Как се генерира енергията, как се преобразува от една форма в друга и какво се случва с енергията в затворена система? На всички тези въпроси може да се отговори от законите на термодинамиката. Вторият закон на термодинамиката ще бъде обсъден по-подробно днес.
Закони в ежедневието
Законите управляват ежедневния живот. Пътните закони казват, че трябва да спрете на знаците за спиране. Правителството иска да даде част от заплатата си на държавата и федералното правителство. Дори научните са приложими в ежедневието. Например, законът за гравитацията предсказва доста лош резултат за тези, които се опитват да летят. Друг набор от научни закони, които засягат ежедневието, са законите на термодинамиката. Ето няколко примера, за да видите как те влияят на ежедневния живот.
Първият закон на термодинамиката
Първият закон на термодинамиката гласи, че енергията не може да бъде създадена или унищожена, но може да бъде трансформирана от една форма в друга. Това понякога се нарича и закон за запазване на енергията. И така, как есе отнася за ежедневието? Е, вземете например компютъра, който използвате в момента. То се храни с енергия, но откъде идва тази енергия? Първият закон на термодинамиката ни казва, че тази енергия не може да дойде от въздуха, така че идва отнякъде.
Можете да проследите тази енергия. Компютърът се захранва от електричество, но откъде идва електричеството? Точно така, от централа или водноелектрическа централа. Ако разгледаме втория, тогава той ще бъде свързан с язовир, който задържа реката. Реката има връзка с кинетична енергия, което означава, че реката тече. Язовирът преобразува тази кинетична енергия в потенциална енергия.
Как работи водноелектрическата централа? Водата се използва за завъртане на турбината. Когато турбината се върти, се задейства генератор, който ще създаде електричество. Това електричество може да бъде пуснато изцяло в проводници от електроцентралата до вашия дом, така че когато включите захранващия кабел в електрически контакт, електричеството влиза във вашия компютър, за да може да работи.
Какво се случи тук? Вече имаше известно количество енергия, което беше свързано с водата в реката като кинетична енергия. След това се превърна в потенциална енергия. След това язовирът взе тази потенциална енергия и я превърна в електричество, което след това може да влезе в дома ви и да захрани компютъра ви.
Вторият закон на термодинамиката
Изучавайки този закон, човек може да разбере как работи енергията и защо всичко се движи къмвъзможен хаос и безредие. Вторият закон на термодинамиката се нарича още закон за ентропията. Чудили ли сте се някога как е възникнала Вселената? Според теорията за Големия взрив, преди всичко да се роди, огромно количество енергия се е събрало заедно. Вселената се появи след Големия взрив. Всичко това е хубаво, но каква енергия беше? В началото на времето цялата енергия във Вселената се е съдържала в едно сравнително малко място. Тази интензивна концентрация представлява огромно количество от това, което се нарича потенциална енергия. С течение на времето се разпространи в огромната шир на нашата вселена.
В много по-малък мащаб резервоарът с вода, задържан от язовира, съдържа потенциална енергия, тъй като местоположението му позволява да тече през язовира. Във всеки случай, съхранената енергия, веднъж освободена, се разпространява и прави това без да се полагат усилия. С други думи, освобождаването на потенциална енергия е спонтанен процес, който протича без нужда от допълнителни ресурси. Тъй като енергията се разпределя, част от нея се превръща в полезна енергия и извършва някаква работа. Останалата част се превръща в неизползваема, просто наречена топлина.
Тъй като Вселената продължава да се разширява, тя съдържа все по-малко и по-малко използваема енергия. Ако има по-малко полезно, може да се свърши по-малко работа. Тъй като водата тече през язовира, тя съдържа и по-малко полезна енергия. Това намаляване на използваемата енергия с течение на времето се нарича ентропия, където е ентропиятаколичеството неизползвана енергия в системата, а системата е просто съвкупност от обекти, които съставляват цялото.
Ентропията може също да се нарече количеството на случайността или хаоса в организация без организация. Тъй като използваемата енергия намалява с времето, дезорганизацията и хаосът се увеличават. По този начин, тъй като натрупаната потенциална енергия се освобождава, не всичко това се превръща в полезна енергия. Всички системи изпитват това увеличение на ентропията с течение на времето. Това е много важно да се разбере и това явление се нарича втори закон на термодинамиката.
