Hogyan keletkezik az energia, hogyan alakul át egyik formából a másikba, és mi történik az energiával egy zárt rendszerben? Mindezekre a kérdésekre választ adhatunk a termodinamika törvényeivel. A termodinamika második főtételét ma részletesebben tárgyaljuk.
Törvények a mindennapi életben
A mindennapi életet törvények szabályozzák. A közúti törvények szerint meg kell állni a stoptábláknál. A kormány azt követeli, hogy fizetésük egy részét az államnak és a szövetségi kormánynak adják át. Még a tudományosak is alkalmazhatók a mindennapi életben. Például a gravitáció törvénye meglehetősen rossz eredményt jósol azoknak, akik megpróbálnak repülni. A mindennapi életet befolyásoló tudományos törvények másik csoportja a termodinamika törvényei. Tehát itt van néhány példa, hogy megtudja, hogyan hatnak ezek a mindennapi életre.
A termodinamika első törvénye
A termodinamika első törvénye kimondja, hogy az energia nem keletkezhet vagy semmisíthető meg, de az egyik formából a másikba átalakulhat. Ezt néha az energia megmaradás törvényének is nevezik. Szóval hogy is van ezvonatkozik a mindennapi életre? Nos, vegyük például a most használt számítógépet. Energiával táplálkozik, de honnan van ez az energia? A termodinamika első törvénye azt mondja, hogy ez az energia nem származhat a levegőből, tehát valahonnan jött.
Nyomon követheti ezt az energiát. A számítógép árammal működik, de honnan van az áram? Így van, erőműből vagy vízierőműből. Ha a másodikat vesszük figyelembe, akkor egy olyan gáthoz kapcsolódik, amely visszatartja a folyót. A folyónak kapcsolata van a kinetikus energiával, ami azt jelenti, hogy a folyó áramlik. A gát ezt a mozgási energiát potenciális energiává alakítja.
Hogyan működik egy vízierőmű? A turbina forgatásához vizet használnak. Amikor a turbina forog, egy generátor indul mozgásba, amely elektromosságot termel. Ezt az áramot teljes egészében vezetékeken lehet vezetni az erőműtől az otthonáig, így amikor a tápkábelt egy konnektorba dugja, az áram bejut a számítógépébe, így az működni tud.
Mi történt itt? Már volt egy bizonyos mennyiségű energia, amely mozgási energiaként társult a folyó vizéhez. Aztán potenciális energiává alakult. A gát ezután felvette ezt a potenciális energiát, és elektromos árammá alakította, amely azután beléphetett otthonába, és árammal látta el a számítógépet.
A termodinamika második törvénye
E törvény tanulmányozásával az ember megértheti, hogyan működik az energia, és miért halad minden afelélehetséges káosz és rendetlenség. A termodinamika második főtételét entrópiatörvénynek is nevezik. Elgondolkozott már azon, hogyan jött létre az univerzum? Az ősrobbanás elmélete szerint, mielőtt minden megszületett volna, hatalmas mennyiségű energia gyűlt össze. Az Univerzum az Ősrobbanás után jelent meg. Mindez jó, de milyen energia volt ez? Az idők kezdetén az univerzum összes energiája egy viszonylag kis helyen volt. Ez az intenzív koncentráció hatalmas mennyiséget képviselt az úgynevezett potenciális energiából. Idővel elterjedt univerzumunk hatalmas kiterjedésű területén.
Sokkal kisebb léptékben a gát által tartott víztározó potenciális energiát tartalmaz, mivel elhelyezkedése lehetővé teszi, hogy átfolyjon a gáton. Minden esetben a tárolt energia, miután felszabadul, szétterül, és ezt minden erőfeszítés nélkül teszi. Más szóval, a potenciális energia felszabadulása spontán folyamat, amely további erőforrások igénye nélkül megy végbe. Ahogy az energia eloszlik, egy része hasznos energiává alakul, és bizonyos munkát végez. A többit használhatatlanná alakítják, egyszerűen hőnek nevezik.
Ahogy az univerzum folyamatosan tágul, egyre kevesebb felhasználható energiát tartalmaz. Ha kevesebb hasznos áll rendelkezésre, kevesebb munkát lehet elvégezni. Mivel a víz átfolyik a gáton, kevesebb hasznos energiát is tartalmaz. A felhasználható energia időbeli csökkenését entrópiának nevezzük, ahol entrópiaa fel nem használt energia mennyisége a rendszerben, és a rendszer csak az egészet alkotó objektumok gyűjteménye.
Az entrópiára úgy is hivatkozhatunk, mint a véletlenszerűség vagy káosz mértékére egy szervezet nélküli szervezetben. Ahogy az idő múlásával csökken a felhasználható energia, nő a szervezetlenség és a káosz. Így a felhalmozott potenciális energia felszabadulásával nem minden alakul át hasznos energiává. Minden rendszer tapasztalja ezt az entrópia növekedését az idő múlásával. Ezt nagyon fontos megérteni, és ezt a jelenséget a termodinamika második főtételének nevezik.
