Kuidas tekib energia, kuidas see muundub ühest vormist teise ja mis juhtub energiaga suletud süsteemis? Kõigile neile küsimustele saab vastata termodünaamika seadustega. Termodünaamika teist seadust käsitletakse täna üksikasjalikum alt.
Seadused igapäevaelus
Igapäevaelu reguleerivad seadused. Liiklusseadused ütlevad, et peate peatuma peatusmärkide juures. Valitsus nõuab osa nende palgast osariigile ja föderaalvalitsusele. Isegi teaduslikud on rakendatavad igapäevaelus. Näiteks gravitatsiooniseadus ennustab lennata proovijatele üsna kehva tulemust. Veel üks teadusseaduste kogum, mis mõjutab igapäevaelu, on termodünaamika seadused. Siin on mõned näited, et näha, kuidas need igapäevaelu mõjutavad.
Termodünaamika esimene seadus
Esimene termodünaamika seadus ütleb, et energiat ei saa luua ega hävitada, kuid seda saab muuta ühest vormist teise. Seda nimetatakse mõnikord ka energia jäävuse seaduseks. Kuidas siis onkehtib igapäevaelus? Noh, võtke näiteks arvuti, mida praegu kasutate. Toitub energiast, aga kust see energia tuleb? Termodünaamika esimene seadus ütleb meile, et see energia ei saanud õhust tulla, seega tuli see kuskilt.
Seda energiat saate jälgida. Arvuti toidab elektrit, aga kust tuleb elekter? Täpselt nii, elektrijaamast või hüdroelektrijaamast. Kui arvestada teist, siis seostatakse seda jõge tagasi hoidva tammiga. Jõel on ühendus kineetilise energiaga, mis tähendab, et jõgi voolab. Tamm muudab selle kineetilise energia potentsiaalseks energiaks.
Kuidas hüdroelektrijaam töötab? Turbiini pööramiseks kasutatakse vett. Kui turbiini pöörleb, käivitatakse generaator, mis toodab elektrit. Seda elektrit saab juhtida täielikult juhtmetega elektrijaamast teie koju, nii et kui ühendate toitejuhtme pistikupessa, siseneb elekter teie arvutisse, et see saaks töötada.
Mis siin juhtus? Juba oli olemas teatud kogus energiat, mis seostus jões oleva veega kineetilise energiana. Siis muutus see potentsiaalseks energiaks. Seejärel võttis tamm selle potentsiaalse energia ja muutis selle elektriks, mis võis seejärel siseneda teie koju ja toita teie arvutit.
Termodünaamika teine seadus
Seda seadust uurides saab aru, kuidas energia töötab ja miks kõik selle poole liigubvõimalik kaos ja korratus. Termodünaamika teist seadust nimetatakse ka entroopia seaduseks. Kas olete kunagi mõelnud, kuidas universum tekkis? Suure Paugu teooria kohaselt kogunes enne kõige sündi kokku tohutult palju energiat. Universum ilmus pärast Suurt Pauku. See kõik on hea, aga mis energia see oli? Aegade alguses oli kogu universumi energia ühes suhteliselt väikeses kohas. See intensiivne kontsentratsioon esindas tohutul hulgal seda, mida nimetatakse potentsiaalseks energiaks. Aja jooksul levis see meie universumi tohutul alal.
Palju väiksemas mahus sisaldab paisu hoitav veereservuaar potentsiaalset energiat, kuna selle asukoht võimaldab sellel tammist läbi voolata. Igal juhul levib salvestatud energia pärast vabanemist laiali ja teeb seda ilma igasuguste pingutusteta. Teisisõnu, potentsiaalse energia vabanemine on spontaanne protsess, mis toimub ilma täiendavate ressursside vajaduseta. Energia jaotamisel muundub osa sellest kasulikuks energiaks ja teeb osa tööd. Ülejäänu muudetakse kasutuskõlbmatuks, seda nimetatakse lihts alt soojuseks.
Universumi paisumise jätkudes sisaldab see üha vähem kasutatavat energiat. Kui kasulikku on vähem, saab vähem tööd teha. Kuna vesi voolab läbi tammi, sisaldab see ka vähem kasulikku energiat. Seda kasutatava energia vähenemist aja jooksul nimetatakse entroopiaks, kus entroopia onsüsteemis kasutamata energia hulk ja süsteem on vaid objektide kogum, mis moodustavad terviku.
Entroopiale võib viidata ka kui juhuslikkuse või kaose suurusele organisatsioonita organisatsioonis. Kuna kasutatav energia aja jooksul väheneb, suureneb organiseerimatus ja kaos. Seega, kui akumuleeritud potentsiaalne energia vabaneb, ei muutu see kõik kasulikuks energiaks. Kõik süsteemid kogevad seda entroopia suurenemist aja jooksul. Seda on väga oluline mõista ja seda nähtust nimetatakse termodünaamika teiseks seaduseks.
