Miten energiaa syntyy, miten se muunnetaan muodosta toiseen ja mitä tapahtuu energialle suljetussa järjestelmässä? Kaikkiin näihin kysymyksiin voidaan vastata termodynamiikan laeilla. Termodynamiikan toista pääsääntöä käsitellään yksityiskohtaisemmin tänään.
Lait arjessa
Lait säätelevät jokapäiväistä elämää. Tielain mukaan sinun tulee pysähtyä stop-merkkien kohdalle. Hallitus vaatii antamaan osan heidän palkastaan osav altiolle ja liittov altion hallitukselle. Tieteellisetkin ovat sovellettavissa jokapäiväiseen elämään. Esimerkiksi painovoimalaki ennustaa melko huonon tuloksen niille, jotka yrittävät lentää. Toinen joukko tieteellisiä lakeja, jotka vaikuttavat jokapäiväiseen elämään, ovat termodynamiikan lait. Joten tässä on joitain esimerkkejä nähdäksesi kuinka ne vaikuttavat jokapäiväiseen elämään.
Termodynamiikan ensimmäinen laki
Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö sanoo, että energiaa ei voida luoda tai tuhota, mutta se voidaan muuttaa muodosta toiseen. Tätä kutsutaan joskus myös energian säilymisen laiksi. Eli miten onpätee jokapäiväiseen elämään? Otetaan esimerkiksi nyt käyttämäsi tietokone. Se ruokkii energiaa, mutta mistä tämä energia tulee? Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö kertoo meille, että tämä energia ei voinut tulla ilmasta, joten se tuli jostain.
Voit jäljittää tämän energian. Tietokone toimii sähköllä, mutta mistä sähkö tulee? Aivan oikein, voimalaitokselta tai vesivoimalaitokselta. Jos tarkastelemme toista, se yhdistetään patoon, joka pidättelee jokea. Joella on yhteys liike-energiaan, mikä tarkoittaa, että joki virtaa. Pato muuttaa tämän kineettisen energian potentiaalienergiaksi.
Kuinka vesivoimalaitos toimii? Vettä käytetään turbiinin kääntämiseen. Kun turbiini pyörii, generaattori saa liikkeelle, joka tuottaa sähköä. Tämä sähkö voidaan ohjata kokonaan johtoina voimalaitokselta kotiisi niin, että kun kytket virtajohdon pistorasiaan, sähkö tulee tietokoneellesi, jotta se voi toimia.
Mitä täällä tapahtui? Joessa oli jo tietty määrä energiaa, joka liitettiin veteen liike-energiana. Sitten se muuttui potentiaalienergiaksi. Pato otti sitten tuon potentiaalisen energian ja muutti sen sähköksi, joka voisi sitten päästä kotiisi ja antaa virtaa tietokoneellesi.
Termodynamiikan toinen laki
Tätä lakia tutkimalla voi ymmärtää, miten energia toimii ja miksi kaikki kulkee kohtimahdollinen kaaos ja epäjärjestys. Termodynamiikan toista pääsääntöä kutsutaan myös entropian laiksi. Oletko koskaan miettinyt, kuinka universumi syntyi? Big Bang Theory -teorian mukaan ennen kuin kaikki syntyi, v altava määrä energiaa kerääntyi yhteen. Universumi ilmestyi alkuräjähdyksen jälkeen. Kaikki tämä on hyvää, mutta minkälaista energiaa se oli? Aikojen alussa kaikki maailmankaikkeuden energia sisältyi yhteen suhteellisen pieneen paikkaan. Tämä voimakas keskittyminen edusti v altavaa määrää niin sanottua potentiaalienergiaa. Ajan myötä se levisi laajalle universumimme alueelle.
