Πώς παράγεται η ενέργεια, πώς μετατρέπεται από τη μια μορφή στην άλλη και τι συμβαίνει με την ενέργεια σε ένα κλειστό σύστημα; Όλα αυτά τα ερωτήματα μπορούν να απαντηθούν από τους νόμους της θερμοδυναμικής. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής θα συζητηθεί με περισσότερες λεπτομέρειες σήμερα.
Νόμοι στην καθημερινή ζωή
Νόμοι διέπουν την καθημερινή ζωή. Οι οδικοί νόμοι λένε ότι πρέπει να σταματήσετε σε πινακίδες στάσης. Η κυβέρνηση απαιτεί να δοθεί μέρος του μισθού τους στην πολιτεία και την ομοσπονδιακή κυβέρνηση. Ακόμη και τα επιστημονικά είναι εφαρμόσιμα στην καθημερινή ζωή. Για παράδειγμα, ο νόμος της βαρύτητας προβλέπει μια μάλλον κακή έκβαση για όσους προσπαθούν να πετάξουν. Ένα άλλο σύνολο επιστημονικών νόμων που επηρεάζουν την καθημερινή ζωή είναι οι νόμοι της θερμοδυναμικής. Ακολουθούν λοιπόν μερικά παραδείγματα για να δείτε πώς επηρεάζουν την καθημερινή ζωή.
Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής
Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί, αλλά μπορεί να μετατραπεί από τη μια μορφή στην άλλη. Αυτό μερικές φορές αναφέρεται και ως νόμος διατήρησης της ενέργειας. Πώς είναι λοιπόνισχύει για την καθημερινότητα; Λοιπόν, πάρτε, για παράδειγμα, τον υπολογιστή που χρησιμοποιείτε τώρα. Τρέφεται με ενέργεια, αλλά από πού προέρχεται αυτή η ενέργεια; Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής μας λέει ότι αυτή η ενέργεια δεν μπορούσε να προέλθει από τον αέρα, επομένως προήλθε από κάπου.
Μπορείτε να εντοπίσετε αυτήν την ενέργεια. Ο υπολογιστής τροφοδοτείται από ηλεκτρισμό, αλλά από πού προέρχεται η ηλεκτρική ενέργεια; Σωστά, από εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας ή υδροηλεκτρικό σταθμό. Αν αναλογιστούμε το δεύτερο, τότε θα συνδεθεί με ένα φράγμα που συγκρατεί το ποτάμι. Το ποτάμι έχει μια σύνδεση με την κινητική ενέργεια, που σημαίνει ότι το ποτάμι ρέει. Το φράγμα μετατρέπει αυτήν την κινητική ενέργεια σε δυναμική ενέργεια.
Πώς λειτουργεί ένας υδροηλεκτρικός σταθμός; Το νερό χρησιμοποιείται για την περιστροφή της τουρμπίνας. Όταν ο στρόβιλος περιστρέφεται, μια γεννήτρια τίθεται σε κίνηση, η οποία θα δημιουργήσει ηλεκτρισμό. Αυτή η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να μεταφερθεί εξ ολοκλήρου σε καλώδια από το εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στο σπίτι σας, έτσι ώστε όταν συνδέετε το καλώδιο ρεύματος σε μια ηλεκτρική πρίζα, η ηλεκτρική ενέργεια εισέρχεται στον υπολογιστή σας για να μπορεί να λειτουργήσει.
Τι συνέβη εδώ; Υπήρχε ήδη ένα ορισμένο ποσό ενέργειας που συνδέθηκε με το νερό του ποταμού ως κινητική ενέργεια. Στη συνέχεια μετατράπηκε σε δυναμική ενέργεια. Στη συνέχεια, το φράγμα πήρε αυτή τη δυνητική ενέργεια και τη μετέτρεψε σε ηλεκτρική ενέργεια, η οποία θα μπορούσε στη συνέχεια να εισέλθει στο σπίτι σας και να τροφοδοτήσει τον υπολογιστή σας.
Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής
Μελετώντας αυτόν τον νόμο, μπορεί κανείς να καταλάβει πώς λειτουργεί η ενέργεια και γιατί όλα κινούνται προς το μέροςπιθανό χάος και αταξία. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής ονομάζεται επίσης νόμος της εντροπίας. Έχετε αναρωτηθεί ποτέ πώς δημιουργήθηκε το σύμπαν; Σύμφωνα με τη Θεωρία της Μεγάλης Έκρηξης, πριν γεννηθούν όλα, συγκεντρώθηκε μια τεράστια ποσότητα ενέργειας. Το Σύμπαν εμφανίστηκε μετά τη Μεγάλη Έκρηξη. Όλα αυτά είναι καλά, αλλά τι είδους ενέργεια ήταν; Στην αρχή του χρόνου, όλη η ενέργεια στο σύμπαν βρισκόταν σε ένα σχετικά μικρό μέρος. Αυτή η έντονη συγκέντρωση αντιπροσώπευε μια τεράστια ποσότητα αυτού που ονομάζεται δυναμική ενέργεια. Με τον καιρό, εξαπλώθηκε σε όλη την τεράστια έκταση του σύμπαντος μας.
Σε πολύ μικρότερη κλίμακα, η δεξαμενή νερού που συγκρατείται από το φράγμα περιέχει δυναμική ενέργεια, καθώς η θέση της επιτρέπει να ρέει μέσα από το φράγμα. Σε κάθε περίπτωση, η αποθηκευμένη ενέργεια, αφού απελευθερωθεί, εξαπλώνεται και το κάνει χωρίς να καταβάλλεται προσπάθεια. Με άλλα λόγια, η απελευθέρωση δυνητικής ενέργειας είναι μια αυθόρμητη διαδικασία που συμβαίνει χωρίς την ανάγκη πρόσθετων πόρων. Καθώς η ενέργεια διανέμεται, μέρος της μετατρέπεται σε χρήσιμη ενέργεια και εκτελεί κάποια εργασία. Το υπόλοιπο μετατρέπεται σε αχρησιμοποίητο, που ονομάζεται απλά θερμότητα.
Καθώς το σύμπαν συνεχίζει να διαστέλλεται, περιέχει όλο και λιγότερη χρησιμοποιήσιμη ενέργεια. Εάν είναι λιγότερο χρήσιμο, μπορεί να γίνει λιγότερη δουλειά. Δεδομένου ότι το νερό ρέει μέσα από το φράγμα, περιέχει επίσης λιγότερη χρήσιμη ενέργεια. Αυτή η μείωση της χρησιμοποιήσιμης ενέργειας με την πάροδο του χρόνου ονομάζεται εντροπία, όπου είναι η εντροπίαη ποσότητα της αχρησιμοποίητης ενέργειας στο σύστημα και το σύστημα είναι απλώς μια συλλογή αντικειμένων που αποτελούν το σύνολο.
Η εντροπία μπορεί επίσης να αναφέρεται ως το μέγεθος της τυχαιότητας ή του χάους σε έναν οργανισμό χωρίς οργάνωση. Καθώς η χρησιμοποιήσιμη ενέργεια μειώνεται με την πάροδο του χρόνου, αυξάνεται η αποδιοργάνωση και το χάος. Έτσι, καθώς η συσσωρευμένη δυναμική ενέργεια απελευθερώνεται, δεν μετατρέπεται όλη αυτή σε χρήσιμη ενέργεια. Όλα τα συστήματα βιώνουν αυτή την αύξηση της εντροπίας με την πάροδο του χρόνου. Αυτό είναι πολύ σημαντικό να το κατανοήσουμε και αυτό το φαινόμενο ονομάζεται δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής.
Εντροπία: πιθανότητα ή ελάττωμα
Όπως ίσως μαντέψατε, ο δεύτερος νόμος ακολουθεί τον πρώτο, που συνήθως αναφέρεται ως νόμος διατήρησης της ενέργειας, και δηλώνει ότι η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί και να καταστραφεί. Με άλλα λόγια, η ποσότητα ενέργειας στο σύμπαν ή σε οποιοδήποτε σύστημα είναι σταθερή. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής αναφέρεται συνήθως ως ο νόμος της εντροπίας και υποστηρίζει ότι όσο περνά ο χρόνος, η ενέργεια γίνεται λιγότερο χρήσιμη και η ποιότητά της μειώνεται με την πάροδο του χρόνου. Η εντροπία είναι ο βαθμός τυχαίας ή ελαττωμάτων που έχει ένα σύστημα. Εάν το σύστημα είναι πολύ διαταραγμένο, τότε έχει μεγάλη εντροπία. Εάν υπάρχουν πολλά σφάλματα στο σύστημα, τότε η εντροπία είναι χαμηλή.
