לדף הכניסה של ישרא-בלוג
לדף הראשי של nana10
לחצו לחיפוש
חפש שם בלוג/בלוגר
חפש בכל הבלוגים
חפש בבלוג זה




מלאו כאן את כתובת האימייל
שלכם ותקבלו עדכון בכל פעם שיעודכן הבלוג שלי:

הצטרף כמנוי
בטל מנוי
שלח

RSS: לקטעים  לתגובות 
ארכיון:


3/2017

החוק השלישי של התרמודינמיקה + סיכום


מזל טוב! הגענו לחוק היסודי האחרון של התרמודינמיקה. זה עומד להיות פוסט קצר יחסית, שכן החוק האחרון הוא יחסית יותר "קליל" משני הראשונים (התשובות לשיעורי הבית מופיעות כאן).

 

מבוא קצר

לפני שנלמד את החוק עצמו, אנחנו צריכים להגדיר קבוע טבע מסוים, שנקרא האפס המוחלט. האפס המוחלט הוא הטמפרטורה הנמוכה ביותר האפשרית - 0 מעלות בסולם קלווין (בערך מינוס 273 מעלות צלזיוס).

זה הגיוני בכלל להגדיר טמפרטורה שהיא הכי נמוכה? מדוע טמפרטורה לא יכולה להיות נמוכה כרצוננו? הרי אין שום הגבלה לחום מקסימלי של גוף, אז למה שתהיה הגבלה לקור מקסימלי? הסיבה לכך היא האופן שבו אנו מגדירים טמפרטורה. למי שזוכר, טמפרטורה היא האנרגיה הקינטית הממוצעת של החלקיקים המרכיבים את המערכת. לכן, כפי שקיימת אנרגיה קינטית מינמלית (0, לגוף שלא נע כלל), צריכה להתקיים גם טמפרטורה מינימלית. על פי הגדרה, גוף מגיע לטמפרטורה מינמלית כשלחלקיקים שמרכיבים אותו יש אנרגיה קינטית אפסית - כלומר, כאשר הם לא נעים כלל.

 

הכל טוב ויפה, אבל יש בעיה אחת קטנה - מצב כזה לא יכול באמת להתקיים בטבע. לא יתכן מצב שבו כל החלקיקים המרכיבים חומר מסוים לא נעים כלל, לא משנה כמה ננסה. הסיבה לכך נקשרת ברעיון שכבר למדנו, אבל בתחום אחר לגמרי. למי שקרא את סדרת הפוסטים על מכניקת הקוונטים אולי זכור עיקרון האי-ודאות של הייזנברג. עיקרון זה קובע שבקנה המידה הקטן ביותר, לא ניתן לדעת באופן מדויק לחלוטין את המיקום ואת המהירות של חלקיק בו זמנית. מסתבר שמכניקת הקוונטים מונעת מצב כזה (מאוד ממליץ לקרוא את הפוסט למי שזה מעניין אותו).

פועל יוצא של אותו עיקרון זה שלא יכול להיות מצב שבו חלקיקים לא נעים כלל, שכן בסיטואציה כזו, ניתן לדעת בוודאות מוחלטת בדיוק היכן חלקיק נמצא ובאיזו מהירות הוא נע (כי הוא לא נע כלל). במצב כזה תמיד יהיו תנודות קוונטיות קטנות בחומר שימנעו ממנו להגיע למצב של אנרגיה קינטית אפסית. דהיינו - אפשר להתקרב ל-0 המוחלט, אבל לעולם לא ניתן להגיע אליו.

 

החוק השלישי

החוק השלישי הוא מין הרחבה על החוק השני, והוא קובע כי האנטרופיה של מערכת היא 0 רק במצב בו הטמפרטורה שלה היא האפס המוחלט.

מדוע זה מעניין בכלל?

זה מעניין מפני שזה אומר לנו למעשה שמצב שבו האנטרופיה של מערכת היא אפסית לא יכול באמת להתקיים בטבע, מפני שאנחנו כבר יודעים שטמפרטורה של גוף לעולם לא יכולה להגיע לאפס המוחלט. עם זאת, ניתן גם להבין מהחוק שככל שמתקרבים לאפס המוחלט, כך קצב הגדילה של האנטרופיה מאט, ולמעשה פחות אנרגיה מתבזבזת. אמנם לעולם לא נוכל להגיע למצב שבו האנטרופיה לא גדלה, אבל אפשר לגרום לה לגדול לאט יותר.

