Jak wytwarzana jest energia, jak jest przekształcana z jednej postaci w drugą i co dzieje się z energią w systemie zamkniętym? Na wszystkie te pytania odpowiadają prawa termodynamiki. Druga zasada termodynamiki zostanie omówiona dzisiaj bardziej szczegółowo.
Prawa w życiu codziennym
Prawa rządzą życiem codziennym. Przepisy drogowe mówią, że musisz się zatrzymać na znakach stopu. Rząd domaga się oddania części ich pensji państwu i rządowi federalnemu. Nawet naukowe mają zastosowanie w życiu codziennym. Na przykład prawo grawitacji przewiduje raczej kiepski wynik dla tych, którzy próbują latać. Innym zbiorem praw naukowych, które wpływają na życie codzienne, są prawa termodynamiki. Oto kilka przykładów, aby zobaczyć, jak wpływają na codzienne życie.
Pierwsze Prawo Termodynamiki
Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że energii nie można stworzyć ani zniszczyć, ale można ją przekształcić z jednej postaci w drugą. Jest to również czasami określane jako prawo zachowania energii. Więc jak to jestdotyczy życia codziennego? Weźmy na przykład komputer, którego teraz używasz. Żywi się energią, ale skąd ta energia pochodzi? Pierwsza zasada termodynamiki mówi nam, że ta energia nie mogła pochodzić z powietrza, więc skądś pochodzi.
Możesz śledzić tę energię. Komputer jest zasilany prądem, ale skąd się bierze prąd? Zgadza się, z elektrowni lub elektrowni wodnej. Jeśli weźmiemy pod uwagę to drugie, będzie to związane z tamą, która powstrzymuje rzekę. Rzeka ma połączenie z energią kinetyczną, co oznacza, że rzeka płynie. Tama przekształca tę energię kinetyczną w energię potencjalną.
Jak działa elektrownia wodna? Do obracania turbiny używa się wody. Gdy turbina się obraca, wprawiany jest w ruch generator, który wytwarza prąd. Ta energia elektryczna może być prowadzona w całości przewodami z elektrowni do domu, dzięki czemu po podłączeniu przewodu zasilającego do gniazdka elektrycznego energia elektryczna wchodzi do komputera, aby mógł działać.
Co się tutaj stało? Była już pewna ilość energii, która była związana z wodą w rzece jako energia kinetyczna. Potem zamienił się w energię potencjalną. Tama następnie zabrała tę potencjalną energię i zamieniła ją w energię elektryczną, która następnie mogła wejść do twojego domu i zasilić twój komputer.
Druga zasada termodynamiki
Studiując to prawo, można zrozumieć, jak działa energia i dlaczego wszystko zmierza w kierunkumożliwy chaos i nieporządek. Druga zasada termodynamiki nazywana jest również prawem entropii. Czy zastanawiałeś się kiedyś, jak powstał wszechświat? Zgodnie z teorią Wielkiego Wybuchu, zanim wszystko się narodziło, zebrała się ogromna ilość energii. Wszechświat pojawił się po Wielkim Wybuchu. Wszystko to jest dobre, ale jaki to był rodzaj energii? Na początku czasu cała energia we wszechświecie była zawarta w jednym stosunkowo małym miejscu. Ta intensywna koncentracja reprezentowała ogromną ilość tak zwanej energii potencjalnej. Z biegiem czasu rozprzestrzenił się po rozległym obszarze naszego wszechświata.
W znacznie mniejszej skali zbiornik wodny utrzymywany przez zaporę zawiera energię potencjalną, ponieważ jego lokalizacja umożliwia jej przepływ przez zaporę. W każdym przypadku zmagazynowana energia, po uwolnieniu, rozprzestrzenia się i robi to bez żadnego wysiłku. Innymi słowy, uwolnienie energii potencjalnej jest procesem spontanicznym, który zachodzi bez potrzeby dodatkowych zasobów. Gdy energia jest rozprowadzana, część z niej jest przekształcana w energię użyteczną i wykonuje pewną pracę. Reszta jest przekształcana w bezużyteczną, po prostu zwaną ciepłem.
W miarę rozszerzania się wszechświata zawiera coraz mniej użytecznej energii. Jeśli dostępne są mniej przydatne, można wykonać mniej pracy. Ponieważ woda przepływa przez tamę, zawiera również mniej użytecznej energii. Ten spadek energii użytecznej w czasie nazywa się entropią, gdzie entropia toilość niewykorzystanej energii w systemie, a system to tylko zbiór obiektów, które składają się na całość.
Entropia może być również określana jako ilość przypadkowości lub chaosu w organizacji bez organizacji. Wraz ze spadkiem energii użytecznej z czasem wzrasta dezorganizacja i chaos. Tak więc, gdy nagromadzona energia potencjalna jest uwalniana, nie wszystko to jest przekształcane w energię użyteczną. Wszystkie systemy doświadczają tego wzrostu entropii w czasie. Jest to bardzo ważne, aby zrozumieć, a zjawisko to nazywa się drugą zasadą termodynamiki.