Με απλά λόγια, ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι η εντροπία ενός συστήματος δεν μπορεί να μειωθεί με την πάροδο του χρόνου. Αυτό σημαίνει ότι στη φύση τα πράγματα πηγαίνουν από μια κατάσταση τάξης σε μια κατάσταση αταξίας. Και είναι μη αναστρέψιμο. Το σύστημα ποτέθα γίνει πιο τακτοποιημένο από μόνο του. Με άλλα λόγια, στη φύση, η εντροπία ενός συστήματος πάντα αυξάνεται. Ένας τρόπος να το σκεφτείς είναι το σπίτι σου. Αν δεν το καθαρίσετε ποτέ και δεν το σκουπίσετε με ηλεκτρική σκούπα, τότε πολύ σύντομα θα έχετε τρομερό χάος. Η εντροπία έχει αυξηθεί! Για να το μειώσετε, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιήσετε ενέργεια για να χρησιμοποιήσετε ηλεκτρική σκούπα και σφουγγαρίστρα για να καθαρίσετε την επιφάνεια από τη σκόνη. Το σπίτι δεν θα καθαριστεί μόνο του.
Ποιος είναι ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής; Η διατύπωση με απλά λόγια λέει ότι όταν η ενέργεια αλλάζει από τη μια μορφή στην άλλη, η ύλη είτε κινείται ελεύθερα, είτε αυξάνεται η εντροπία (διαταραχή) σε ένα κλειστό σύστημα. Οι διαφορές στη θερμοκρασία, την πίεση και την πυκνότητα τείνουν να ισοπεδώνονται οριζόντια με την πάροδο του χρόνου. Λόγω της βαρύτητας, η πυκνότητα και η πίεση δεν εξισώνονται κατακόρυφα. Η πυκνότητα και η πίεση στο κάτω μέρος θα είναι μεγαλύτερη από την κορυφή. Η εντροπία είναι ένα μέτρο της εξάπλωσης της ύλης και της ενέργειας όπου κι αν έχει πρόσβαση. Η πιο κοινή διατύπωση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής σχετίζεται κυρίως με τον Rudolf Clausius, ο οποίος είπε:
Είναι αδύνατο να κατασκευαστεί μια συσκευή που δεν παράγει άλλο αποτέλεσμα από τη μεταφορά θερμότητας από ένα σώμα με χαμηλότερη θερμοκρασία σε ένα σώμα με υψηλότερη θερμοκρασία.
Με άλλα λόγια, όλα προσπαθούν να διατηρήσουν την ίδια θερμοκρασία με την πάροδο του χρόνου. Υπάρχουν πολλές διατυπώσεις του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής που χρησιμοποιούν διαφορετικούς όρους, αλλά όλες σημαίνουν το ίδιο πράγμα. Μια άλλη δήλωση Clausius:
Η ίδια η θερμότητα δεν είναιπηγαίνοντας από ένα κρύο σε ένα πιο ζεστό σώμα.
Ο δεύτερος νόμος ισχύει μόνο για μεγάλα συστήματα. Αφορά την πιθανή συμπεριφορά ενός συστήματος στο οποίο δεν υπάρχει ενέργεια ή ύλη. Όσο μεγαλύτερο είναι το σύστημα, τόσο πιο πιθανός είναι ο δεύτερος νόμος.
Μια άλλη διατύπωση του νόμου:
Η συνολική εντροπία αυξάνεται πάντα σε μια αυθόρμητη διαδικασία.
Η αύξηση της εντροπίας ΔS κατά τη διάρκεια της διαδικασίας πρέπει να υπερβαίνει ή να είναι ίση με την αναλογία της ποσότητας θερμότητας Q που μεταφέρεται στο σύστημα προς τη θερμοκρασία T στην οποία μεταφέρεται θερμότητα. Τύπος του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής:
Θερμοδυναμικό σύστημα
Σε γενική έννοια, η διατύπωση του δεύτερου νόμου της θερμοδυναμικής με απλούς όρους δηλώνει ότι οι διαφορές θερμοκρασίας μεταξύ συστημάτων που έρχονται σε επαφή μεταξύ τους τείνουν να εξισωθούν και ότι μπορεί να ληφθεί έργο από αυτές τις διαφορές μη ισορροπίας. Αλλά σε αυτή την περίπτωση, υπάρχει απώλεια θερμικής ενέργειας και η εντροπία αυξάνεται. Οι διαφορές στην πίεση, την πυκνότητα και τη θερμοκρασία σε ένα απομονωμένο σύστημα τείνουν να εξισωθούν εάν τους δοθεί η ευκαιρία. Η πυκνότητα και η πίεση, αλλά όχι η θερμοκρασία, εξαρτώνται από τη βαρύτητα. Η θερμική μηχανή είναι μια μηχανική συσκευή που παρέχει χρήσιμη εργασία λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ δύο σωμάτων.
