Ligjet e termodinamikës: të detajuara dhe të shpjeguara hap pas hapi

Me siguri e keni dëgjuar ndonjëherë konceptin e ligjet e termodinamikës. Të njohura edhe si parimet e termodinamikës, këto ligje përbëjnë bazën themelore të fizikës në lidhje me sjelljen e nxehtësisë, energjisë dhe entropisë në sistemet termodinamike. Në këtë artikull, ne do të shpjegojmë në detaje gjithçka që duhet të dini për katër ligjet e termodinamikës, mënyrën e funksionimit të tyre, origjinën dhe zbatimin e tyre në jetën e përditshme.

Ligjet e termodinamikës

Ekzistojnë katër ligje të termodinamikës, të numëruara nga zero në të tretën. Këto ligje përdoren për të përshkruar se si funksionojnë sistemet fizike në universin tonë dhe çfarë kufizimesh ekzistojnë në proceset e energjisë. Ato janë thelbësore për të kuptuar fenomene të tilla të rëndësishme si transferimi i nxehtësisë, ekuilibri termik dhe rritja e entropisë, që është shkalla e çrregullimit në një sistem.
Secili prej këtyre ligjeve ka një fokus të veçantë. Megjithëse rendi i formulimit nuk ishte kronologjik, ato aktualisht ndjekin një strukturë logjike që ndihmon për të kuptuar më qartë ndërveprimet e energjisë. Ne do të përshkruajmë secilin prej këtyre ligjeve dhe mënyrën se si ato zbatohen në praktikë.

Ligji i parë i termodinamikës

Ligji i parë i termodinamikës, i quajtur gjithashtu ligji i ruajtjes së energjisë, thekson se energjia nuk mund të krijohet apo shkatërrohet, por vetëm transformohet. E thënë thjesht, sasia totale e energjisë në një sistem të izoluar mbetet konstante, edhe pse mund të ndryshojë formë.
Për shembull, nëse furnizoni një sasi energjie në formën e nxehtësisë në një sistem, rritja e energjisë totale do të jetë e barabartë me shumën e punës së bërë plus rritjen e energjisë së brendshme të tij. Ky ligj është thelbësor për aplikimet moderne të energjisë, nga motorët me djegie të brendshme deri te prodhimi i energjisë elektrike në impiantet termodinamike.Shembull praktik: Imagjinoni një motor avioni. Lënda djegëse reagon kimikisht, duke lëshuar energji në formën e nxehtësisë, një pjesë e së cilës shndërrohet në punë për të lëvizur helikat. Megjithëse një pjesë e kësaj energjie shpërndahet si nxehtësi në mjedis, energjia totale ruhet, ajo thjesht ndryshon nga një formë në tjetrën.

Ligji i dytë i termodinamikës

Ligji i dytë i termodinamikës njihet gjithashtu si ligji i entropisë. Ky ligj thotë se të gjitha sistemet priren drejt një gjendjeje më të madhe çrregullimi ose entropie. Me kalimin e kohës, entropia e universit gjithmonë rritet.
Kjo do të thotë se në çdo proces energjetik, një pjesë e energjisë shpërndahet gjithmonë si nxehtësi, duke bërë që sistemet të lëvizin natyrshëm drejt gjendjeve më të çrregullta. Një sistem nuk mund të jetë kurrë 100% efikas, pasi gjithmonë do të ketë një humbje të energjisë së përdorshme.

Eshembull praktik: Nëse digjni një copë letër, lënda shndërrohet në gazra dhe hi që nuk mund të rikuperohet. Ky proces është i pakthyeshëm, pasi letra nuk mund të kthehet në gjendjen e saj origjinale. Këtu ligji i dytë zbulon se çrregullimi (entropia) e sistemit është rritur.

Për më tepër, ky ligj ndihmon për të shpjeguar pse fenomene si lëvizja e përhershme janë të pamundura. Ka gjithmonë një humbje të energjisë në mjedis, gjë që pengon një makinë të funksionojë përgjithmonë pa një burim të jashtëm energjie.

Ligji i tretë i termodinamikës

Ligji i tretë i termodinamikës thotë se, me arritjen e Zero absolute, entropia e një sistemi priret të jetë minimale dhe konstante. Zero absolute është temperatura më e ulët e mundshme, e barabartë me -273.15 °C ose 0 K në shkallën Kelvin.

Në teori, me arritjen e kësaj temperature, grimcat në një sistem ndalojnë së lëvizuri, duke eliminuar të gjithë energjinë termike prej tij. Megjithatë, arritja e zeros absolute është, në praktikë, e pamundur. Ndërsa i afrohemi kësaj temperature, sistemet pësojnë ndryshime drastike në vetitë e tyre. Për shembull, disa materiale përjetojnë fenomene të tilla si superpërçueshmëria ose superfluiditeti.

Aplikimi praktik: Megjithëse zero absolute nuk mund të arrihet, kërkimet në fizikë kanë çuar në krijimin e teknologjive që përfitojnë nga fenomenet e materialeve në temperatura të afërta, si superpërçuesit, të cilët pothuajse plotësisht eliminojnë rezistencën elektrike.

Ligji zero i termodinamikës

Ligji zero i termodinamikës është më i fundit që është formuluar, por ai është vendimtar për themelin e të tjerëve. Ky ligj thotë se nëse dy sisteme janë në ekuilibër termik me një sistem të tretë, atëherë ato dy sisteme janë gjithashtu në ekuilibër termik me njëri-tjetrin. Kjo do të thotë se nëse nuk ka transferim të nxehtësisë midis tyre, atëherë ato kanë të njëjtën temperaturë.

Shembull praktik: Një termometër i vendosur në një gotë me ujë mat temperaturën e lëngut. Kur termometri arrin të njëjtën temperaturë si uji, ai ndalon shkëmbimin e nxehtësisë me të. Ky është një shembull klasik i ligjit zero në punë.
Falë këtij ligji, ne mund të përcaktojmë dhe matim temperaturën e objekteve, e cila është thelbësore për të gjithë fizikën termodinamike.

Rëndësia teknike: Pa ligjin zero, ne nuk do të ishim në gjendje të vendosnim konceptin e temperaturës, as të përdornim pajisje të tilla si termometra për të matur energjitë termike.

Ky grup prej katër ligjesh na lejon të kuptojmë se si funksionon energjia në universin tonë, si transferohet dhe se si një pjesë e saj humbet në mënyrë të pashmangshme në formën e entropisë. Pa këto ligje, shumë përparime moderne teknologjike, si motorët, termocentralet dhe sistemet e ftohjes, nuk do të ishin të mundshme.