Въведение в термодинамиката и закони за запазване на масата и енергията

Материя

Материя е нещо с маса и обем, което пряко или косвено действа на нашите сетива и причинява усещания. Тя е реалната същност на света и съществува обективно и независимо от нашите усещания и възприятия.

Термодинамична система

Термодинамична система е тяло или съвкупност от тела, отделени от околната среда по един или няколко признака.

Изолирана система

Изолирана (Термодинамична) система е тяло или съвкупност от тела, които не обменят маса и енергия с околната среда.

Затворена система

Затворена (Термодинамична) система е тяло или съвкупност от тела, които са с постоянна маса, но обменят енергия с околната среда.

Отворена система

Отворена (Термодинамична) система е тяло или съвкупност от тела, които обменят маса и енергия с околната среда.

Закон за запазване на масата

Закон за запазване на масата (ЗЗМ) – формулиран е от Ломоносов и доказан през 1756 година. През 1779 година Лавоазие също го доказва опитно и благодарение на него той придобива популярност.

Законът за запзване на масата гласи, че масата на една изолирана система остава постоянна независимо от всички промени в системата.

Какво е масата? Тя е количествена мярка за инертността на една система. Инертността е свойство на всяка материална система да се противопоставя на усилията за изменение на нейната скорост по отношение на скоростта на други системи. Оттук масата m може да се представи като отношение на приложената сила f и ускорението a, породено от нея:

m=f/a

Закон за запазване на енергията

Законът за запазване на енергията (ЗЗЕ) гласи следното: Общата енергия на една Изолирана система остава постоянна независимо от промените, които се извършват в нея, а един вид енергия може да преминава в друг вид енергия, но винаги в точно определено количество.

ЗЗМ и ЗЗЕ могат да се изразят съответно със следните уравнения:

 

Закон за еквивалентност на масата и енергията

Айнщайн заявява, че между масата и енергията съществува математическа зависимост. В „Теория на относителността“, той формулира тази зависимост с прочутото си уравнение:

E=mc²,

Тук E е общата енергия на системата, с е скоростта на светлината във вакуум, а m е масата. Тази зависимост е законът за еквивалентност на масата и енергията. Според този закон на всяко изменение на масата на дадена система, съответства точно определено изменение на нейната енергия.

Друго важно следствие от теорията на относителността е, че масата на едно тяло зависи от неговата скорост по отношение на наблюдателя. Това изменение на масата става видимо само при много големи скорости, близки до скоростта на светлината.

Основни закони на термодинамиката

Нулев принцип на термодинамиката

Всяка система има определена температура. Ако две системи са в термодинамично равновесие с трета, това означава, че те са в термодинамично равновесие помежду си.

Първи принцип на термодинамиката (принцип за съхранение на енергията)

Първи принцип на термодинамиката е възможно да бъде формулиран по много начини. Най-простият от тях е, че топлината може да се превърне в работа.

Всъщност първия принцип на термодинамиката се отнася за за съхранението на енергията. Това означава, че общата енергия на една изолирана система остава постоянна каквито и промени да се извършат в нея.

Изменението на вътрешната енергия на една затворена термодинамична система е равно на разликата между внесената в системата топлина и извършената от нея работа. Вътрешната енергия на ситемата не зависи от пътя, по който е достигнала до дадено състояние, а само от началното и крайното състояние на същата система.

Втори принцип на термодинамиката (принцип за посоката на протичане на процесите)

Най-просто казано, топлината не може да премине от по-студено към по-топло тяло или система. Всеки самоволно протичащ процес се извършва в посока увеличаване ентропията на системата. Ентропията е мярка за безпорядъка в една система.

Трети принцип на термодинамиката (принцип за абсолютната нула)

С приближаване на абсолютната нула, ентропията на всяка система намалява до своя минимум и се увеличава подредеността на системата.