De vier wetten der thermodynamica: 1

Door Candice Simionescu gepubliceerd in Wetenschap en onderwijs

De vier wetten der thermodynamica: 1

7b4821c4d98e4bc99290b3ea0106b675_medium.

Of ze bestaan is nog altijd een vraag waar geen antwoord op is gegeven, maar de wetenschap durft er onderhand wel vanuit te gaan dat ze bestaan ….. White Holes. Het tegenovergestelde van Black Holes. Simpel komt het er op neer dat er niets is wat kan ontsnappen uit een zwart gat en dat er helemaal niks is wat een wit gat kan binnengaan.

Maar hoezo durven ze uit te gaan van iets waar geen enkele vorm van bewijs voor geleverd is? Omdat er wel gammaflitsen en quasars waargenomen zijn en die zijn witter dan Persilwit. En deze gammaflitsen en quasars kunnen makkelijk worden aangezien voor witte gaten.

2da7a4ac069e7ce2657b60e8772a6017_medium.

Die witte gaten kunnen - volgens de kennis die nu bestaat - feitelijk nooit bestaan. En daarmee is de deur geopend naar de titel van het artikel, want als witte gaten wel blijken te bestaan zouden ze de tweede wet der thermodynamica overtreden .… snapt u? Vast wel, maar evengoed ga ik het maar even behandelen. En dan begin ik met een erg makkelijk te beantwoorden vraag.

Heeft u wel eens van de vier bestaande wetten der thermodynamica gehoord? Vast wel. ;-) Er zijn er dus vier. De nulde, de eerste, de tweede en de derde.

Wat is thermodynamica?

ffb17c3ba34ee754ed59ef6a3cd4af03_medium.

Het woord komt feitelijk uit het oud-Grieks … thermos (warmte) en dunamis (kracht) oftewel warmte-kracht, maar dat is me even te simpel gezegd. Het is gewoon wel iets meer dan dat. Thermodynamica is een natuurkundig begrip en het is dat onderdeeltje van de natuurkunde wat dus de interacties tussen grote verzamelingen van deeltjes op macroscopisch (fysieke objecten die groter zijn dan een millimeter en dus met het blote oog zichtbaar zijn) niveau bestudeert. Thermodynamica ontstond ooit als een praktische behoefte om de efficiëntie van stoommachines te verbeteren.

Hoe ontstonden deze wetten en hoezo een nulde wet?

Laat ik maar met het laatste beginnen. De nulde wet ….. op zich best wel bizar dat je een wet nulde wet noemt. Maar dat komt doordat het principe van deze wet pas werd ingezien na de expliciete formulering van de 1e, 2e en 3e wet. Toen drong pas goed door dat die drie wetten voortvloeiden uit een eerdere vaststelling. En aangezien de 1e, 2e en 3e wet toen al bestonden … maakten ze er dus maar de nulde wet van. Klinkt ook best wel logisch … maar zowel natuur- als schei- als wiskunde is een absolute kwestie van logisch kunnen denken (mijn mening).

c52051fe8a2b5201ba0f0bcb43d7c539_medium.

Deze acht mannen behoren tot/zijn de grondleggers van thermodynamica. Maar konden tot dat komen doordat vóór zij daarmee kwamen in de 17e eeuw de praktische en theoretische ontwikkelingen, van wat we nu thermodynamica noemen, werden ingezet door personen die het eigenlijk begonnen en het daardoor voor deze acht mannen wel vrij makkelijk maakten.

Robert Boyle van de wet van Boyle.

Het product druk en het volume van een bepaalde massa van een bepaald gas is constant wanneer de temperatuur constant is.

Robert Hooke van de wet van Hooke.

De uitrekking van een materiaal is evenredig aan de kracht die op dat materiaal wordt uitgeoefend.

Robert Hooke was rond 1650 de assistent van Boyle en in opdracht van Boyle verbeterde Hooke de luchtpomp die was uitgevonden door Otto von Guericke. Deze von Guericke zat overigens niet stil en vond daarna de vacuümpomp uit.