Entroopia: juhus või defekt
Nagu võis arvata, järgib teine seadus esimest, mida tavaliselt nimetatakse energia jäävuse seaduseks, ja väidab, et energiat ei saa luua ega hävitada. Teisisõnu, energia hulk universumis või mis tahes süsteemis on konstantne. Termodünaamika teist seadust nimetatakse tavaliselt entroopia seaduseks ja see väidab, et aja möödudes muutub energia vähem kasulikuks ja selle kvaliteet aja jooksul halveneb. Entroopia on süsteemi juhuslikkuse või defektide määr. Kui süsteem on väga korratu, siis on sellel suur entroopia. Kui süsteemis on palju tõrkeid, siis on entroopia madal.
Lihtsam alt öeldes ütleb termodünaamika teine seadus, et süsteemi entroopia ei saa aja jooksul väheneda. See tähendab, et looduses lähevad asjad korrasolekust korratuseni. Ja see on pöördumatu. Süsteem mitte kunagimuutub iseenesest korrapärasemaks. Teisisõnu, looduses süsteemi entroopia alati suureneb. Üks võimalus sellele mõelda on teie kodu. Kui te seda kunagi ei puhasta ja tolmuimejaga puhastate, on teil üsna varsti kohutav segadus. Entroopia on kasvanud! Selle vähendamiseks on vaja kasutada energiat tolmuimeja ja mopi abil pinna tolmust puhastamiseks. Maja ei korista ennast ise.
Mis on termodünaamika teine seadus? Lihtsate sõnadega sõnastus ütleb, et kui energia muutub ühest vormist teise, siis aine kas liigub vab alt või suureneb entroopia (häire) suletud süsteemis. Temperatuuri, rõhu ja tiheduse erinevused kipuvad aja jooksul horisontaalselt ühtlustuma. Raskusjõu tõttu ei võrdu tihedus ja rõhk vertikaalselt. Alumises osas on tihedus ja rõhk suurem kui ülaosas. Entroopia on aine ja energia leviku mõõt kõikjal, kus see on kättesaadav. Termodünaamika teise seaduse kõige levinumat sõnastust seostatakse peamiselt Rudolf Clausiusega, kes ütles:
On võimatu ehitada seadet, mis ei tekitaks muud efekti kui soojuse ülekandmine madalama temperatuuriga keh alt kõrgema temperatuuriga kehale.
Teisisõnu, kõik püüab säilitada aja jooksul sama temperatuuri. Termodünaamika teise seaduse sõnastusi on palju, mis kasutavad erinevaid termineid, kuid need kõik tähendavad sama asja. Veel üks Clausiuse avaldus:
Kuumus ise ei olekülmetusest kuumemaks muutumine.
Teine seadus kehtib ainult suurte süsteemide kohta. See puudutab sellise süsteemi tõenäolist käitumist, milles pole energiat ega ainet. Mida suurem on süsteem, seda tõenäolisem on teine seadus.
Seaduse teine sõnastus:
Kogu entroopia kasvab alati spontaanse protsessi käigus.
Entroopia ΔS suurenemine protsessi käigus peab ületama või olema võrdne süsteemi ülekantava soojushulga Q suhtega temperatuuri T, mille juures soojus ülekandub. Termodünaamika teise seaduse valem:
Termodünaamiline süsteem
Üldises mõttes ütleb termodünaamika teise seaduse lihtsas sõnastuses, et üksteisega kokkupuutuvate süsteemide temperatuuride erinevused kipuvad ühtlustuma ja et nendest mittetasakaalulistest erinevustest on võimalik saada tööd. Kuid sel juhul kaob soojusenergia ja entroopia suureneb. Rõhu, tiheduse ja temperatuuri erinevused isoleeritud süsteemis kipuvad võimaluse korral ühtlustuma; tihedus ja rõhk, kuid mitte temperatuur, sõltuvad gravitatsioonist. Soojusmasin on mehaaniline seade, mis pakub kasulikku tööd kahe keha temperatuuride erinevuse tõttu.
Termodünaamiline süsteem on süsteem, mis suhtleb ja vahetab energiat ümbritseva alaga. Vahetamine ja ülekandmine peavad toimuma vähem alt kahel viisil. Üks viis peaks olema soojusülekanne. Kui atermodünaamiline süsteem "on tasakaalus", ta ei saa muuta oma olekut ega olekut ilma keskkonnaga suhtlemata. Lihtsam alt öeldes, kui oled tasakaalus, oled "õnnelik süsteem", ei saa midagi teha. Kui soovite midagi teha, peate suhtlema välismaailmaga.
