xúc nhiệt với nhiệt kế, được cung cấp cho hệ rộng lớn so với nhiệt kế. III. ĐỊNH LUẬT THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Định luật thứ nhất nhiệt động lực học đưa ra một định nghĩa chính xác của nhiệt, một khái niệm thường được sử dụng. Khi một vật cho tiếp xúc với một vật tương đối lạnh hơn, một quá trình diễn ra dẫn đến một sự cân bằng nhiệt của hai vật. Để giải thích hiện tượng này, các nhà khoa học thế kỷ 18 đã giả thuyết rằng một chất thừa thãi hơn ở nhiệt độ cao hơn chảy hướng về khu vực ở nhiệt độ thấp hơn. Chất giả định này, được gọi là calo, được cho là một chất lỏng có khả năng di chuyển xuyên qua môi trường vật chất. Định luật thứ nhất nhiệt động lực học, thay thế xác định calo, hoặc nhiệt, như một dạng năng lượng. Nó có thể được chuyển đổi thành công cơ học, và nó có thể được lưu trữ, nhưng không phải là chất liệu. Nhiệt, được đo ban đầu bằng một đơn vị gọi là calo, còn công và năng lượng, được đo bằng erg, được thể hiện bằng thực nghiệm hoàn toàn tương đương. Một calo tương đương với 4,186 × 107 ergs, hoặc 4,186 J. Định luật thứ nhất, sau đó, là định luật bảo toàn năng lượng. Nó nói rằng, vì năng lượng không thể được tạo ra hoặc bị phá hủy, đặt sang một bên các sự phân nhánh sau này của sự tương đương về khối lượng và năng lượng (xem Năng lượng hạt nhân), lượng nhiệt chuyển vào trong một hệ, thêm vào độ lớn công thực hiện trên hệ phải là kết quả một sự gia tăng tương ứng nội năng trong hệ. Nhiệt và công là những cơ chế mà theo đó các hệ trao đổi năng lượng với nhau. Trong máy móc bất kỳ một số lượng năng lượng được chuyển đổi thành công; do vậy, không có máy nào có thể tồn tại mà trong đó không có năng lượng được chuyển đổi thành công. Một máy giả định như thế (trong đó không có năng lượng cần cho công thực hiện) được gọi là một động cơ vĩnh cửu loại I. Kể từ bây giờ năng lượng đầu vào phải để ý đến nhiệt (và trong một ý nghĩa rộng hơn về hóa học, điện, hạt nhân, và cũng như các dạng năng lượng khác), định luật bảo toàn năng lượng điều khiển ngoài khả năng của một máy như vậy bao giờ được phát minh. Định luật thứ nhất đôi khi được cho là một dạng méo mó khi tuyên bố loại trừ sự tồn tại của động cơ vĩnh cửu loại I. IV. ĐỊNH LUẬT THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Định luật thứ hai nhiệt động lực học đưa ra một định nghĩa chính xác của một tính chất được gọi là entropy. Entropy có thể được dùng như một phép đo một hệ kín cân bằng như thế nào; nó cũng có thể được dùng như một phép đo sự hỗn loạn trong hệ. Định luật phát biểu rằng entropy-có nghĩa là sự hỗn loạn, của một hệ cô lập không bao giờ có thể giảm. Vì vậy, khi một hệ cô lập đạt được một cấu hình entropy tối đa, nó không còn có thể trải qua sự thay đổi: Nó đã đạt đến trạng thái cân bằng. Thiên nhiên, sau đó, có vẻ như thích hỗn loạn hoặc lộn xộn. Nó cho biết định luật thứ hai quy định rằng, trong sự thiếu vắng của công, nhiệt không thể được chuyển từ một vùng ở nhiệt độ thấp hơn đến vùng ở nhiệt độ cao hơn. Định luật thứ hai đề ra một điều kiện bổ sung về các quá trình nhiệt động lực. Đó là không đủ để bảo toàn năng lượng và do đó tuân theo định luật thứ nhất. Một máy sẽ cung cấp công trong khi đang vi phạm định luật thứ hai được gọi là một động cơ vĩnh cửu loại II, ví dụ như, từ khi năng lượng sau đó có thể một cách liên tục được rút ra từ một môi trường lạnh để thực hiện công trong một môi trường nóng không đòi hỏi. Định luật thứ hai nhiệt động lực học đôi khi được coi như một tuyên bố loại trừ động cơ vĩnh cửu loại II. V. CHU TRÌNH NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Tất cả các mối liên hệ nhiệt động lực quan trọng được sử dụng trong kỹ thuật là bắt nguồn từ định luật thứ nhất và thứ hai nhiệt động lực học. Một cách hữu ích thảo luận các quá trình nhiệt động lực là chu trình, các quá trình mà một hệ trở về trạng thái ban đầu của nó sau một số giai đoạn, do đó đang phục hồi các giá trị ban đầu cho tất cả các biến nhiệt động lực thích hợp. Trong một chu trình hoàn tất nội năng của một hệ chỉ phụ thuộc vào các biến này và không thể thay đổi. Như vậy, lưới nhiệt toàn bộ chuyển cho hệ phải bằng công toàn phần được phân phối từ hệ. Một chu trình lý tưởng sẽ được thực hiện bởi một động cơ nhiệt hiệu suất hoàn toàn, nghĩa là tất cả nhiệt sẽ được chuyển thành công cơ học. Nhà khoa học Pháp thế