Entrópia: véletlen vagy hiba
Amint azt sejteni lehetett, a második törvény követi az elsőt, amelyet általában az energiamegmaradás törvényeként emlegetnek, és kimondja, hogy energiát nem lehet létrehozni és nem lehet elpusztítani. Más szóval, az univerzumban vagy bármely rendszerben az energia mennyisége állandó. A termodinamika második főtételét általában az entrópia törvényének nevezik, és azt állítja, hogy az idő múlásával az energia kevésbé hasznos, és minősége idővel romlik. Az entrópia a rendszer véletlenszerűségének vagy hibáinak mértéke. Ha a rendszer nagyon rendezetlen, akkor nagy entrópiája van. Ha sok hiba van a rendszerben, akkor az entrópia alacsony.
Egyszerűen fogalmazva, a termodinamika második főtétele kimondja, hogy a rendszerek entrópiája nem csökkenhet az idő múlásával. Ez azt jelenti, hogy a természetben a dolgok a rendezett állapotból a rendezetlenség állapotába mennek át. És visszafordíthatatlan. A rendszer sohamagától rendezettebb lesz. Más szóval, a természetben a rendszer entrópiája mindig növekszik. Ennek egyik módja az otthonod. Ha soha nem tisztítja és porszívózza, akkor hamarosan szörnyű rendetlenség lesz. Az entrópia megnőtt! Csökkentéséhez energiát kell felhasználni a porszívó és a felmosó használata a por felületének tisztításához. A ház nem fog kitisztulni magától.
Mi a termodinamika második főtétele? Az egyszerű megfogalmazás azt mondja, hogy amikor az energia egyik formából a másikba változik, az anyag vagy szabadon mozog, vagy a zárt rendszerben az entrópia (rendellenesség) nő. A hőmérséklet-, nyomás- és sűrűségkülönbségek idővel vízszintesen kiegyenlítődnek. A gravitáció miatt a sűrűség és a nyomás függőlegesen nem egyenlővé válik. A sűrűség és a nyomás alul nagyobb lesz, mint felül. Az entrópia az anyag és az energia terjedésének mértéke, ahol hozzáférhet. A termodinamika második főtételének leggyakoribb megfogalmazása elsősorban Rudolf Clausiushoz köthető, aki azt mondta:
Lehetetlen olyan eszközt építeni, amely ne hozna más hatást, mint a hőátadást egy alacsonyabb hőmérsékletű testről a magasabb hőmérsékletű testre.
Más szóval, minden idővel ugyanazt a hőmérsékletet próbálja fenntartani. A termodinamika második főtételének számos megfogalmazása létezik, amelyek különböző kifejezéseket használnak, de mindegyik ugyanazt jelenti. Clausius másik kijelentése:
Maga a hő nemmegfázásból melegebbé válni.
A második törvény csak a nagy rendszerekre vonatkozik. Egy olyan rendszer valószínű viselkedésére vonatkozik, amelyben nincs energia vagy anyag. Minél nagyobb a rendszer, annál valószínűbb a második törvény.
A törvény másik megfogalmazása:
A teljes entrópia mindig növekszik egy spontán folyamat során.
A ΔS entrópia növekedésének a folyamat során meg kell haladnia vagy egyenlőnek kell lennie a rendszernek átadott Q hőmennyiség és a hőátadási T hőmérséklet arányával. A termodinamika második főtételének képlete:
Termodinamikai rendszer
Általános értelemben a termodinamika második főtételének egyszerű megfogalmazása azt mondja ki, hogy az egymással érintkező rendszerek közötti hőmérséklet-különbségek hajlamosak kiegyenlítődni, és ezekből a nem egyensúlyi különbségekből munkát lehet kapni. De ebben az esetben hőenergia-veszteség következik be, és az entrópia növekszik. A nyomás-, sűrűség- és hőmérsékletkülönbségek egy elszigetelt rendszerben hajlamosak kiegyenlítődni, ha lehetőség nyílik rá; a sűrűség és a nyomás, de nem a hőmérséklet, a gravitációtól függ. A hőmotor olyan mechanikus eszköz, amely hasznos munkát biztosít a két test közötti hőmérséklet-különbség miatt.
A termodinamikai rendszer olyan rendszer, amely kölcsönhatásba lép és energiát cserél a körülötte lévő területtel. A cserének és az átruházásnak legalább két módon kell történnie. Az egyik mód a hőátadás legyen. Ha egya termodinamikai rendszer "egyensúlyban van", nem tudja megváltoztatni állapotát vagy állapotát anélkül, hogy kölcsönhatásba lépne a környezettel. Egyszerűen fogalmazva, ha egyensúlyban vagy, akkor "boldog rendszer" vagy, nem tudsz mit tenni. Ha tenni akarsz valamit, kapcsolatba kell lépned a külvilággal.