Ентропия: шанс или дефект
Както може би се досещате, вторият закон следва първия, обикновено наричан закон за запазване на енергията, и гласи, че енергията не може да бъде създадена и не може да бъде унищожена. С други думи, количеството енергия във Вселената или която и да е система е постоянно. Вторият закон на термодинамиката обикновено се нарича закон за ентропията и той твърди, че с течение на времето енергията става по-малко полезна и нейното качество намалява с времето. Ентропията е степента на случайност или дефекти, които една система има. Ако системата е много неуредена, тогава тя има голяма ентропия. Ако има много грешки в системата, тогава ентропията е ниска.
С прости думи, вторият закон на термодинамиката гласи, че ентропията на една система не може да намалява с времето. Това означава, че в природата нещата преминават от състояние на ред към състояние на безпорядък. И е необратимо. Системата никогаще стане по-подреден от само себе си. С други думи, в природата ентропията на една система винаги се увеличава. Един от начините да мислите за това е вашият дом. Ако никога не го почиствате и почиствате с прахосмукачка, скоро ще имате ужасна бъркотия. Ентропията се е увеличила! За да го намалите, е необходимо да използвате енергия, за да използвате прахосмукачка и моп за почистване на повърхността от прах. Къщата няма да се почисти сама.
Кой е вторият закон на термодинамиката? Формулировката с прости думи казва, че когато енергията преминава от една форма в друга, материята или се движи свободно, или ентропията (разстройството) в затворена система се увеличава. Разликите в температурата, налягането и плътността са склонни да се изравняват хоризонтално с течение на времето. Поради гравитацията, плътността и налягането не се изравняват вертикално. Плътността и налягането в долната част ще бъдат по-големи, отколкото в горната част. Ентропията е мярка за разпространението на материята и енергията навсякъде, където има достъп. Най-често срещаната формулировка на втория закон на термодинамиката се свързва главно с Рудолф Клаузиус, който казва:
Невъзможно е да се изгради устройство, което да не произвежда друг ефект освен прехвърлянето на топлина от тяло с по-ниска температура към тяло с по-висока температура.
С други думи, всичко се опитва да поддържа същата температура във времето. Има много формулировки на втория закон на термодинамиката, които използват различни термини, но всички те означават едно и също нещо. Друго изявление на Клаузиус:
Топлината сама по себе си не епреминаване от студено към по-горещо тяло.
Вторият закон се прилага само за големи системи. Това се отнася до вероятното поведение на система, в която няма енергия или материя. Колкото по-голяма е системата, толкова по-вероятно е вторият закон.
Друга формулировка на закона:
Общата ентропия винаги нараства в спонтанен процес.
Увеличението на ентропията ΔS по време на процеса трябва да надвишава или да бъде равно на съотношението на количеството топлина Q, предадено на системата, към температурата T, при която се предава топлината. Формула на втория закон на термодинамиката:
Термодинамична система
В общ смисъл формулировката на втория закон на термодинамиката с прости думи гласи, че температурните разлики между системите, които са в контакт една с друга, имат тенденция да се изравняват и че работата може да бъде получена от тези неравновесни разлики. Но в този случай има загуба на топлинна енергия и ентропията се увеличава. Разликите в налягането, плътността и температурата в изолирана система са склонни да се изравнят, ако им се даде възможност; плътността и налягането, но не и температурата, зависят от гравитацията. Топлинният двигател е механично устройство, което осигурява полезна работа поради разликата в температурата между две тела.
Термодинамична система е тази, която взаимодейства и обменя енергия с областта около нея. Обмяната и прехвърлянето трябва да се извършват поне по два начина. Един от начините трябва да бъде пренос на топлина. Акотермодинамичната система "е в равновесие", тя не може да промени своето състояние или статус, без да взаимодейства с околната среда. Просто казано, ако сте в равновесие, вие сте „щастлива система“, нищо не можете да направите. Ако искате да направите нещо, трябва да взаимодействате с външния свят.