Entropia: szansa lub wada
Jak można się domyślić, drugie prawo jest zgodne z pierwszym, powszechnie określanym jako prawo zachowania energii i stwierdza, że energii nie można stworzyć ani zniszczyć. Innymi słowy, ilość energii we wszechświecie lub dowolnym systemie jest stała. Druga zasada termodynamiki jest powszechnie nazywana prawem entropii i głosi, że w miarę upływu czasu energia staje się mniej użyteczna, a jej jakość spada z czasem. Entropia to stopień przypadkowości lub defektów systemu. Jeśli system jest bardzo nieuporządkowany, to ma dużą entropię. Jeśli w systemie jest wiele usterek, entropia jest niska.
W uproszczeniu, druga zasada termodynamiki mówi, że entropia systemu nie może maleć z upływem czasu. Oznacza to, że w naturze rzeczy przechodzą od stanu porządku do stanu nieporządku. I jest to nieodwracalne. System nigdysam stanie się bardziej uporządkowany. Innymi słowy, w naturze entropia systemu zawsze wzrasta. Jednym ze sposobów myślenia o tym jest twój dom. Jeśli nigdy go nie wyczyścisz i odkurzysz, wkrótce będziesz mieć straszny bałagan. Entropia wzrosła! Aby go zmniejszyć, konieczne jest użycie energii do użycia odkurzacza i mopa do oczyszczenia powierzchni z kurzu. Dom sam się nie posprząta.
Jaka jest druga zasada termodynamiki? Sformułowanie w prostych słowach mówi, że gdy energia zmienia się z jednej formy w drugą, materia albo porusza się swobodnie, albo entropia (zaburzenie) w układzie zamkniętym wzrasta. Różnice w temperaturze, ciśnieniu i gęstości mają tendencję do wyrównywania się w czasie. Ze względu na grawitację gęstość i ciśnienie nie wyrównują się w pionie. Gęstość i ciśnienie na dole będą większe niż na górze. Entropia jest miarą rozprzestrzeniania się materii i energii wszędzie tam, gdzie ma dostęp. Najczęstsze sformułowanie drugiej zasady termodynamiki związane jest głównie z Rudolfem Clausiusem, który powiedział:
Niemożliwe jest zbudowanie urządzenia, które nie daje innego efektu niż przenoszenie ciepła z ciała o niższej temperaturze do ciała o wyższej temperaturze.
Innymi słowy, wszystko stara się utrzymać tę samą temperaturę przez cały czas. Istnieje wiele sformułowań drugiej zasady termodynamiki, które używają różnych terminów, ale wszystkie oznaczają to samo. Kolejne oświadczenie Clausiusa:
Ciepło samo w sobie nie jestprzejście z zimnego do gorętszego ciała.
Drugie prawo dotyczy tylko dużych systemów. Dotyczy prawdopodobnego zachowania systemu, w którym nie ma energii ani materii. Im większy system, tym bardziej prawdopodobna jest druga zasada.
Inne sformułowanie prawa:
Całkowita entropia zawsze wzrasta w spontanicznym procesie.
Wzrost entropii ΔS w trakcie procesu musi być większy lub równy stosunkowi ilości ciepła Q przekazywanego do układu do temperatury T, w której ciepło jest przekazywane. Wzór drugiej zasady termodynamiki:
System termodynamiczny
W ogólnym sensie sformułowanie drugiej zasady termodynamiki w prostych słowach stwierdza, że różnice temperatur między stykającymi się ze sobą układami mają tendencję do wyrównywania się i że można uzyskać pracę z tych różnic nierównowagowych. Ale w tym przypadku następuje utrata energii cieplnej i wzrasta entropia. Różnice w ciśnieniu, gęstości i temperaturze w systemie izolowanym mają tendencję do wyrównywania się, jeśli nadarzy się okazja; gęstość i ciśnienie, ale nie temperatura, zależą od grawitacji. Silnik cieplny to urządzenie mechaniczne, które zapewnia użyteczną pracę ze względu na różnicę temperatur między dwoma ciałami.
System termodynamiczny to taki, który oddziałuje i wymienia energię z otaczającym go obszarem. Wymiana i przelew musi nastąpić na co najmniej dwa sposoby. Jednym ze sposobów powinno być przenoszenie ciepła. Jeśliukład termodynamiczny „jest w równowadze”, nie może zmienić swojego stanu ani statusu bez interakcji z otoczeniem. Mówiąc prosto, jeśli jesteś w równowadze, jesteś „szczęśliwym systemem”, nic nie możesz zrobić. Jeśli chcesz coś zrobić, musisz wejść w interakcję ze światem zewnętrznym.
