Kaip generuojama energija, kaip ji paverčiama iš vienos formos į kitą ir kas nutinka energijai uždaroje sistemoje? Į visus šiuos klausimus galima atsakyti termodinamikos dėsniais. Šiandien bus išsamiau aptariamas antrasis termodinamikos dėsnis.
Įstatymai kasdieniame gyvenime
Įstatymai reguliuoja kasdienį gyvenimą. Kelių įstatymai sako, kad reikia sustoti prie sustojimo ženklų. Vyriausybė reikalauja dalį savo atlyginimo skirti valstijai ir federalinei vyriausybei. Netgi moksliniai pritaikomi kasdieniame gyvenime. Pavyzdžiui, gravitacijos dėsnis prognozuoja gana prastą rezultatą tiems, kurie bando skristi. Kitas mokslinių dėsnių rinkinys, turintis įtakos kasdieniam gyvenimui, yra termodinamikos dėsniai. Taigi čia yra keletas pavyzdžių, kaip jie veikia kasdienį gyvenimą.
Pirmasis termodinamikos dėsnis
Pirmasis termodinamikos dėsnis teigia, kad energija negali būti sukurta ar sunaikinta, tačiau ji gali virsti iš vienos formos į kitą. Tai taip pat kartais vadinama energijos tvermės dėsniu. Taigi kaip yrataikoma kasdieniame gyvenime? Na, paimkite, pavyzdžiui, kompiuterį, kurį naudojate dabar. Jis maitinasi energija, bet iš kur ši energija? Pirmasis termodinamikos dėsnis mums sako, kad ši energija negalėjo kilti iš oro, todėl ji atsirado iš kažkur.
Galite atsekti šią energiją. Kompiuteris maitinamas elektra, bet iš kur elektra? Teisingai, iš elektrinės ar hidroelektrinės. Jei svarstysime antrąjį, tai jis bus susijęs su užtvanka, kuri sulaiko upę. Upė turi ryšį su kinetine energija, vadinasi, upė teka. Užtvanka šią kinetinę energiją paverčia potencialia energija.
Kaip veikia hidroelektrinė? Vanduo naudojamas turbinai sukti. Kai turbina sukasi, paleidžiamas generatorius, kuris gamins elektrą. Šią elektrą galima tik laidais tiekti iš elektrinės į jūsų namus, kad kai įkišate maitinimo laidą į elektros lizdą, elektra patenka į jūsų kompiuterį, kad jis veiktų.
Kas čia atsitiko? Jau buvo tam tikras energijos kiekis, kuris buvo susijęs su upės vandeniu kaip kinetinė energija. Tada ji virto potencialia energija. Tada užtvanka paėmė tą potencialią energiją ir pavertė ją elektra, kuri galėjo patekti į jūsų namus ir maitinti jūsų kompiuterį.
Antrasis termodinamikos dėsnis
Studijuojant šį dėsnį, galima suprasti, kaip veikia energija ir kodėl viskas juda linkgalimas chaosas ir netvarka. Antrasis termodinamikos dėsnis dar vadinamas entropijos dėsniu. Ar kada nors susimąstėte, kaip atsirado visata? Remiantis Didžiojo sprogimo teorija, prieš viskam gimstant, susikaupė didžiulis energijos kiekis. Visata atsirado po Didžiojo sprogimo. Visa tai gerai, bet kokia tai buvo energija? Laiko pradžioje visa visatos energija buvo vienoje palyginti mažoje vietoje. Ši intensyvi koncentracija sudarė didžiulį kiekį vadinamosios potencialios energijos. Laikui bėgant jis išplito visoje mūsų visatos erdvėje.
Daug mažesniu mastu vandens rezervuare, kurį laiko užtvanka, yra potenciali energija, nes jos vieta leidžia jai tekėti per užtvanką. Kiekvienu atveju sukaupta energija, išleidusi, pasklinda ir tai daro be jokių pastangų. Kitaip tariant, potencialios energijos išlaisvinimas yra spontaniškas procesas, kuris vyksta be papildomų išteklių. Energijai pasiskirstant, dalis jos paverčiama naudinga energija ir atlieka tam tikrą darbą. Likusi dalis paverčiama netinkama naudoti, tiesiog vadinama šiluma.
Visata ir toliau plečiasi, joje vis mažiau naudojamos energijos. Jei yra mažiau naudingo, galima atlikti mažiau darbo. Kadangi vanduo teka per užtvanką, jame taip pat yra mažiau naudingos energijos. Šis naudingos energijos sumažėjimas laikui bėgant vadinamas entropija, kur yra entropijanepanaudotos energijos kiekis sistemoje, o sistema yra tik objektų, sudarančių visumą, rinkinys.
Entropija taip pat gali būti vadinama atsitiktinumo ar chaoso kiekiu organizacijoje be organizacijos. Bėgant laikui mažėjant naudojamai energijai, didėja netvarka ir chaosas. Taigi, išsilaisvinus sukauptai potencinei energijai, ne visa tai paverčiama naudinga energija. Visos sistemos patiria šį entropijos padidėjimą laikui bėgant. Tai labai svarbu suprasti ir šis reiškinys vadinamas antruoju termodinamikos dėsniu.
