Ako vzniká energia, ako sa premieňa z jednej formy na druhú a čo sa deje s energiou v uzavretom systéme? Všetky tieto otázky môžu zodpovedať zákony termodynamiky. Druhý termodynamický zákon bude diskutovaný podrobnejšie dnes.
Zákony v každodennom živote
Zákony riadia každodenný život. Cestné zákony hovoria, že musíte zastaviť na stopkách. Vláda požaduje dať časť ich platu štátu a federálnej vláde. Aj tie vedecké sú použiteľné v bežnom živote. Napríklad gravitačný zákon predpovedá dosť zlý výsledok pre tých, ktorí sa pokúšajú lietať. Ďalším súborom vedeckých zákonov, ktoré ovplyvňujú každodenný život, sú zákony termodynamiky. Tu je niekoľko príkladov, aby ste videli, ako ovplyvňujú každodenný život.
Prvý zákon termodynamiky
Prvý zákon termodynamiky hovorí, že energiu nemožno vytvoriť ani zničiť, ale možno ju premeniť z jednej formy na druhú. Niekedy sa tomu hovorí aj zákon zachovania energie. Ako to teda jeplatí pre každodenný život? Vezmime si napríklad počítač, ktorý práve používate. Živí sa energiou, ale odkiaľ táto energia pochádza? Prvý zákon termodynamiky nám hovorí, že táto energia nemohla pochádzať zo vzduchu, takže prišla odniekiaľ.
Túto energiu môžete vysledovať. Počítač je poháňaný elektrinou, ale odkiaľ sa elektrina berie? Presne tak, z elektrárne alebo vodnej elektrárne. Ak vezmeme do úvahy druhú, potom bude spojená s priehradou, ktorá zadržiava rieku. Rieka má spojenie s kinetickou energiou, čo znamená, že rieka tečie. Priehrada premieňa túto kinetickú energiu na potenciálnu energiu.
Ako funguje vodná elektráreň? Na otáčanie turbíny sa používa voda. Keď sa turbína otáča, uvedie sa do pohybu generátor, ktorý bude vytvárať elektrinu. Táto elektrina môže byť vedená úplne v drôtoch z elektrárne do vášho domova, takže keď zapojíte napájací kábel do elektrickej zásuvky, elektrina sa dostane do vášho počítača, aby mohol fungovať.
Čo sa tu stalo? Už tam bolo určité množstvo energie, ktorá bola spojená s vodou v rieke ako kinetická energia. Potom sa zmenila na potenciálnu energiu. Priehrada potom vzala túto potenciálnu energiu a premenila ju na elektrinu, ktorá sa potom mohla dostať do vášho domova a napájať váš počítač.
Druhý zákon termodynamiky
Štúdiom tohto zákona je možné pochopiť, ako energia funguje a prečo sa všetko pohybuje smerom k sebemožný chaos a neporiadok. Druhý zákon termodynamiky sa nazýva aj zákon entropie. Zamysleli ste sa niekedy nad tým, ako vznikol vesmír? Podľa Teórie veľkého tresku sa predtým, ako sa všetko zrodilo, zhromaždilo obrovské množstvo energie. Vesmír sa objavil po Veľkom tresku. To všetko je dobré, ale aká to bola energia? Na začiatku času bola všetka energia vo vesmíre obsiahnutá na jednom relatívne malom mieste. Táto intenzívna koncentrácia predstavovala obrovské množstvo toho, čo sa nazýva potenciálna energia. Postupom času sa rozšíril po obrovskom priestore nášho vesmíru.
V oveľa menšom meradle obsahuje rezervoár vody zadržiavaný priehradou potenciálnu energiu, keďže jej poloha umožňuje pretekať priehradou. V každom prípade sa uložená energia po uvoľnení rozšíri a urobí tak bez vynaloženia akéhokoľvek úsilia. Inými slovami, uvoľnenie potenciálnej energie je spontánny proces, ktorý nastáva bez potreby ďalších zdrojov. Pri distribúcii energie sa časť z nej premieňa na užitočnú energiu a vykonáva určitú prácu. Zvyšok sa premení na nepoužiteľné, jednoducho nazývané teplo.
Ako sa vesmír neustále rozpína, obsahuje čoraz menej využiteľnej energie. Ak je k dispozícii menej užitočného, dá sa urobiť menej práce. Keďže voda preteká priehradou, obsahuje aj menej užitočnej energie. Tento pokles využiteľnej energie v priebehu času sa nazýva entropia, kde je entropiamnožstvo nevyužitej energie v systéme a systém je len súborom objektov, ktoré tvoria celok.