En dan hebben we ook nog ene Dennis Papin. Deze man ontwikkelde samen met Christiaan Huygens de buskruitmotor, waarmee het buskruit gecontroleerd tot ontploffing kon worden gebracht en Papin vond in 1679 de snelkookpan uit. Dit was weliswaar de voorloper van de hedendaagse snelkookpan, maar deze hogedrukpan diende om beenderen sneller zacht te maken. Papin was een genie op het gebied van stoomkracht. Papin – Hugenoot en Calvinist – vluchtte uit Frankrijk doordat Lodewijk de 14e door het afschaffen van het Edict van Nantes de Hugenoten tot ongewenste personen verklaarde en Papin had weinig zin om opgepakt te worden en te worden gefolterd en te worden opgehangen. Zou dat zijn gebeurd, dan had de hele ontwikkeling van de natuurkunde ernstige vertraging opgelopen. Dennis Papin vluchtte naar Hessen in Duitsland en had ondertussen contact gekregen met Boyle en Hooke. Papin vond daarna ook nog eens de zuigerstoommachine uit.

Maar dan zijn we er nog niet:

Dan hebben we ook nog Thomas Savery en die man patenteerde als eerste de stoompomp. En dan is er nog Thomas Newcomen en hij vond de eerste werkende stoommachine uit. Maar dat kon hij dus doen doordat hij de ideeën van Papin en Savery combineerde. En het waren eigenlijk deze mannen, deze wiskundigen en uitvinders die daarmee de basis legden voor de leer van thermodynamica. Het kan best zijn dat u nu iets heeft van; “Ja duhhh, dan kun je ook prehistorische uitvindingen de grondslag van alle uitvindingen noemen!” En dan geef ik u gemakshalve helemaal gelijk, want wie ben ik om het niet met uw geniale bevindingen eens te zijn.

d07baf1d0f6ca702ef922a39acca184a_medium.

De nulde wet:

Wanneer A in thermisch evenwicht is met B en B met C dan is A ook in thermisch evenwicht met C.

Als de systemen A en C met elkaar in thermisch evenwicht zijn en de systemen B en C eveneens, dan zijn ook A en B in thermisch evenwicht en hebben ze dezelfde temperatuur. Thermisch evenwicht houdt in dat er wel thermisch contact tussen de systemen is, maar er geen warmtetransport plaatsvindt.

Het thermisch evenwicht vormt dus een – mooi woord – equivalentierelatie. En om dat heel simpel uit te leggen. Ik ben geboren op 25 december 1959, eerste Kerstdag en ik ben niet de enige die toen geboren werd …. er kunnen nog wel duizenden zijn die gelijktijdig met mij geboren werden. Die dus op dezelfde dag geboren zijn als moi. Maar er zijn er ook die op 17 maart 2010 geboren zijn of die op 28 oktober 1975 geboren zijn of noem maar op welke datum en dat noemen wij dus met dat mooie woord … equivalentierelatie die in dit voorbeeld van mij de verzameling van alle mensen opdeelt in groepen van mensen die op dezelfde dag geboren zijn. Dit is op zich toch best wel een begrijpelijke wet en waaruit vandaan dus de overige drie wetten ontstonden zonder dat deze wet al een opgeschreven natuurkundige wet was.

De eerste wet:

Energie kan niet verloren gaan en kan niet uit het niets ontstaan!”

Deze eerste wet van de thermodynamica wordt “De wet van behoud van energie” genoemd! Energie kan alle kanten opgaan en van alles doen en overal zijn in meer of in mindere mate, maar dat zijn dan – slechts – omzettingen van energie. Maar dat is eigenlijk de makkelijkste manier, maar zonder enige uitleg over wat er precies mee bedoeld wordt. En overigens niets meer dan een hele vrije interpretatie van die wet. En daar dit geen vrije interpretatie artikel is, ga ik er dieper op in en leg ik het uit zoals het ook op een begrijpelijke wijze, maar niet interpreterend, uitgelegd kan worden.

Geïsoleerd systeem:

In de natuurwetenschappen, met name bij thermodynamica, is een geïsoleerd systeem een systeem dat op geen enkele wijze ook maar iets van wisselwerking met haar omgeving heeft of vertoont. Isolatie …. voorkomt nu eenmaal contact tussen bijvoorbeeld koude lucht en uw huiskamer en/of tussen een compleet gestoorde crimineel en de overige gevangenen in een gevangenis. Het is niet zo heel moeilijk. Doordat het totaal geen massa of energie met haar omgeving uitwisselt blijft die energie behouden voor het (geïsoleerde) systeem waarin het zich bevind en daardoor voldoet het aan de eisen die voor behoud-wetten gelden. De massa en de energie kan binnen dat systeem echt alles doen, naar alle kanten verspringen, een bol vormen, uiteen vallen of wat dan ook …. de totale massa en energie blijven in dat systeem constant. En dat is het verschil met een gesloten systeem, want dat wisselt weliswaar geen massa uit … maar stoot wel energie uit.