kỷ 19 Nicolas Leonard Sadi Carnot, người đã hình thành một chu trình nhiệt động lực đó là chu trình cơ bản cho tất cả các động cơ nhiệt, đã cho thấy rằng một động cơ lý tưởng như vậy không thể tồn tại. Bất kỳ động cơ nhiệt nào cũng phải tiêu tốn một phần nhiệt của nó cho khí thải. Định luật thứ hai nhiệt động lực học đặt một giới hạn trên về hiệu suất của các động cơ; giới hạn trên đó dưới 100%. Các trường hợp hạn chế hiện nay được biết đến như một chu trình Carnot. VI. ĐỊNH LUẬT THỨ BA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Định luật thứ hai cho thấy sự tồn tại của một thang nhiệt độ tuyệt đối bao gồm độ 0 tuyệt đối. Định luật thứ ba nhiệt động lực học phát biểu rằng độ 0 tuyệt đối không thể đạt được bằng cách nào đó trong một số hữu hạn các bước. Độ 0 tuyệt đối có thể được tiếp cận tùy ý chặt chẽ, nhưng nó không bao giờ có thể đạt được. VII. CƠ SỞ VI MÔ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC Việc công nhận tất cả vật chất được tạo thành từ các phân tử đã cung cấp một nền tảng vi mô cho nhiệt động lực học. Một hệ nhiệt động lực bao gồm một chất tinh khiết có thể được mô tả như một bộ sưu tập các phân tử giống nhau, mỗi chuyển động cá nhân của nó có thể mô tả bằng các biến cơ học như vận tốc và động lượng. Ít nhất về nguyên tắc, nó có thể do đó lấy được các thuộc tính tập thể của hệ bằng việc giải các phương trình chuyển động đối với các phân tử. Trong ý nghĩa này, nhiệt động lực học có thể được coi như chỉ là một ứng dụng các định luật cơ học vào hệ vi mô. Các vật có kích thước bình thường-như bình thường trên phạm vi con người chứa đựng số rất lớn các phân tử (cấp độ 1024). Giả sử các phân tử có hình cầu, mỗi phân tử sẽ cần ba biến để mô tả vị trí của nó và nhiều hơn ba để mô tả vận tốc của nó. Việc mô tả một hệ vĩ mô theo cách này sẽ là một nhiệm vụ mà ngay cả máy tính hiện đại lớn nhất cũng không thể quản lý. Một phép giải hoàn chỉnh các phương trình này, hơn nữa, sẽ cho chúng ta biết mỗi phân tử ở đâu và nó đang làm gì vào lúc nào. Một lượng lớn thông tin như vậy sẽ là quá nhiều chi tiết hữu ích và quan trọng quá ngắn ngủi. Do đó, các phương pháp thống kê được nghĩ ra để có được các mức trung bình các biến cơ học của các phân tử trong một hệ và cung cấp các điểm đặc trưng toàn bộ của hệ. Những điểm đặc trưng toàn bộ này, một cách chính xác, làm xuất hiện các biến nhiệt động lực vĩ mô. Việc xử lý thống kê của cơ học phân tử được gọi là cơ học thống kê, và nó giữ chặt nhiệt động lực học với cơ học. Nhìn từ quan điểm thống kê, nhiệt độ đại diện cho một phép đo động năng trung bình các phân tử của một hệ. Tăng nhiệt độ phản ánh sự gia tăng sức mạnh chuyển động phân tử. Khi hai hệ tiếp xúc, năng lượng được chuyển giao giữa các phân tử như một kết quả của các va chạm. Việc chuyển giao sẽ tiếp tục cho đến khi sự đồng dạng đạt được, trong một ý nghĩa thống kê, tương ứng với trạng thái cân bằng nhiệt. Động năng của các phân tử cũng tương ứng với nhiệt và cùng với thế năng phát sinh từ sự tương tác giữa các phân tử, tạo nên nội năng của một hệ. Sự bảo toàn năng lượng, một định luật cơ học nổi tiếng, sẵn sàng biến thành định luật thứ nhất nhiệt động học, và khái niệm entropy biến thành mức độ hỗn loạn trên quy mô phân tử. Bằng cách giả định rằng mọi sự kết hợp chuyển động phân tử đều như nhau; nhiệt động lực học cho thấy trạng thái hỗn loạn hơn nữa của một hệ cô lập, các sự kết hợp khác được tìm thấy có thể làm gia tăng trạng thái đó, và vì thế thường xuyên xảy ra hơn. Xác suất trạng thái bị hỗn loạn tìm thấy lấn át hơn xác suất sự xảy ra của tất cả các trạng thái khác. Xác suất này cung cấp một cơ sở thống kê cho các định nghĩa về cả trạng thái cân bằng lẫn entropy. Cuối cùng, nhiệt độ có thể được làm giảm bằng cách lấy ra năng lượng của một hệ, có nghĩa là, bằng việc giảm sức mạnh chuyển động phân tử. Độ 0 tuyệt đối tương ứng với trạng thái của một hệ trong đó tất cả các thành phần của nó đang nghỉ. Tuy nhiên, đây là một khái niệm từ vật lý cổ điển. Trong điều kiện cơ học lượng tử, chuyển động phân tử còn dư sẽ tồn tại ngay cả ở độ 0 tuyệt đối. Một phân tích trên cơ sở thống kê của định luật thứ ba vượt ra ngoài phạm vi của cuộc thảo luận hiện nay. Xem Chất khí; Lý thuyết lượng tử, Nguyên lý bất định. MẠNH HIẾU lược dịch.
Posted on: Mon, 26 Jan 2015 14:49:44 +0000
Trending Topics
© 2015