Door Nick Robinson | Bijgewerkt op 24 maart 2022

yerfdog/iStock/Getty Images

Thermodynamica is de tak van de natuurkunde die onderzoekt hoe energie zich in grote systemen gedraagt. Het verbindt de beweging van deeltjes (kinetische energie) en de opgeslagen energie van hun posities (potentiële energie) met de warmte en het werk dat een systeem kan genereren. Door de eeuwen heen hebben wetenschappers als Isaac Newton en James Joule deze kennis gedestilleerd in de drie fundamentele wetten die alle energie-uitwisselingen beheersen.

De nulde wet:evenwicht

De zogenaamde ‘nulwet’ legt het concept van thermisch evenwicht vast. Het stelt dat als twee systemen elk in evenwicht zijn met een derde systeem, ze ook met elkaar in evenwicht zijn. In de praktijk betekent dit dat wanneer je een pan met water verwarmt, de warmte zich gelijkmatig verspreidt totdat elk molecuul in de pan dezelfde temperatuur bereikt, ook al werd de warmte alleen aan de onderkant toegepast.

De eerste wet:behoud van energie

De eerste wet, ook bekend als de wet van behoud van energie, vertelt ons dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd, maar alleen kan worden getransformeerd. De totale energie van een gesloten systeem (de som van kinetische en potentiële energie) is gelijk aan de toegevoegde warmte minus de verrichte arbeid. Dit principe verklaart waarom een auto moet tanken:de chemische potentiële energie in benzine wordt omgezet in mechanisch werk en afvalwarmte terwijl de motor draait.

De tweede wet:entropie en inefficiëntie

De tweede wet introduceert het onvermijdelijke concept van entropie, de maatstaf voor wanorde of onbruikbare energie in een systeem. Het stelt dat geen enkel proces alle beschikbare energie in nuttig werk kan omzetten; een deel ervan zal altijd restwarmte worden. Bij verbrandingsmotoren verliezen zelfs de meest efficiënte ontwerpen energie aan entropie, wat ook machines met een perpetuum mobile uitsluit.