Ένα θερμοδυναμικό σύστημα είναι αυτό που αλληλεπιδρά και ανταλλάσσει ενέργεια με την περιοχή γύρω του. Η ανταλλαγή και η μεταφορά πρέπει να πραγματοποιούνται με τουλάχιστον δύο τρόπους. Ένας τρόπος θα πρέπει να είναι η μεταφορά θερμότητας. Αν ένατο θερμοδυναμικό σύστημα «βρίσκεται σε ισορροπία», δεν μπορεί να αλλάξει την κατάσταση ή την κατάστασή του χωρίς να αλληλεπιδράσει με το περιβάλλον. Με απλά λόγια, αν είσαι σε ισορροπία, είσαι «ευτυχισμένο σύστημα», δεν μπορείς να κάνεις τίποτα. Αν θέλετε να κάνετε κάτι, πρέπει να αλληλεπιδράσετε με τον έξω κόσμο.
Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής: η μη αναστρεψιμότητα των διεργασιών
Είναι αδύνατο να έχουμε μια κυκλική (επαναλαμβανόμενη) διαδικασία που μετατρέπει πλήρως τη θερμότητα σε εργασία. Είναι επίσης αδύνατο να υπάρχει μια διαδικασία που μεταφέρει θερμότητα από κρύα αντικείμενα σε θερμά αντικείμενα χωρίς να χρησιμοποιεί εργασία. Κάποια ενέργεια σε μια αντίδραση χάνεται πάντα από τη θερμότητα. Επίσης, το σύστημα δεν μπορεί να μετατρέψει όλη την ενέργειά του σε ενέργεια εργασίας. Το δεύτερο μέρος του νόμου είναι πιο προφανές.
Ένα κρύο σώμα δεν μπορεί να θερμάνει ένα ζεστό σώμα. Η θερμότητα τείνει φυσικά να ρέει από θερμότερες σε ψυχρότερες περιοχές. Εάν η θερμότητα πηγαίνει από ψυχρότερη σε θερμότερη είναι αντίθετη με αυτό που είναι "φυσικό", οπότε το σύστημα πρέπει να κάνει κάποια δουλειά για να το πραγματοποιήσει. Η μη αναστρεψιμότητα των διεργασιών στη φύση είναι ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Αυτός είναι ίσως ο πιο διάσημος (τουλάχιστον μεταξύ των επιστημόνων) και σημαντικός νόμος όλης της επιστήμης. Μία από τις διατυπώσεις του:
Η εντροπία του Σύμπαντος τείνει στο μέγιστο.
Με άλλα λόγια, η εντροπία είτε παραμένει ίδια είτε μεγαλώνει, η εντροπία του Σύμπαντος δεν μπορεί ποτέ να μειωθεί. Το πρόβλημα είναι ότι είναι πάντασωστά. Εάν πάρετε ένα μπουκάλι άρωμα και το ψεκάσετε σε ένα δωμάτιο, τότε σύντομα τα αρωματικά άτομα θα γεμίσουν ολόκληρο τον χώρο και αυτή η διαδικασία είναι μη αναστρέψιμη.
Σχέσεις στη θερμοδυναμική
Οι νόμοι της θερμοδυναμικής περιγράφουν τη σχέση μεταξύ της θερμικής ενέργειας ή της θερμότητας και άλλων μορφών ενέργειας και πώς η ενέργεια επηρεάζει την ύλη. Ο πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής δηλώνει ότι η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ή να καταστραφεί. η συνολική ποσότητα ενέργειας στο σύμπαν παραμένει αμετάβλητη. Ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής αφορά την ποιότητα της ενέργειας. Δηλώνει ότι καθώς η ενέργεια μεταφέρεται ή μετατρέπεται, χάνεται όλο και περισσότερη χρησιμοποιήσιμη ενέργεια. Ο δεύτερος νόμος δηλώνει επίσης ότι υπάρχει μια φυσική τάση για οποιοδήποτε απομονωμένο σύστημα να γίνεται πιο άτακτο.
