Cum se generează energia, cum este convertită dintr-o formă în alta și ce se întâmplă cu energia într-un sistem închis? La toate aceste întrebări se poate răspunde prin legile termodinamicii. A doua lege a termodinamicii va fi discutată mai detaliat astăzi.
Legi în viața de zi cu zi
Legile guvernează viața de zi cu zi. Legile rutiere spun că trebuie să vă opriți la semnele de oprire. Guvernul cere să dea o parte din salariul lor statului și guvernului federal. Chiar și cele științifice sunt aplicabile în viața de zi cu zi. De exemplu, legea gravitației prezice un rezultat destul de slab pentru cei care încearcă să zboare. Un alt set de legi științifice care afectează viața de zi cu zi sunt legile termodinamicii. Așadar, iată câteva exemple pentru a vedea cum afectează acestea viața de zi cu zi.
Prima lege a termodinamicii
Prima lege a termodinamicii spune că energia nu poate fi creată sau distrusă, dar poate fi transformată dintr-o formă în alta. Aceasta este uneori denumită și legea conservării energiei. Deci cum estese aplică vieții de zi cu zi? Ei bine, luați, de exemplu, computerul pe care îl utilizați acum. Se hrănește cu energie, dar de unde vine această energie? Prima lege a termodinamicii ne spune că această energie nu putea veni din aer, așa că a venit de undeva.
Puteți urmări această energie. Calculatorul este alimentat de energie electrică, dar de unde provine electricitatea? Așa e, de la o centrală electrică sau hidrocentrală. Dacă luăm în considerare al doilea, atunci acesta va fi asociat cu un baraj care reține râul. Râul are o legătură cu energia cinetică, ceea ce înseamnă că râul curge. Barajul transformă această energie cinetică în energie potențială.
Cum funcționează o centrală hidroelectrică? Apa este folosită pentru a transforma turbina. Când turbina se rotește, se pune în mișcare un generator, care va crea electricitate. Această energie electrică poate fi condusă în întregime prin fire de la centrala electrică la casa dvs., astfel încât atunci când conectați cablul de alimentare la o priză electrică, electricitatea intră în computer pentru a putea funcționa.
Ce s-a întâmplat aici? Exista deja o anumită cantitate de energie care era asociată cu apa din râu ca energie cinetică. Apoi s-a transformat în energie potențială. Barajul a preluat apoi acea energie potențială și a transformat-o în electricitate, care ar putea apoi să intre în casă și să-ți alimenteze computerul.
A doua lege a termodinamicii
Prin studiind această lege, se poate înțelege cum funcționează energia și de ce totul se îndreaptă spreposibil haos și dezordine. A doua lege a termodinamicii se mai numește și legea entropiei. Te-ai întrebat vreodată cum a apărut universul? Potrivit Teoriei Big Bang, înainte ca totul să se nască, o cantitate imensă de energie s-a adunat împreună. Universul a apărut după Big Bang. Toate acestea sunt bune, dar ce fel de energie a fost? La începutul timpului, toată energia din univers era conținută într-un loc relativ mic. Această concentrare intensă a reprezentat o cantitate uriașă din ceea ce se numește energie potențială. De-a lungul timpului, s-a răspândit în întreaga vastă întindere a universului nostru.
La o scară mult mai mică, rezervorul de apă deținut de baraj conține energie potențială, deoarece locația acestuia îi permite să curgă prin baraj. În fiecare caz, energia stocată, odată eliberată, se răspândește și face acest lucru fără a depune niciun efort. Cu alte cuvinte, eliberarea de energie potențială este un proces spontan care are loc fără a fi nevoie de resurse suplimentare. Pe măsură ce energia este distribuită, o parte din ea este convertită în energie utilă și efectuează o anumită muncă. Restul este transformat în inutilizabil, numit pur și simplu căldură.
Pe măsură ce universul continuă să se extindă, el conține din ce în ce mai puțină energie utilizabilă. Dacă este disponibil mai puțin util, se poate face mai puțină muncă. Deoarece apa curge prin baraj, ea conține și mai puțină energie utilă. Această scădere a energiei utilizabile în timp se numește entropie, unde este entropiacantitatea de energie neutilizată din sistem, iar sistemul este doar o colecție de obiecte care alcătuiesc întregul.
Entropia poate fi denumită și cantitatea de aleatorie sau haos dintr-o organizație fără organizație. Pe măsură ce energia utilizabilă scade în timp, dezorganizarea și haosul cresc. Astfel, pe măsură ce energia potențială acumulată este eliberată, nu toate acestea sunt convertite în energie utilă. Toate sistemele experimentează această creștere a entropiei în timp. Acest lucru este foarte important de înțeles și acest fenomen se numește a doua lege a termodinamicii.