Paljon pienemmässä mittakaavassa padon sisältämä vesisäiliö sisältää potentiaalista energiaa, koska sen sijainti sallii sen virrata padon läpi. Kussakin tapauksessa varastoitu energia, kun se vapautuu, leviää ja tekee niin ilman ponnistuksia. Toisin sanoen potentiaalisen energian vapautuminen on spontaani prosessi, joka tapahtuu ilman lisäresurssien tarvetta. Kun energiaa jakautuu, osa siitä muuttuu hyödylliseksi energiaksi ja suorittaa jonkin verran työtä. Loput muunnetaan käyttökelvottomaksi, yksinkertaisesti lämmöksi.
Kun universumi jatkaa laajentumistaan, se sisältää yhä vähemmän käyttökelpoista energiaa. Jos käytettävissä on vähemmän hyödyllistä, työtä voidaan tehdä vähemmän. Koska vesi virtaa padon läpi, se sisältää myös vähemmän hyödyllistä energiaa. Tätä käyttöenergian vähenemistä ajan myötä kutsutaan entropiaksi, missä entropia onjärjestelmän käyttämättömän energian määrä, ja järjestelmä on vain kokoelma esineitä, jotka muodostavat kokonaisuuden.
Entropiaan voidaan viitata myös satunnaisuuden tai kaaoksen määränä organisaatiossa ilman organisaatiota. Kun käyttökelpoinen energia vähenee ajan myötä, epäjärjestys ja kaaos lisääntyvät. Näin ollen, kun kertynyt potentiaalienergia vapautuu, kaikki tämä ei muutu hyödylliseksi energiaksi. Kaikki järjestelmät kokevat tämän entropian kasvun ajan myötä. Tämä on erittäin tärkeää ymmärtää, ja tätä ilmiötä kutsutaan termodynamiikan toiseksi pääsäännöksi.
Entropia: sattuma tai vika
Kuten saatoit arvata, toinen laki noudattaa ensimmäistä, jota yleisesti kutsutaan energian säilymisen laiksi, ja sen mukaan energiaa ei voida luoda eikä tuhota. Toisin sanoen energian määrä universumissa tai missä tahansa järjestelmässä on vakio. Termodynamiikan toista pääsääntöä kutsutaan yleisesti entropian laiksi, ja sen mukaan energian käyttökelpoisuus vähenee ajan myötä ja sen laatu heikkenee ajan myötä. Entropia on järjestelmän satunnaisuuden tai vikojen aste. Jos järjestelmä on hyvin epäjärjestynyt, sillä on suuri entropia. Jos järjestelmässä on monia vikoja, entropia on pieni.
Yksinkertaisesti sanottuna termodynamiikan toinen pääsääntö sanoo, että järjestelmän entropia ei voi pienentyä ajan myötä. Tämä tarkoittaa, että luonnossa asiat menevät järjestyksen tilasta epäjärjestykseen. Ja se on peruuttamaton. Järjestelmä ei koskaantulee itsestään järjestyneemmäksi. Toisin sanoen luonnossa järjestelmän entropia kasvaa aina. Yksi tapa ajatella sitä on kotisi. Jos et koskaan puhdista ja imuroi sitä, sinulla on melko pian kauhea sotku. Entropia on lisääntynyt! Sen vähentämiseksi on tarpeen käyttää energiaa pölynimurin ja mopin puhdistamiseen pölystä. Talo ei siivoa itsestään.
Mikä on termodynamiikan toinen pääsääntö? Yksinkertaisesti sanottuna sanamuoto sanoo, että kun energia muuttuu muodosta toiseen, aine joko liikkuu vapaasti tai entropia (häiriö) suljetussa järjestelmässä kasvaa. Lämpötila-, paine- ja tiheyserot tasoittuvat vaakasuunnassa ajan myötä. Painovoiman vuoksi tiheys ja paine eivät tasaa pystysuunnassa. Alhaalla tiheys ja paine ovat suurempia kuin ylhäällä. Entropia mittaa aineen ja energian leviämistä kaikkialla, missä sillä on pääsy. Yleisin termodynamiikan toisen pääsäännön muotoilu liittyy pääasiassa Rudolf Clausiukseen, joka sanoi:
On mahdotonta rakentaa laitetta, joka ei tuota muuta vaikutusta kuin lämmön siirtymistä alhaisemman lämpötilan kehosta korkeamman lämpötilan omaavaan kehoon.