Termodünaamika teine seadus: protsesside pöördumatus
Tsüklilist (korduvat) protsessi, mis muudab soojuse täielikult tööks, on võimatu. Samuti on võimatu omada protsessi, mis kannab soojust külmadelt objektidelt soojadele esemetele ilma tööd kasutamata. Osa energiat reaktsioonis kaob alati kuumuse tõttu. Samuti ei saa süsteem kogu oma energiat tööenergiaks muuta. Seaduse teine osa on ilmsem.
Külm keha ei saa sooja keha soojendada. Soojus kipub loomulikult voolama soojematest piirkondadest jahedamatesse piirkondadesse. Kui soojus läheb jahedamast soojemaks, on see vastuolus sellega, mis on "loomulik", nii et süsteem peab selle saavutamiseks natuke tööd tegema. Looduses toimuvate protsesside pöördumatus on termodünaamika teine seadus. See on võib-olla kõige kuulsam (vähem alt teadlaste seas) ja kõige olulisem seadus kogu teadusest. Üks tema sõnastustest:
Universumi entroopia kaldub maksimumini.
Teisisõnu, entroopia kas jääb samaks või muutub suuremaks, universumi entroopia ei saa kunagi väheneda. Probleem on selles, et see on alatiõige. Kui võtate parfüümipudeli ja piserdate seda tuppa, täidavad lõhnaaatomid varsti kogu ruumi ja see protsess on pöördumatu.
Seosed termodünaamikas
Terodünaamika seadused kirjeldavad soojusenergia või soojuse ja muude energialiikide vahelist seost ning seda, kuidas energia mõjutab ainet. Termodünaamika esimene seadus ütleb, et energiat ei saa luua ega hävitada; energia koguhulk universumis jääb muutumatuks. Termodünaamika teine seadus puudutab energia kvaliteeti. Selles öeldakse, et energia ülekandmisel või muundamisel läheb kaotsi üha rohkem kasutatavat energiat. Teises seaduses on samuti kirjas, et iga isoleeritud süsteemil on loomulik kalduvus muutuda järjest enam korratuks.
Isegi kui järjekord teatud kohas suureneb, siis kui võtta arvesse kogu süsteemi, sealhulgas keskkonda, on entroopia alati kasv. Teises näites võivad vee aurustamisel soolalahusest tekkida kristallid. Kristallid on lahuses rohkem järjestatud kui soolamolekulid; aurustunud vesi on aga palju korrastatum kui vedel vesi. Protsess tervikuna toob kaasa häirete netokasvu.
Töö ja energia
Teine seadus selgitab, et soojusenergiat on võimatu 100-protsendilise efektiivsusega mehaaniliseks energiaks muuta. Näide võib tuua koosautoga. Pärast gaasi kuumutamist, et suurendada selle rõhku kolvi käitamiseks, jääb gaasi alati veidi soojust, mida ei saa kasutada täiendavate tööde tegemiseks. See heitsoojus tuleb ära visata, viies selle radiaatorisse. Automootori puhul tehakse seda kasutatud kütuse ja õhu segu eraldamisega atmosfääri.
Lisaks tekitab iga liikuvate osadega seade hõõrdumist, mis muudab mehaanilise energia soojuseks, mis on tavaliselt kasutuskõlbmatu ja tuleb süsteemist eemaldada, viies selle radiaatorisse. Kui kuum keha ja külm keha puutuvad kokku, voolab soojusenergia kuum alt keh alt külma kehasse, kuni nad jõuavad termilise tasakaaluni. Kuumus ei tule aga kunagi teistpidi tagasi; temperatuuride erinevus kahe keha vahel ei suurene kunagi spontaanselt. Soojuse viimine külmast kehast kuuma kehasse nõuab välise energiaallika, näiteks soojuspumba, tööd.
Universumi saatus
Teine seadus ennustab ka universumi lõppu. See on häire ülim tase, kui kõikjal on pidev termiline tasakaal, ei saa tööd teha ja kogu energia lõpeb aatomite ja molekulide juhusliku liikumisena. Kaasaegsetel andmetel on Metagalaktika paisuv mittestatsionaarne süsteem ja Universumi kuumasurmast ei saa juttugi olla. kuumasurmon termilise tasakaalu seisund, mille juures kõik protsessid peatuvad.
See seisukoht on ekslik, kuna termodünaamika teine seadus kehtib ainult suletud süsteemide kohta. Ja universum, nagu teate, on piiritu. Kuid juba terminit "universumi kuumasurm" kasutatakse mõnikord universumi edasise arengu stsenaariumi tähistamiseks, mille kohaselt see jätkab lõpmatuseni kosmosepimedusse laienemist, kuni muutub hajutatud külmaks tolmuks..