Entropie: șansă sau defect
După cum probabil ați ghicit, a doua lege urmează pe prima, denumită în mod obișnuit legea conservării energiei și afirmă că energia nu poate fi creată și nu poate fi distrusă. Cu alte cuvinte, cantitatea de energie din univers sau din orice sistem este constantă. A doua lege a termodinamicii este denumită în mod obișnuit legea entropiei și susține că, pe măsură ce trece timpul, energia devine mai puțin utilă și calitatea ei scade în timp. Entropia este gradul de aleatorie sau defectele pe care le are un sistem. Dacă sistemul este foarte dezordonat, atunci are o entropie mare. Dacă există multe erori în sistem, atunci entropia este scăzută.
În termeni simpli, a doua lege a termodinamicii afirmă că entropia unui sistem nu poate scădea în timp. Aceasta înseamnă că în natură lucrurile trec de la o stare de ordine la o stare de dezordine. Și este ireversibil. Sistemul niciodatăva deveni mai ordonat de la sine. Cu alte cuvinte, în natură, entropia unui sistem crește întotdeauna. O modalitate de a te gândi la asta este casa ta. Dacă nu îl curățați și nu îl aspirați niciodată, atunci destul de curând veți avea o mizerie groaznică. Entropia a crescut! Pentru a o reduce, este necesar să folosiți energie pentru a folosi un aspirator și un mop pentru a curăța suprafața de praf. Casa nu se va curăța singură.
Care este a doua lege a termodinamicii? Formularea în cuvinte simple spune că atunci când energia se schimbă de la o formă la alta, materia fie se mișcă liber, fie entropia (dezordinea) într-un sistem închis crește. Diferențele de temperatură, presiune și densitate tind să se stabilească orizontal în timp. Din cauza gravitației, densitatea și presiunea nu se egalizează pe verticală. Densitatea și presiunea în partea de jos vor fi mai mari decât în partea de sus. Entropia este o măsură a răspândirii materiei și energiei oriunde are acces. Cea mai comună formulare a celei de-a doua legi a termodinamicii este asociată în principal cu Rudolf Clausius, care a spus:
Este imposibil să construiești un dispozitiv care să nu producă alt efect decât transferul de căldură de la un corp cu o temperatură mai scăzută la un corp cu o temperatură mai mare.
Cu alte cuvinte, totul încearcă să mențină aceeași temperatură în timp. Există multe formulări ale celei de-a doua legi a termodinamicii care folosesc termeni diferiți, dar toate înseamnă același lucru. O altă declarație Clausius:
Căldura în sine nu estetrecând de la un corp rece la unul mai fierbinte.
A doua lege se aplică numai sistemelor mari. Se referă la comportamentul probabil al unui sistem în care nu există energie sau materie. Cu cât sistemul este mai mare, cu atât este mai probabilă a doua lege.
O altă formulare a legii:
Entropia totală crește întotdeauna într-un proces spontan.
Creșterea entropiei ΔS în timpul procesului trebuie să depășească sau să fie egală cu raportul dintre cantitatea de căldură Q transferată în sistem și temperatura T la care este transferată căldura. Formula celei de-a doua legi a termodinamicii:
Sistem termodinamic
În sens general, formularea celei de-a doua legi a termodinamicii în termeni simpli afirmă că diferențele de temperatură între sistemele în contact unele cu altele tind să se egalizeze și că din aceste diferențe de neechilibru se poate obține lucru. Dar în acest caz, există o pierdere de energie termică, iar entropia crește. Diferențele de presiune, densitate și temperatură într-un sistem izolat tind să se egaleze dacă se oferă ocazia; densitatea și presiunea, dar nu și temperatura, depind de gravitație. Un motor termic este un dispozitiv mecanic care asigură muncă utilă datorită diferenței de temperatură dintre două corpuri.
Un sistem termodinamic este unul care interacționează și schimbă energie cu zona din jurul său. Schimbul și transferul trebuie să aibă loc în cel puțin două moduri. O modalitate ar trebui să fie transferul de căldură. În cazul în care unsistemul termodinamic „este în echilibru”, nu își poate schimba starea sau starea fără a interacționa cu mediul. Mai simplu spus, dacă ești în echilibru, ești un „sistem fericit”, nu poți face nimic. Dacă vrei să faci ceva, trebuie să interacționezi cu lumea exterioară.