Toisin sanoen kaikki yrittää säilyttää saman lämpötilan ajan mittaan. Termodynamiikan toisesta pääsäännöstä on monia formulaatioita, jotka käyttävät eri termejä, mutta ne kaikki tarkoittavat samaa asiaa. Toinen Clausiuksen lausunto:
Lämpö itsessään ei olemuuttumassa kylmästä kuumemmaksi.
Toinen laki koskee vain suuria järjestelmiä. Se koskee sellaisen järjestelmän todennäköistä käyttäytymistä, jossa ei ole energiaa tai ainetta. Mitä suurempi järjestelmä, sitä todennäköisemmin toinen laki on.
Toinen lain sanamuoto:
Kokonaisentropia kasvaa aina spontaanissa prosessissa.
Entropian ΔS kasvun prosessin aikana on oltava suurempi tai yhtä suuri kuin systeemiin siirtyvän lämmön määrän Q suhde lämpötilaan T, jossa lämpöä siirtyy. Termodynamiikan toisen pääsäännön kaava:
Termodynaaminen järjestelmä
Yleisessä mielessä termodynamiikan toisen pääsäännön yksinkertaisessa sanamuodossa todetaan, että keskenään kosketuksissa olevien järjestelmien väliset lämpötilaerot pyrkivät tasoittumaan ja että näistä epätasapainoeroista voidaan saada työtä. Mutta tässä tapauksessa lämpöenergia häviää ja entropia kasvaa. Paine-, tiheys- ja lämpötilaerot eristetyssä järjestelmässä pyrkivät tasoittumaan, jos niille annetaan mahdollisuus; tiheys ja paine, mutta ei lämpötila, riippuvat painovoimasta. Lämpökone on mekaaninen laite, joka tarjoaa hyödyllistä työtä kahden rungon välisen lämpötilaeron vuoksi.
Termodynaaminen järjestelmä on järjestelmä, joka on vuorovaikutuksessa ja vaihtaa energiaa ympäröivän alueen kanssa. Vaihdon ja siirron on tapahduttava vähintään kahdella tavalla. Yksi tapa pitäisi olla lämmönsiirto. Jostermodynaaminen järjestelmä "on tasapainossa", se ei voi muuttaa tilaansa tai tilaansa olematta vuorovaikutuksessa ympäristön kanssa. Yksinkertaisesti sanottuna, jos olet tasapainossa, olet "onnellinen järjestelmä", et voi tehdä mitään. Jos haluat tehdä jotain, sinun on oltava vuorovaikutuksessa ulkomaailman kanssa.
Termodynamiikan toinen pääsääntö: prosessien peruuttamattomuus
On mahdotonta toteuttaa syklistä (toistuvaa) prosessia, joka muuntaa lämmön kokonaan työksi. On myös mahdotonta saada aikaan prosessia, joka siirtää lämpöä kylmistä esineistä lämpimiin esineisiin ilman työtä. Osa energiasta reaktiossa menetetään aina lämmölle. Järjestelmä ei myöskään voi muuntaa kaikkea energiaansa työenergiaksi. Lain toinen osa on ilmeisempi.
Kylmä ruumis ei voi lämmittää lämmintä. Lämmöllä on luonnollisesti taipumus virrata lämpimämmiltä alueilta viileämmille alueille. Jos lämpö muuttuu viileämmästä lämpimämpään, se on vastoin "luonnollista", joten järjestelmän on tehtävä jonkin verran työtä saadakseen sen tapahtumaan. Luonnon prosessien peruuttamattomuus on termodynamiikan toinen pääsääntö. Tämä on ehkä tunnetuin (ainakin tiedemiesten keskuudessa) ja tärkein laki koko tieteestä. Yksi hänen muotoiluistaan:
Universumin entropia pyrkii maksimissaan.