A termodinamika második főtétele: a folyamatok visszafordíthatatlansága
Lehetetlen olyan ciklikus (ismétlődő) folyamat, amely a hőt teljesen munkává alakítja. Lehetetlen olyan eljárás is, amely a hideg tárgyakról a meleg tárgyakra adja át a hőt munka nélkül. A reakcióban bizonyos energia mindig elvész a hő hatására. Ezenkívül a rendszer nem tudja teljes energiáját munkaenergiává alakítani. A törvény második része nyilvánvalóbb.
A hideg test nem tudja felmelegíteni a meleg testet. A hő természetesen hajlamos a melegebb területekről a hűvösebbre áramolni. Ha a hő hidegebbről melegebbre megy, az ellentétes a "természetessel", ezért a rendszernek dolgoznia kell, hogy ez megtörténjen. A természetben zajló folyamatok visszafordíthatatlansága a termodinamika második főtétele. Ez a tudomány talán leghíresebb (legalábbis a tudósok körében) és legfontosabb törvénye. Egyik megfogalmazása:
Az Univerzum entrópiája a maximumra hajlik.
Más szóval, az entrópia vagy ugyanaz marad, vagy nő, az Univerzum entrópiája soha nem csökkenhet. A probléma az, hogy mindigjobb. Ha veszel egy üveg parfümöt és permetezed be egy szobában, akkor hamarosan az illatos atomok kitöltik az egész teret, és ez a folyamat visszafordíthatatlan.
Kapcsolatok a termodinamikában
A termodinamika törvényei leírják a hőenergia vagy a hő és más energiaformák közötti kapcsolatot, és azt, hogy az energia hogyan hat az anyagra. A termodinamika első törvénye kimondja, hogy az energia nem keletkezhet vagy semmisíthető meg; az univerzum teljes energiamennyisége változatlan marad. A termodinamika második főtétele az energia minőségéről szól. Kimondja, hogy az energia átvitele vagy átalakítása során egyre több felhasználható energia vész el. A második törvény azt is kimondja, hogy természetes tendencia, hogy minden elszigetelt rendszer rendezetlenebbé válik.
Még akkor is, ha egy bizonyos helyen nő a rend, ha figyelembe vesszük az egész rendszert, beleértve a környezetet is, mindig növekszik az entrópia. Egy másik példában kristályok képződhetnek sóoldatból, amikor a vizet elpárologtatják. A kristályok rendezettebbek, mint az oldatban lévő sómolekulák; az elpárolgott víz azonban sokkal rendezetlenebb, mint a folyékony víz. A folyamat összességében véve a rendellenességek nettó növekedését eredményezi.
Munka és energia
A második törvény megmagyarázza, hogy a hőenergiát lehetetlen 100 százalékos hatásfokkal mechanikai energiává alakítani. Példa adhatóautóval. A gáz hevítési folyamata után, hogy növelje a nyomását a dugattyú meghajtásához, mindig marad némi hő a gázban, amely nem használható fel további munkákra. Ezt a hulladékhőt radiátorba kell vinni. Autómotor esetén ez úgy történik, hogy a kiégett üzemanyagot és a levegő keverékét a légkörbe vonják ki.
Ezen túlmenően minden mozgó alkatrészt tartalmazó eszköz súrlódást hoz létre, amely a mechanikai energiát hővé alakítja, ami általában használhatatlan, és radiátorba való áthelyezéssel el kell távolítani a rendszerből. Amikor egy forró test és egy hideg test érintkezik egymással, a hőenergia a forró testből a hideg testbe áramlik, amíg el nem érik a termikus egyensúlyt. A hő azonban soha nem tér vissza a másik irányba; két test közötti hőmérsékletkülönbség soha nem fog spontán növekedni. A hideg testről a forró testre történő hő mozgatásához külső energiaforrással, például hőszivattyúval kell dolgozni.
Az Univerzum sorsa
A második törvény az univerzum végét is előrevetíti. Ez a rendezetlenség végső szintje, ha mindenhol állandó termikus egyensúly van, nem lehet munkát végezni, és minden energia atomok és molekulák véletlenszerű mozgásaként fog végződni. A modern adatok szerint a Metagalaxis egy táguló, nem álló rendszer, és az Univerzum hőhaláláról szó sem lehet. hőhalála termikus egyensúlyi állapot, amelyben minden folyamat leáll.
Ez az álláspont hibás, mivel a termodinamika második főtétele csak zárt rendszerekre vonatkozik. És az univerzum, mint tudod, határtalan. Mindazonáltal magát a "világegyetem hőhalála" kifejezést is használják néha az Univerzum jövőbeli fejlődésének forgatókönyvére, amely szerint az a végtelenségig tágul a világűr sötétjébe, amíg szétszórt hideg porrá nem változik..