Ακόμη και όταν η τάξη αυξάνεται σε ένα συγκεκριμένο μέρος, όταν λαμβάνετε υπόψη ολόκληρο το σύστημα, συμπεριλαμβανομένου του περιβάλλοντος, υπάρχει πάντα μια αύξηση στην εντροπία. Σε ένα άλλο παράδειγμα, κρύσταλλοι μπορεί να σχηματιστούν από ένα διάλυμα άλατος όταν το νερό εξατμίζεται. Οι κρύσταλλοι είναι πιο ταξινομημένοι από τα μόρια του άλατος στο διάλυμα. Ωστόσο, το εξατμισμένο νερό είναι πολύ πιο άτακτο από το υγρό νερό. Η διαδικασία που λαμβάνεται συνολικά οδηγεί σε καθαρή αύξηση της διαταραχής.
Εργασία και ενέργεια
Ο δεύτερος νόμος εξηγεί ότι είναι αδύνατο να μετατραπεί η θερμική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια με 100 τοις εκατό απόδοση. Ένα παράδειγμα μπορεί να δοθεί μεμε το αυτοκίνητο. Μετά τη διαδικασία θέρμανσης του αερίου για να αυξηθεί η πίεσή του για να κινηθεί το έμβολο, παραμένει πάντα κάποια θερμότητα στο αέριο που δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκτέλεση πρόσθετων εργασιών. Αυτή η σπατάλη θερμότητας πρέπει να απορριφθεί μεταφέροντάς την σε καλοριφέρ. Στην περίπτωση κινητήρα αυτοκινήτου, αυτό γίνεται με την εξαγωγή του μείγματος αναλωμένου καυσίμου και αέρα στην ατμόσφαιρα.
Επιπλέον, οποιαδήποτε συσκευή με κινούμενα μέρη δημιουργεί τριβή που μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια σε θερμότητα, η οποία συνήθως δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί και πρέπει να αφαιρεθεί από το σύστημα μεταφέροντάς την σε καλοριφέρ. Όταν ένα θερμό σώμα και ένα ψυχρό σώμα έρχονται σε επαφή μεταξύ τους, η θερμική ενέργεια θα ρέει από το θερμό σώμα στο ψυχρό σώμα μέχρι να φτάσουν σε θερμική ισορροπία. Ωστόσο, η ζέστη δεν θα επιστρέψει ποτέ από την άλλη πλευρά. η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ δύο σωμάτων δεν θα αυξηθεί ποτέ αυθόρμητα. Η μεταφορά θερμότητας από ένα ψυχρό σώμα σε ένα ζεστό σώμα απαιτεί εργασία από μια εξωτερική πηγή ενέργειας, όπως μια αντλία θερμότητας.
Η μοίρα του σύμπαντος
Ο δεύτερος νόμος προβλέπει επίσης το τέλος του σύμπαντος. Αυτό είναι το απόλυτο επίπεδο διαταραχής, εάν υπάρχει σταθερή θερμική ισορροπία παντού, δεν μπορεί να γίνει καμία εργασία και όλη η ενέργεια θα καταλήξει ως η τυχαία κίνηση των ατόμων και των μορίων. Σύμφωνα με τα σύγχρονα δεδομένα, ο Μεταγαλαξίας είναι ένα διαστελλόμενο μη ακίνητο σύστημα και δεν μπορεί να γίνει λόγος για θερμικό θάνατο του Σύμπαντος. θερμικός θάνατοςείναι μια κατάσταση θερμικής ισορροπίας στην οποία σταματούν όλες οι διεργασίες.
Αυτή η θέση είναι λανθασμένη, αφού ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής ισχύει μόνο για κλειστά συστήματα. Και το σύμπαν, όπως γνωρίζετε, είναι απεριόριστο. Ωστόσο, ο ίδιος ο όρος «θερμικός θάνατος του Σύμπαντος» χρησιμοποιείται μερικές φορές για να αναφερθεί σε ένα σενάριο για τη μελλοντική ανάπτυξη του Σύμπαντος, σύμφωνα με το οποίο θα συνεχίσει να επεκτείνεται στο άπειρο στο σκοτάδι του διαστήματος μέχρι να μετατραπεί σε διάσπαρτη ψυχρή σκόνη..