Вторият закон на термодинамиката: необратимостта на процесите
Невъзможно е да има цикличен (повтарящ се) процес, който напълно превръща топлината в работа. Също така е невъзможно да има процес, който пренася топлина от студени предмети към топли предмети, без да се използва работа. Част от енергията в реакцията винаги се губи за топлина. Освен това системата не може да преобразува цялата си енергия в работна енергия. Втората част от закона е по-очевидна.
Студено тяло не може да загрее топло тяло. Топлината естествено има тенденция да тече от по-топлите към по-хладните зони. Ако топлината преминава от по-хладно към по-топло, това е в противоречие с това, което е „естествено“, така че системата трябва да свърши известна работа, за да се случи. Необратимостта на процесите в природата е вторият закон на термодинамиката. Това е може би най-известният (поне сред учените) и важен закон на цялата наука. Една от неговите формулировки:
Ентропията на Вселената се стреми към максимум.
С други думи, ентропията или остава същата, или се увеличава, ентропията на Вселената никога не може да намалее. Проблемът е, че винаги е такаправо. Ако вземете бутилка парфюм и я напръскате в стаята, скоро ароматните атоми ще запълнят цялото пространство и този процес е необратим.
Взаимоотношения в термодинамиката
Законите на термодинамиката описват връзката между топлинната енергия или топлината и други форми на енергия и как енергията влияе на материята. Първият закон на термодинамиката гласи, че енергията не може да бъде създадена или унищожена; общото количество енергия във Вселената остава непроменено. Вторият закон на термодинамиката е за качеството на енергията. В него се посочва, че когато енергията се прехвърля или преобразува, се губи все повече и повече използваема енергия. Вторият закон също така гласи, че има естествена тенденция всяка изолирана система да става все по-неподредена.
Дори когато поръчката се увеличава на определено място, когато вземете предвид цялата система, включително околната среда, винаги има увеличение на ентропията. В друг пример, кристали могат да се образуват от солен разтвор, когато водата се изпари. Кристалите са по-подредени от молекулите на солта в разтвор; обаче, изпарената вода е много по-разредена от течната вода. Процесът, взет като цяло, води до нетно увеличаване на разстройството.
Работа и енергия
Вторият закон обяснява, че е невъзможно да се преобразува топлинната енергия в механична със 100 процента ефективност. Може да се даде пример сс кола. След процеса на нагряване на газа, за да се увеличи налягането му за задвижване на буталото, винаги в газа остава малко топлина, която не може да се използва за извършване на допълнителна работа. Тази отпадъчна топлина трябва да се изхвърли, като се прехвърли в радиатор. В случай на автомобилен двигател това става чрез извличане на сместа от отработено гориво и въздух в атмосферата.
В допълнение, всяко устройство с движещи се части създава триене, което преобразува механичната енергия в топлина, която обикновено е неизползваема и трябва да бъде отстранена от системата чрез прехвърляне към радиатор. Когато горещо тяло и студено тяло са в контакт едно с друго, топлинната енергия ще тече от горещото тяло към студеното тяло, докато достигнат топлинно равновесие. Топлината обаче никога няма да се върне обратно; температурната разлика между две тела никога няма да се увеличи спонтанно. Преместването на топлина от студено към горещо тяло изисква работа да се извършва от външен източник на енергия, като термопомпа.
Съдбата на вселената
Вторият закон също предсказва края на Вселената. Това е най-високото ниво на разстройство, ако навсякъде има постоянно топлинно равновесие, не може да се извърши никаква работа и цялата енергия ще завърши като произволно движение на атоми и молекули. Според съвременните данни Метагалактиката е разширяваща се нестационарна система и не може да се говори за топлинна смърт на Вселената. топлинна смърте състояние на топлинно равновесие, при което всички процеси спират.
Тази позиция е погрешна, тъй като вторият закон на термодинамиката се прилага само за затворени системи. А Вселената, както знаете, е безгранична. Въпреки това, самият термин "топлинна смърт на Вселената" понякога се използва за обозначаване на сценарий за бъдещото развитие на Вселената, според който тя ще продължи да се разширява до безкрайност в тъмнината на космоса, докато не се превърне в разпръснат студен прах..