Entropija: atsitiktinumas arba defektas
Kaip jau galėjote atspėti, antrasis dėsnis seka pirmuoju, paprastai vadinamu energijos tvermės dėsniu, ir teigia, kad energija negali būti sukurta ir negali būti sunaikinta. Kitaip tariant, energijos kiekis visatoje ar bet kurioje sistemoje yra pastovus. Antrasis termodinamikos dėsnis paprastai vadinamas entropijos dėsniu ir teigia, kad laikui bėgant energija tampa mažiau naudinga, o jos kokybė laikui bėgant blogėja. Entropija yra sistemos atsitiktinumo arba defektų laipsnis. Jei sistema yra labai netvarkinga, tada ji turi didelę entropiją. Jei sistemoje yra daug gedimų, tada entropija yra maža.
Paprasčiau tariant, antrasis termodinamikos dėsnis teigia, kad sistemos entropija laikui bėgant negali mažėti. Tai reiškia, kad gamtoje viskas iš tvarkos būsenos pereina į netvarkos būseną. Ir tai negrįžtama. Sistema niekadasavaime taps tvarkingesnis. Kitaip tariant, gamtoje sistemos entropija visada didėja. Vienas iš būdų apie tai galvoti yra jūsų namai. Jei niekada jo nevalysite ir nesiurbsite, netrukus turėsite siaubingą netvarką. Entropija išaugo! Norint jį sumažinti, reikia naudoti energiją dulkių siurbliui ir šluostei valyti paviršių nuo dulkių. Namas pats neišsivalys.
Kas yra antrasis termodinamikos dėsnis? Formuluotė paprastais žodžiais sako, kad kai energija keičiasi iš vienos formos į kitą, materija arba juda laisvai, arba didėja entropija (sutrikimas) uždaroje sistemoje. Temperatūros, slėgio ir tankio skirtumai laikui bėgant linkę išsilyginti horizontaliai. Dėl gravitacijos tankis ir slėgis nesilygina vertikaliai. Tankis ir slėgis apačioje bus didesni nei viršuje. Entropija yra medžiagos ir energijos plitimo matas visur, kur ji turi prieigą. Dažniausia antrojo termodinamikos dėsnio formuluotė daugiausia siejama su Rudolfu Clausiumi, kuris pasakė:
Neįmanoma sukurti įrenginio, kuris nesukeltų kitokio efekto, kaip tik šilumos perdavimas iš žemesnės temperatūros kūno į aukštesnės temperatūros kūną.
Kitaip tariant, viskas laikui bėgant stengiasi išlaikyti tą pačią temperatūrą. Yra daug antrojo termodinamikos dėsnio formuluočių, kuriose vartojami skirtingi terminai, tačiau jie visi reiškia tą patį. Kitas Clausius pareiškimas:
Pati šilumos nėranuo š alto kūno virsta karštesniu.
Antrasis dėsnis taikomas tik didelėms sistemoms. Tai susiję su galimu sistemos, kurioje nėra energijos ar materijos, elgsenos. Kuo didesnė sistema, tuo labiau tikėtinas antrasis dėsnis.
Kita įstatymo formuluotė:
Bendra entropija visada didėja spontaniškai.
Entropijos ΔS padidėjimas proceso eigoje turi viršyti arba būti lygus šilumos kiekio Q, perduodamo sistemai, ir temperatūros T, kurioje perduodama šiluma, santykį. Antrojo termodinamikos dėsnio formulė:
Termodinaminė sistema
Bendrąja prasme antrojo termodinamikos dėsnio formuluotė paprastai teigia, kad temperatūrų skirtumai tarp tarpusavyje besiliečiančių sistemų linkę išsilyginti ir kad iš šių nepusiausvyrinių skirtumų galima gauti darbą. Tačiau šiuo atveju prarandama šiluminė energija, o entropija didėja. Slėgio, tankio ir temperatūros skirtumai izoliuotoje sistemoje linkę susilyginti, jei yra galimybė; tankis ir slėgis, bet ne temperatūra, priklauso nuo gravitacijos. Šilumos variklis yra mechaninis įrenginys, kuris atlieka naudingą darbą dėl dviejų kėbulų temperatūrų skirtumo.
Termodinaminė sistema yra tokia, kuri sąveikauja ir keičiasi energija su ją supančia sritimi. Keitimas ir perdavimas turi vykti bent dviem būdais. Vienas iš būdų turėtų būti šilumos perdavimas. Jeigutermodinaminė sistema „yra pusiausvyroje“, ji negali pakeisti savo būsenos ar būsenos nesąveikdama su aplinka. Paprasčiau tariant, jei esi pusiausvyroje, esi „laiminga sistema“, nieko nepadarysi. Jei norite ką nors padaryti, turite bendrauti su išoriniu pasauliu.