Maar in hoeverre is een geïsoleerd systeem ook een in de praktijk bestaand systeem? En dan is het antwoord ..… niet! In de praktijk is er geen compleet geïsoleerd systeem, want zelfs isolatiecellen krijgen luchttoevoer om maar even iets te noemen. En het kan in praktijk niet bestaan en dat komt door de zwaartekracht. Doordat dat bestaat … zal er altijd van en naar iets een aantrekkende en/of zuigende werking uitgaan en dan is er geen sprake meer van een geïsoleerd systeem.

En toch bestaat er (mogelijk) één echt geïsoleerd systeem. Ik zet mogelijk tussen haakjes omdat we het niet kunnen weten. Wetenschappers weten veel en astronomen ook …. maar wel binnen datgene wat we tot dusverre weten en kennen van het Universum, want dat – het Universum – wordt als mogelijk enig daadwerkelijk geïsoleerd systeem gezien … maar dan wel met de aanduiding mogelijk, want het kan wel degelijk op één of andere manier in verbinding staan met een ander Universum of zoals ik het wel eens betitelde een mamma Universum. Dat weten we niet en dus kunnen we het Universum niet definitief betitelen als een geïsoleerd systeem. 

5554ad8e593e2c4fbfd9fe48a5368bab_medium.

Deze man kent u vast wel … hij joeg alle natuurwetenschappers tegen zich in het harnas en had gelijk, maar natuurwetenschappers zijn (bijna) net zo eigenwijs als mij en wisten er een draai aan te geven waardoor eeuwenoude kennis ‘overeind’ bleef.

Waar ik het over heb?

E = mc2 is zeg maar de formule waar iedereen Einstein van kent en het was/is deze formule waar latere natuurwetenschappers mee worstelden, want Einstein stelt hierin dat binnen een systeem massa en energie met elkaar verbonden zijn en dus kan er energie verloren gaan als er massa gecrëerd wordt en andersom eveneens. En als geniale oplossing werd gevonden om massa voortaan ook als een vorm van energie te beschouwen.

In deel 2 worden de tweede en derde wet van de thermodynamica behandeld, anders wordt het echt een veel te lang artikel.

dc7123e4a7d75c17b12428011b08c986_medium.

*Candice*

23/03/2019 13:15

Reacties (7) 

1
25/03/2019 10:13
Dit wordt een leerzame reeks, lijkt me zo. Goed uitgelegd.
25/03/2019 15:54
2
25/03/2019 10:12
Boeiende materie! Zou het enige 'geïsoleerde systeem' op aarde (voor zover dat dan kan) misschien bestaan in de Hadron Collider of deeltjesversneller van CERN in Genève? Dit gezien de vrees van vele onder de wetenschappers dat er mogelijk subatomaire zwarte gaten in gecreëerd zouden kunnen worden en die dan de aarde zouden kunnen verwoesten. Of dat allemaal waar is, weet ik niet, maar 'better safe than sorry'.
1
25/03/2019 15:54
Zou kunnen, maar dat geven ze vast niet toe.
1
26/03/2019 13:58
Nee, dat is ook weer waar.
23/03/2019 17:36
Mooi!
Maar nu weten wij nog steeds niet wat er eerst was: Massa (materie) of Energie (kracht).
En wij weten ook niet waar ze allebei vandaan komen.
Die eerste wet snap ik nog wel. Maar wat zijn dan de voorwaarden waaronder massa tot energie wordt en andersom?
Dat het moeilijk is om een geïsoleerd systeem te maken snap ik ook. Dan moet je de zwaartekracht uitschakelen. Zou dat nu niet in de ruimte kunnen? Daar heb je geen zwaartekracht toch?
23/03/2019 20:13
Massa bezit energie en andersom bezit energie ... massa en waar ze vandaan komen is uit hetzelfde. Beide uit de oerknal en toen was er eerst energie ... maar die energie bezat al wel massa ... dus dat is en blijft een kip en ei vraag. Al beweren ze wel dat de eerst vrijgekomen fotonen behalve rustmassa ... wat toch ook weer massa is.
Rustmassa is de massa van een deeltje dat zich in rust bevindt.
En de rustenergie van een deeltje (bijvoorbeeld van een foton) is de energie-inhoud van een deeltje in rust, en is volgens Einsteins massa-energierelatie E = mc² weer direct gerelateerd ...
Copyright © Tallsay.com. Alle rechten voorbehouden.
Door gebruik te maken van deze website geef je aan dat je onze Algemene voorwaarden en ons Privacy statement accepteert