Druga zasada termodynamiki: nieodwracalność procesów
Nie można mieć procesu cyklicznego (powtarzającego się), który całkowicie zamienia ciepło w pracę. Niemożliwe jest również posiadanie procesu, który przenosi ciepło z zimnych przedmiotów do ciepłych przedmiotów bez użycia pracy. Część energii w reakcji jest zawsze tracona na ciepło. Ponadto system nie może przekształcić całej swojej energii w energię roboczą. Druga część prawa jest bardziej oczywista.
Zimne ciało nie może ogrzać ciepłego ciała. Ciepło w naturalny sposób przepływa z cieplejszych do chłodniejszych obszarów. Jeśli ciepło przechodzi z chłodniejszego do cieplejszego, jest to sprzeczne z tym, co jest „naturalne”, więc system musi wykonać pewną pracę, aby tak się stało. Nieodwracalność procesów w przyrodzie to druga zasada termodynamiki. Jest to chyba najbardziej znane (przynajmniej wśród naukowców) i najważniejsze prawo całej nauki. Jedno z jego sformułowań:
Entropia Wszechświata dąży do maksimum.
Innymi słowy, entropia albo pozostaje taka sama, albo rośnie, entropia Wszechświata nigdy nie może się zmniejszyć. Problem w tym, że tak jest zawszePrawidłowy. Jeśli weźmiesz butelkę perfum i rozpylisz ją w pokoju, to wkrótce pachnące atomy wypełnią całą przestrzeń, a proces ten jest nieodwracalny.
Związki w termodynamice
Prawa termodynamiki opisują związek między energią cieplną lub ciepłem a innymi formami energii oraz jak energia wpływa na materię. Pierwsza zasada termodynamiki mówi, że energii nie można stworzyć ani zniszczyć; całkowita ilość energii we wszechświecie pozostaje niezmieniona. Druga zasada termodynamiki dotyczy jakości energii. Stwierdza, że gdy energia jest przesyłana lub przekształcana, coraz więcej energii użytecznej jest tracone. Drugie prawo mówi również, że istnieje naturalna tendencja do tego, aby każdy izolowany system stał się bardziej nieuporządkowany.
Nawet gdy porządek w danym miejscu wzrasta, biorąc pod uwagę cały system, w tym środowisko, zawsze następuje wzrost entropii. W innym przykładzie kryształy mogą tworzyć się z roztworu soli po odparowaniu wody. Kryształy są bardziej uporządkowane niż cząsteczki soli w roztworze; jednak woda odparowana jest znacznie bardziej nieuporządkowana niż woda w stanie ciekłym. Proces traktowany jako całość powoduje wzrost netto nieporządku.
Praca i energia
Drugie prawo wyjaśnia, że niemożliwe jest przekształcenie energii cieplnej w energię mechaniczną ze 100-procentową wydajnością. Przykład można podać za pomocąsamochodem. Po procesie podgrzewania gazu w celu zwiększenia jego ciśnienia napędzającego tłok, zawsze pozostaje w gazie trochę ciepła, które nie może być wykorzystane do wykonania dodatkowej pracy. To ciepło odpadowe należy usunąć poprzez przeniesienie go do grzejnika. W przypadku silnika samochodowego odbywa się to poprzez odprowadzenie mieszanki wypalonego paliwa i powietrza do atmosfery.
Ponadto każde urządzenie z ruchomymi częściami wytwarza tarcie, które przekształca energię mechaniczną w ciepło, które zwykle jest bezużyteczne i musi zostać usunięte z systemu poprzez przeniesienie go do grzejnika. Kiedy ciało gorące i ciało zimne stykają się ze sobą, energia cieplna przepływa z ciała gorącego do ciała zimnego, aż osiągną równowagę termiczną. Jednak upał nigdy nie powróci w drugą stronę; różnica temperatur między dwoma ciałami nigdy nie wzrośnie samoistnie. Przeniesienie ciepła z ciała zimnego do gorącego wymaga pracy wykonanej przez zewnętrzne źródło energii, takie jak pompa ciepła.
Los Wszechświata
Drugie prawo również przewiduje koniec wszechświata. Jest to ostateczny poziom nieporządku, jeśli wszędzie panuje stała równowaga termiczna, nie można wykonać żadnej pracy, a cała energia skończy się jako przypadkowy ruch atomów i cząsteczek. Według współczesnych danych metagalaktyka jest rozszerzającym się układem niestacjonarnym i nie można mówić o śmierci cieplnej Wszechświata. śmierć cieplnajest stanem równowagi termicznej, w którym zatrzymują się wszystkie procesy.
Ta pozycja jest błędna, ponieważ druga zasada termodynamiki dotyczy tylko układów zamkniętych. A wszechświat, jak wiesz, jest nieograniczony. Jednak sam termin „śmierć cieplna Wszechświata” jest czasami używany w odniesieniu do scenariusza przyszłego rozwoju Wszechświata, zgodnie z którym będzie on nadal rozszerzał się w nieskończoność w ciemność kosmosu, aż zamieni się w rozproszony zimny pył.