A doua lege a termodinamicii: ireversibilitatea proceselor
Este imposibil să existe un proces ciclic (repetat) care transformă complet căldura în muncă. De asemenea, este imposibil să existe un proces care transferă căldura de la obiecte reci la obiecte calde fără a folosi munca. O parte de energie într-o reacție este întotdeauna pierdută la căldură. De asemenea, sistemul nu poate converti toată energia sa în energie de lucru. A doua parte a legii este mai evidentă.
Un corp rece nu poate încălzi un corp cald. Căldura tinde în mod natural să curgă din zonele mai calde către cele mai reci. Dacă căldura trece de la mai rece la mai cald, este contrar a ceea ce este „natural”, așa că sistemul trebuie să lucreze pentru a face acest lucru. Ireversibilitatea proceselor din natură este a doua lege a termodinamicii. Aceasta este poate cea mai faimoasă (cel puțin printre oamenii de știință) și cea mai importantă lege a tuturor științei. Una dintre formulările sale:
Entropia Universului tinde spre maxim.
Cu alte cuvinte, entropia fie rămâne aceeași, fie devine mai mare, entropia Universului nu poate scădea niciodată. Problema este că este întotdeaunadreapta. Dacă luați o sticlă de parfum și o pulverizați într-o cameră, atunci în curând atomii parfumați vor umple întreg spațiul, iar acest proces este ireversibil.
Relații în termodinamică
Legile termodinamicii descriu relația dintre energia termică sau căldură și alte forme de energie și modul în care energia afectează materia. Prima lege a termodinamicii afirmă că energia nu poate fi creată sau distrusă; cantitatea totală de energie din univers rămâne neschimbată. A doua lege a termodinamicii se referă la calitatea energiei. Se afirmă că, pe măsură ce energia este transferată sau convertită, se pierde din ce în ce mai multă energie utilizabilă. A doua lege mai spune că există o tendință naturală ca orice sistem izolat să devină mai dezordonat.
Chiar și atunci când ordinea crește într-un anumit loc, când iei în calcul întregul sistem, inclusiv mediul, există întotdeauna o creștere a entropiei. Într-un alt exemplu, se pot forma cristale dintr-o soluție de sare atunci când apa este evaporată. Cristalele sunt mai ordonate decât moleculele de sare în soluție; cu toate acestea, apa evaporată este mult mai dezordonată decât apa lichidă. Procesul luat în ansamblu are ca rezultat o creștere netă a tulburării.
Munca și energie
A doua lege explică că este imposibil să transformi energia termică în energie mecanică cu o eficiență de 100%. Un exemplu poate fi dat cuCu mașina. După procesul de încălzire a gazului pentru a-și crește presiunea pentru a antrena pistonul, rămâne întotdeauna o cantitate de căldură în gaz care nu poate fi folosită pentru a efectua lucrări suplimentare. Această căldură reziduală trebuie eliminată prin transferarea ei într-un calorifer. În cazul unui motor de mașină, acest lucru se realizează prin extragerea combustibilului uzat și a amestecului de aer în atmosferă.
În plus, orice dispozitiv cu piese în mișcare creează frecare care transformă energia mecanică în căldură, care este de obicei inutilizabilă și trebuie îndepărtată din sistem prin transferarea acesteia într-un radiator. Când un corp fierbinte și un corp rece sunt în contact unul cu celăl alt, energia termică va curge din corpul fierbinte în corpul rece până când ajung la echilibrul termic. Cu toate acestea, căldura nu se va întoarce niciodată în altă parte; diferența de temperatură dintre două corpuri nu va crește niciodată spontan. Mutarea căldurii de la un corp rece la un corp fierbinte necesită lucru care trebuie efectuat de o sursă externă de energie, cum ar fi o pompă de căldură.
Soarta universului
A doua lege prezice, de asemenea, sfârșitul universului. Acesta este nivelul suprem de dezordine, dacă există un echilibru termic constant peste tot, nu se poate lucra și toată energia va ajunge ca o mișcare aleatorie a atomilor și moleculelor. Conform datelor moderne, Metagalaxia este un sistem non-staționar în expansiune și nu se poate vorbi despre moartea termică a Universului. moarte prin căldurăeste o stare de echilibru termic la care toate procesele se opresc.
Această poziție este eronată, deoarece a doua lege a termodinamicii se aplică numai sistemelor închise. Și universul, după cum știți, este nelimitat. Cu toate acestea, însuși termenul „moartea la căldură a Universului” este uneori folosit pentru a se referi la un scenariu de dezvoltare viitoare a Universului, conform căruia acesta va continua să se extindă la infinit în întunericul spațiului până când se va transforma în praf rece împrăștiat..