בגלל ההשפעה שיש לאנטרופיה (כמעט) אפסית על חומר, ניתן לראות בגופים שקוררו לטמפרטורות הקרובות לאפס המוחלט הרבה תופעות מעניינות (כגון מצבי צבירה חדשים ומוליכות-על). מפני שלמערכת יש כל כך מעט אנרגיה חופשית בטמפרטורה כזו, הרבה מהתופעות המוזרות של מכניקת הקוונטים ניכרות גם בקנה המידה המאקרוסקופי, דבר שגורם לחומר להתנהג ממש מוזר. חלק גדול מהחידושים הגדולים בשנים האחרונות בתחומי הכימיה והנדסת החומרים קשורים בדרך זו או אחרת לאופן ההתנהגות של חומרים באזור האפס המוחלט.

 

(בתמונה - מגנט שקורר לטמפרטורה הקרובה לאפס המוחלט והפך להיות מוליך-על. כן, הוא מרחף)

 

מה הקשר בין שלושת החוקים?

אז בואו נסתכל דקה על שלושת החוקים ביחד:

1. הכמות הכוללת של האנרגיה במערכת תמיד נשארת זהה.

2. בכל תהליך ספונטני בטבע, האנטרופיה של המערכת תגדל.

3. המצב היחידי שבו האנטרופיה לא תגדל אינו אפשרי בטבע.

 

החוקים הם למעשה שלוש ההגבלות הגדולות של הטבע בכל הקשור לתהליכים שעוברת בהם אנרגיה. החוק הראשון טוען שלא ניתן ליצור אנרגיה יש מאין. החוק השני קובע שלא רק שלא נוכל לייצר אנרגיה, אלא גם תמיד נאבד אנרגיה שימושית בכל תהליך טבעי. החוק השלישי ממשיך ושובר כל שארית תקווה שהייתה לנו, בכך שהוא קובע כי המצב היחידי בו אנרגיה משתמרת באופן מיטבי הוא מצב שלא באמת יכול להתקיים בטבע.

החוקים הללו מכתיבים את אופן ההתנהגות של מנועים, מכונות, יצורים חיים וכוכבי לכת. הם גם מאפשרים לנו לדעת איך מערכות כאלה יתנהגו לאורך זמן, עד קנה המידה האטומי. זו הסיבה שהם לוקחים חלק כל כך חשוב בפיזיקה, כימיה, ביולוגיה, הנדסה, אקלים ועוד.

______________________________________________________________________

 

זהו בגדול, אכן היה פוסט קצר. בזאת סיימנו לבינתיים עם תרמודינמיקה. כמובן, מדובר רק בקצה הקרחון של התחום, ואני בטוח שיצא לי לגעת בתחום בפוסטים אחרים בהמשך, אבל לבינתיים רציתי שלפחות יהיה לנו איזשהו בסיס משותף שאפשר להשתמש בו בתחומים אחרים.

אם משהו לא ברור בפוסט/דורש הרחבה - מוזמנים להגיד. באופן כללי, תמיד שמח לשמוע מה דעתכם על הפוסטים. כרגיל, אם יש נושא שהייתם רוצים לקרוא עליו, אני תמיד פתוח להצעות (אפילו שהפוסט של שבוע הבא כבר שמור להוכחה מתמטית שאני רוצה לכתוב עליה כבר תקופה).

שבוע טוב! :)

 

נכתב על ידי קרל שוורצשילד , 18/3/2017 17:02   בקטגוריות פיזיקה, תרמודינמיקה  
7 תגובות   הצג תגובות    הוסף תגובה   הוסף הפניה   קישור ישיר   שתף   המלץ   הצע ציטוט



Avatarכינוי:  קרל שוורצשילד

בן: 22




הבלוג משוייך לקטגוריות: מדע וטכנולוגיה
© הזכויות לתכנים בעמוד זה שייכות לקרל שוורצשילד אלא אם צויין אחרת
האחריות לתכנים בעמוד זה חלה על קרל שוורצשילד ועליו/ה בלבד
כל הזכויות שמורות 2017 © נענע 10 בע"מ