Antrasis termodinamikos dėsnis: procesų negrįžtamumas
Neįmanoma turėti ciklinio (pasikartojančio) proceso, kuris visiškai paverčia šilumą darbu. Taip pat neįmanoma turėti proceso, kuris perneštų šilumą iš š altų objektų į šiltus daiktus, nenaudojant darbo. Dalis energijos reakcijos metu visada prarandama dėl šilumos. Be to, sistema negali paversti visos savo energijos į darbo energiją. Antroji įstatymo dalis yra akivaizdesnė.
Š altas kūnas negali sušildyti šilto kūno. Šiluma natūraliai linkusi tekėti iš šiltesnių į vėsesnes vietas. Jei šiluma pereina iš vėsesnio į šiltesnį, tai prieštarauja tam, kas yra „natūralu“, todėl sistema turi šiek tiek padirbėti, kad tai įvyktų. Gamtoje vykstančių procesų negrįžtamumas yra antrasis termodinamikos dėsnis. Tai bene garsiausias (bent jau tarp mokslininkų) ir svarbiausias viso mokslo dėsnis. Viena iš jo formuluočių:
Visatos entropija linkusi į maksimumą.
Kitaip tariant, entropija arba išlieka tokia pati, arba didėja, Visatos entropija niekada negali sumažėti. Problema ta, kad taip visadateisingai. Jei paimsite buteliuką kvepalų ir išpurkšite juos kambaryje, greitai kvapnūs atomai užpildys visą erdvę, o šis procesas yra negrįžtamas.
Santykiai termodinamikoje
Terodinamikos dėsniai apibūdina ryšį tarp šiluminės energijos arba šilumos ir kitų energijos formų bei kaip energija veikia materiją. Pirmasis termodinamikos dėsnis teigia, kad energijos negalima sukurti ar sunaikinti; bendras energijos kiekis visatoje išlieka nepakitęs. Antrasis termodinamikos dėsnis yra apie energijos kokybę. Jame teigiama, kad perduodant ar paverčiant energiją prarandama vis daugiau naudingos energijos. Antrasis dėsnis taip pat teigia, kad yra natūrali tendencija, kad bet kuri izoliuota sistema tampa labiau netvarkinga.
Net kai tvarka tam tikroje vietoje didėja, kai atsižvelgiama į visą sistemą, įskaitant aplinką, entropija visada didėja. Kitame pavyzdyje, išgarinant vandenį, iš druskos tirpalo gali susidaryti kristalai. Kristalai yra labiau tvarkingi nei druskos molekulės tirpale; tačiau išgaravęs vanduo yra daug netvarkingesnis nei skystas vanduo. Visas procesas sukelia neto sutrikimo padidėjimą.
Darbas ir energija
Antrasis dėsnis paaiškina, kad šiluminės energijos neįmanoma paversti mechanine energija 100 procentų efektyvumu. Galima pateikti pavyzdį suautomobiliu. Įkaitinus dujas, siekiant padidinti jų slėgį stūmokliui varyti, dujose visada lieka šiek tiek šilumos, kurios negalima panaudoti jokiems papildomiems darbams atlikti. Šią šilumos atlieką reikia išmesti perkeliant ją į radiatorių. Automobilio variklio atveju tai daroma ištraukiant panaudotą kurą ir oro mišinį į atmosferą.
Be to, bet koks įrenginys su judančiomis dalimis sukuria trintį, kuri mechaninę energiją paverčia šiluma, kuri dažniausiai yra netinkama naudoti ir turi būti pašalinta iš sistemos perkeliant ją į radiatorių. Kai karštas ir š altas kūnas liečiasi vienas su kitu, šiluminė energija tekės iš karšto kūno į š altą kūną, kol pasieks šiluminę pusiausvyrą. Tačiau šiluma niekada negrįš kitu keliu; temperatūrų skirtumas tarp dviejų kūnų niekada spontaniškai nepadidės. Norint perkelti šilumą iš š alto korpuso į karštą, reikia atlikti išorinį energijos š altinį, pvz., šilumos siurblį.
Visatos likimas
Antrasis dėsnis taip pat numato visatos pabaigą. Tai yra didžiausias sutrikimo lygis, jei visur yra pastovi šiluminė pusiausvyra, negalima atlikti jokio darbo ir visa energija pasibaigs kaip atsitiktinis atomų ir molekulių judėjimas. Remiantis šiuolaikiniais duomenimis, Metagalaktika yra besiplečianti nestacionari sistema, o apie Visatos karščio mirtį negali būti nė kalbos. karščio mirtisyra šiluminės pusiausvyros būsena, kurioje sustoja visi procesai.
Ši pozicija yra klaidinga, nes antrasis termodinamikos dėsnis galioja tik uždaroms sistemoms. O visata, kaip žinote, yra beribė. Tačiau pats terminas „Visatos šiluminė mirtis“kartais vartojamas kalbant apie ateities Visatos raidos scenarijų, pagal kurį ji ir toliau plėsis iki begalybės į kosmoso tamsą, kol pavirs pasklidusiomis š altomis dulkėmis..