Toisin sanoen entropia joko pysyy samana tai kasvaa, universumin entropia ei voi koskaan pienentyä. Ongelma on, että se on ainaoikein. Jos otat pullon hajuvettä ja suihkutat sitä huoneeseen, tuoksuvat atomit täyttävät pian koko tilan, ja tämä prosessi on peruuttamaton.
Suhteet termodynamiikassa
Termodynamiikan lait kuvaavat lämpöenergian tai lämmön ja muiden energiamuotojen välistä suhdetta ja energian vaikutusta aineeseen. Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö sanoo, että energiaa ei voida luoda tai tuhota; universumin energian kokonaismäärä pysyy ennallaan. Termodynamiikan toinen pääsääntö koskee energian laatua. Siinä sanotaan, että kun energiaa siirretään tai muunnetaan, yhä enemmän käyttökelpoista energiaa menetetään. Toisessa laissa todetaan myös, että kaikilla eristetyillä järjestelmillä on luonnollinen taipumus tulla epäjärjestyneemmiksi.
Vaikka järjestys lisääntyy tietyssä paikassa, kun otetaan huomioon koko järjestelmä, mukaan lukien ympäristö, entropia kasvaa aina. Toisessa esimerkissä kiteitä voi muodostua suolaliuoksesta, kun vettä haihdutetaan. Kiteet ovat järjestyneempiä kuin suolamolekyylit liuoksessa; haihtunut vesi on kuitenkin paljon epäjärjestynyttä kuin nestemäinen vesi. Prosessi kokonaisuutena tarkasteltuna johtaa häiriön nettokasvuun.
Työtä ja energiaa
Toinen laki selittää, että lämpöenergiaa on mahdotonta muuttaa mekaaniseksi energiaksi 100 prosentin hyötysuhteella. Esimerkki voidaan antaaautolla. Sen jälkeen kun kaasua on kuumennettu sen paineen lisäämiseksi männän käyttämiseksi, kaasussa on aina jäljellä lämpöä, jota ei voida käyttää lisätöiden suorittamiseen. Tämä hukkalämpö on hävitettävä siirtämällä se lämpöpatteriin. Auton moottorissa tämä tehdään poistamalla käytetty polttoaine ja ilman seos ilmakehään.
Lisäksi mikä tahansa laite, jossa on liikkuvia osia, aiheuttaa kitkaa, joka muuttaa mekaanisen energian lämmöksi, mikä on yleensä käyttökelvotonta ja on poistettava järjestelmästä siirtämällä se jäähdyttimeen. Kun kuuma ja kylmä kappale ovat kosketuksissa toisiinsa, lämpöenergiaa virtaa kuumasta kappaleesta kylmään kappaleeseen, kunnes ne saavuttavat lämpötasapainon. Lämpö ei kuitenkaan koskaan palaa toiseen suuntaan; kahden kappaleen välinen lämpötilaero ei koskaan kasva spontaanisti. Lämmön siirtäminen kylmästä kappaleesta kuumaan vaatii työtä ulkoisen energialähteen, kuten lämpöpumpun, avulla.
Universumin kohtalo
Toinen laki ennustaa myös maailmankaikkeuden lopun. Tämä on epäjärjestyksen perimmäinen taso, jos kaikkialla on jatkuva lämpötasapaino, työtä ei voida tehdä ja kaikki energia päätyy atomien ja molekyylien satunnaiseen liikkeeseen. Nykyajan tietojen mukaan metagalaksi on laajeneva ei-stationaarinen järjestelmä, eikä maailmankaikkeuden lämpökuolemasta voi puhua. lämpökuolemaon lämpötasapainotila, jossa kaikki prosessit pysähtyvät.
Tämä kanta on virheellinen, koska termodynamiikan toinen pääsääntö koskee vain suljettuja järjestelmiä. Ja universumi, kuten tiedät, on rajaton. Kuitenkin itse termiä "universumin lämpökuolema" käytetään joskus viittaamaan maailmankaikkeuden tulevan kehityksen skenaarioon, jonka mukaan se jatkaa laajenemista äärettömään avaruuden pimeyteen, kunnes se muuttuu hajallaan olevaksi kylmäksi pölyksi..