Entropia môže byť tiež označovaná ako množstvo náhodnosti alebo chaosu v organizácii bez organizácie. Keďže využiteľná energia časom klesá, narastá dezorganizácia a chaos. Keď sa teda nahromadená potenciálna energia uvoľní, nie všetka sa premení na užitočnú energiu. Všetky systémy zažívajú tento nárast entropie v priebehu času. Toto je veľmi dôležité pochopiť a tento jav sa nazýva druhý termodynamický zákon.
Entropia: náhoda alebo chyba
Ako ste možno uhádli, druhý zákon nadväzuje na prvý zákon, bežne označovaný ako zákon zachovania energie, a uvádza, že energiu nemožno vytvoriť ani zničiť. Inými slovami, množstvo energie vo vesmíre alebo akomkoľvek systéme je konštantné. Druhý termodynamický zákon sa bežne označuje ako zákon entropie a platí, že ako plynie čas, energia sa stáva menej užitočnou a jej kvalita časom klesá. Entropia je stupeň náhodnosti alebo defektov, ktoré má systém. Ak je systém veľmi neusporiadaný, potom má veľkú entropiu. Ak je v systéme veľa chýb, potom je entropia nízka.
Zjednodušene povedané, druhý termodynamický zákon hovorí, že entropia systému sa nemôže v priebehu času znižovať. To znamená, že v prírode veci prechádzajú zo stavu poriadku do stavu neusporiadanosti. A je to nezvratné. Systém nikdybude sám o sebe usporiadanejší. Inými slovami, v prírode sa entropia systému vždy zvyšuje. Jedným zo spôsobov, ako o tom premýšľať, je váš domov. Ak ho nikdy nečistíte a nevysávate, čoskoro budete mať strašný neporiadok. Entropia sa zvýšila! Na jej zníženie je potrebné spotrebovať energiu na použitie vysávača a mopu na čistenie povrchu od prachu. Dom sa sám nevyčistí.
Aký je druhý termodynamický zákon? Formulácia jednoduchými slovami hovorí, že keď sa energia mení z jednej formy do druhej, hmota sa buď voľne pohybuje, alebo sa entropia (neporiadok) v uzavretom systéme zvyšuje. Rozdiely v teplote, tlaku a hustote majú tendenciu sa časom horizontálne vyrovnávať. V dôsledku gravitácie sa hustota a tlak vertikálne nevyrovnajú. Hustota a tlak v spodnej časti budú väčšie ako v hornej časti. Entropia je miera šírenia hmoty a energie všade tam, kde má prístup. Najbežnejšia formulácia druhého termodynamického zákona je spojená najmä s Rudolfom Clausiusom, ktorý povedal:
Nie je možné zostrojiť zariadenie, ktoré by neprodukovalo iný efekt ako prenos tepla z telesa s nižšou teplotou na teleso s vyššou teplotou.
Inými slovami, všetko sa v priebehu času snaží udržiavať rovnakú teplotu. Existuje mnoho formulácií druhého zákona termodynamiky, ktoré používajú rôzne pojmy, ale všetky znamenajú to isté. Ďalší Clausius výrok:
Samotné teplo nie jeprechod z prechladnutia do teplejšieho tela.
Druhý zákon sa vzťahuje len na veľké systémy. Týka sa pravdepodobného správania sa systému, v ktorom nie je žiadna energia ani hmota. Čím väčší je systém, tým je pravdepodobnejší druhý zákon.
Iné znenie zákona:
Celková entropia sa vždy zvyšuje spontánnym procesom.
Nárast entropie ΔS v priebehu procesu musí byť väčší alebo rovný pomeru množstva tepla Q odovzdaného systému k teplote T, pri ktorej sa teplo odovzdáva. Vzorec druhého termodynamického zákona:
Termodynamický systém
Vo všeobecnom zmysle formulácia druhého termodynamického zákona v jednoduchosti uvádza, že teplotné rozdiely medzi systémami, ktoré sú vo vzájomnom kontakte, majú tendenciu sa vyrovnávať a že z týchto nerovnovážnych rozdielov možno získať prácu. V tomto prípade však dochádza k strate tepelnej energie a zvyšuje sa entropia. Rozdiely v tlaku, hustote a teplote v izolovanom systéme majú tendenciu sa vyrovnávať, ak majú príležitosť; hustota a tlak, ale nie teplota, závisia od gravitácie. Tepelný motor je mechanické zariadenie, ktoré poskytuje užitočnú prácu vďaka rozdielu teplôt medzi dvoma telesami.
Termodynamický systém je taký, ktorý interaguje a vymieňa si energiu s oblasťou okolo seba. Výmena a prevod musia prebehnúť minimálne dvoma spôsobmi. Jedným zo spôsobov by mal byť prenos tepla. Aktermodynamický systém "je v rovnováhe", nemôže zmeniť svoj stav alebo stav bez interakcie s prostredím. Jednoducho povedané, ak ste v rovnováhe, ste „šťastný systém“, nedá sa nič robiť. Ak chcete niečo urobiť, musíte komunikovať s vonkajším svetom.
