- 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. - II ZEROTH LAW OF THERMODYNAMICS. - A precise, though empirical, definition of temperature is provided by the so-called zeroth law of thermodynamics as explained below.. - 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. - 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. - The first law of thermodynamics instead identifies caloric, or heat, as a form of energy. - 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. - 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. - it can also be thought of as a measure of the disorder in the system. - A machine that would deliver work while violating the second law is called a “perpetual-motion machine of the second kind,”. - The second law of thermodynamics is sometimes given as a statement that precludes perpetual-motion machines of the second kind.. - The second law of thermodynamics places an upper limit on the efficiency of engines. - VI THIRD LAW OF THERMODYNAMICS. - The third law of thermodynamics states that absolute zero cannot be attained by any procedure in a finite number of steps. - VII MICROSCOPIC BASIS OF THERMODYNAMICS. - 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.. - 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. - Viewed from the statistical perspective, temperature represents a measure of the average kinetic energy of the molecules of a system. - 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. - The probability of the more disordered state occurring overwhelms the probability of the occurrence of all other states. - An analysis of the statistical basis of the third law goes beyond the scope of the present discussion.. - NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC. - 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.. - ĐỊNH LUẬT THỨ 0 NHIỆT ĐỘNG LỰC 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.. - 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.. - 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.. - 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.. - 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. - Định luật thứ nhất, sau đó, là định luật bảo toàn năng lượng. - do vậy, không có máy nào có thể tồn tại mà trong đó không có năng lượng được chuyển đổi thành công. - 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.. - 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. - 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.. - 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. - 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. - Định luật thứ hai nhiệt động lực học đặt một giới hạn trên về hiệu suất của các động cơ. - 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.. - 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 10 24. - 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. - phân tử ở đâu và nó đang làm gì vào lúc nào. - 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. - 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 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. - 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.