Druhý zákon termodynamiky: nevratnosť procesov
Je nemožné mať cyklický (opakujúci sa) proces, ktorý úplne premieňa teplo na prácu. Je tiež nemožné mať proces, ktorý prenáša teplo zo studených predmetov na teplé predmety bez použitia práce. Časť energie sa pri reakcii vždy stratí na teplo. Systém tiež nedokáže premeniť všetku svoju energiu na pracovnú energiu. Druhá časť zákona je zrejmejšia.
Studené telo nedokáže zahriať teplé telo. Teplo má prirodzene tendenciu prúdiť z teplejších do chladnejších oblastí. Ak teplo prechádza z chladnejšieho do teplejšieho, je to v rozpore s tým, čo je „prirodzené“, takže systém musí urobiť nejakú prácu, aby sa to stalo. Nevratnosť procesov v prírode je druhým zákonom termodynamiky. Toto je možno najznámejší (aspoň medzi vedcami) a najdôležitejší zákon celej vedy. Jedna z jeho formulácií:
Entropia vesmíru smeruje k maximu.
Inými slovami, entropia buď zostane rovnaká, alebo sa zväčší, entropia vesmíru sa nikdy nemôže znížiť. Problém je, že vždysprávny. Ak vezmete fľaštičku parfumu a rozprášite ju v miestnosti, potom vonné atómy čoskoro zaplnia celý priestor a tento proces je nezvratný.
Vzťahy v termodynamike
Zákony termodynamiky popisujú vzťah medzi tepelnou energiou alebo teplom a inými formami energie a ako energia ovplyvňuje hmotu. Prvý zákon termodynamiky hovorí, že energiu nemožno vytvoriť ani zničiť; celkové množstvo energie vo vesmíre zostáva nezmenené. Druhý zákon termodynamiky hovorí o kvalite energie. Uvádza, že pri prenose alebo premene energie sa stráca stále viac využiteľnej energie. Druhý zákon tiež uvádza, že každý izolovaný systém má prirodzenú tendenciu stať sa neusporiadanejším.
Aj keď sa na určitom mieste zvýši poriadok, keď vezmete do úvahy celý systém vrátane prostredia, vždy dôjde k zvýšeniu entropie. V inom príklade sa kryštály môžu vytvárať zo soľného roztoku, keď sa odparuje voda. Kryštály sú usporiadanejšie ako molekuly soli v roztoku; odparená voda je však oveľa neusporiadanejšia ako voda tekutá. Tento proces ako celok má za následok čistý nárast neporiadku.
Práca a energia
Druhý zákon vysvetľuje, že nie je možné premeniť tepelnú energiu na mechanickú energiu so 100-percentnou účinnosťou. Príklad možno uviesť sautom. Po procese zahrievania plynu na zvýšenie jeho tlaku na pohon piestu vždy v plyne zostane nejaké teplo, ktoré sa nedá použiť na vykonanie žiadnej ďalšej práce. Toto odpadové teplo sa musí odvádzať prevedením do radiátora. V prípade automobilového motora sa to robí extrakciou zmesi vyhoreného paliva a vzduchu do atmosféry.
Okrem toho každé zariadenie s pohyblivými časťami vytvára trenie, ktoré premieňa mechanickú energiu na teplo, ktoré je zvyčajne nevyužiteľné a musí byť odstránené zo systému prenesením do radiátora. Keď sú horúce teleso a studené teleso vo vzájomnom kontakte, tepelná energia bude prúdiť z horúceho telesa do studeného telesa, kým nedosiahne tepelnú rovnováhu. Teplo sa však nikdy nevráti inou cestou; teplotný rozdiel medzi dvoma telesami sa nikdy samovoľne nezvýši. Presun tepla zo studeného telesa do horúceho si vyžaduje prácu externého zdroja energie, ako je tepelné čerpadlo.
Osud vesmíru
Druhý zákon tiež predpovedá koniec vesmíru. Toto je konečná úroveň neporiadku, ak je všade konštantná tepelná rovnováha, nemožno vykonať žiadnu prácu a všetka energia skončí ako náhodný pohyb atómov a molekúl. Podľa moderných údajov je Metagalaxia rozširujúci sa nestacionárny systém a o tepelnej smrti vesmíru nemôže byť ani reči. tepelná smrťje stav tepelnej rovnováhy, pri ktorom sa všetky procesy zastavia.
Táto pozícia je chybná, pretože druhý zákon termodynamiky platí len pre uzavreté systémy. A vesmír, ako viete, je neobmedzený. Samotný výraz „tepelná smrť vesmíru“sa však niekedy používa na označenie scenára budúceho vývoja vesmíru, podľa ktorého sa bude naďalej rozpínať do nekonečna do temnoty vesmíru, až sa zmení na rozptýlený studený prach..
