Hvordan genereres energi, hvordan omdannes den fra en form til en annen, og hva skjer med energi i et lukket system? Alle disse spørsmålene kan besvares av termodynamikkens lover. Termodynamikkens andre lov vil bli diskutert mer detaljert i dag.
Lover i hverdagen
Lover styrer dagliglivet. Veiloven sier at du må stoppe ved stoppskilt. Regjeringen krever å gi deler av lønnen deres til staten og den føderale regjeringen. Selv vitenskapelige er anvendelige i hverdagen. For eksempel spår tyngdeloven et ganske dårlig utfall for de som prøver å fly. Et annet sett med vitenskapelige lover som påvirker hverdagen er termodynamikkens lover. Så her er noen eksempler for å se hvordan de påvirker dagliglivet.
The First Law of Thermodynamikk
Termodynamikkens første lov sier at energi ikke kan skapes eller ødelegges, men den kan transformeres fra en form til en annen. Dette blir også noen ganger referert til som loven om bevaring av energi. Så hvordan er detgjelder hverdagen? Vel, ta for eksempel datamaskinen du bruker nå. Den lever av energi, men hvor kommer denne energien fra? Termodynamikkens første lov forteller oss at denne energien ikke kunne komme fra luften, så den kom fra et sted.
Du kan spore denne energien. Datamaskinen drives av strøm, men hvor kommer strømmen fra? Det stemmer, fra et kraftverk eller vannkraftverk. Hvis vi vurderer det andre, vil det være forbundet med en demning som holder tilbake elven. Elva har en forbindelse med kinetisk energi, som betyr at elva renner. Demningen konverterer denne kinetiske energien til potensiell energi.
Hvordan fungerer et vannkraftverk? Vann brukes til å snu turbinen. Når turbinen roterer settes en generator i bevegelse, som skal lage strøm. Denne strømmen kan kjøres helt i ledninger fra kraftverket til hjemmet ditt, slik at når du kobler strømledningen til en stikkontakt, kommer strømmen inn i datamaskinen din slik at den kan fungere.
Hva skjedde her? Det var allerede en viss mengde energi som var knyttet til vannet i elva som kinetisk energi. Så ble det til potensiell energi. Demningen tok deretter den potensielle energien og gjorde den til elektrisitet, som deretter kunne komme inn i hjemmet ditt og drive datamaskinen din.
The Second Law of Thermodynamikk
Ved å studere denne loven kan man forstå hvordan energi fungerer og hvorfor alt beveger seg motmulig kaos og uorden. Termodynamikkens andre lov kalles også entropiloven. Har du noen gang lurt på hvordan universet ble til? Ifølge Big Bang Theory, før alt ble født, samlet en enorm mengde energi seg. Universet dukket opp etter Big Bang. Alt dette er bra, men hva slags energi var det? I begynnelsen av tiden var all energien i universet inneholdt på ett relativt lite sted. Denne intense konsentrasjonen representerte en enorm mengde av det som kalles potensiell energi. Over tid spredte det seg over hele universet vårt.
I en mye mindre skala inneholder vannreservoaret som holdes av demningen potensiell energi, siden plasseringen gjør at det kan strømme gjennom demningen. I hvert tilfelle spres den lagrede energien, når den er frigjort, ut og gjør det uten noen anstrengelse. Frigjøring av potensiell energi er med andre ord en spontan prosess som skjer uten behov for ekstra ressurser. Etter hvert som energi distribueres, omdannes noe av den til nyttig energi og utfører noe arbeid. Resten gjøres om til ubrukelig, ganske enkelt k alt varme.
Når universet fortsetter å utvide seg, inneholder det mindre og mindre brukbar energi. Hvis mindre nyttig er tilgjengelig, kan mindre arbeid gjøres. Siden vannet renner gjennom demningen, inneholder det også mindre nyttig energi. Denne nedgangen i brukbar energi over tid kalles entropi, der entropi ermengden ubrukt energi i systemet, og systemet er bare en samling av objekter som utgjør helheten.
Entropi kan også refereres til som mengden tilfeldighet eller kaos i en organisasjon uten organisasjon. Ettersom brukbar energi avtar over tid, øker uorganisering og kaos. Når den akkumulerte potensielle energien frigjøres, blir ikke alt dette omdannet til nyttig energi. Alle systemer opplever denne økningen i entropi over tid. Dette er veldig viktig å forstå, og dette fenomenet kalles termodynamikkens andre lov.
Entropy: sjanse eller defekt
Som du kanskje har gjettet, følger den andre loven den første, ofte referert til som loven om bevaring av energi, og sier at energi ikke kan skapes og ikke kan ødelegges. Med andre ord, mengden energi i universet eller et hvilket som helst system er konstant. Termodynamikkens andre lov blir ofte referert til som entropiloven, og den sier at når tiden går, blir energi mindre nyttig og kvaliteten avtar over tid. Entropi er graden av tilfeldighet eller defekter som et system har. Hvis systemet er veldig uordnet, har det en stor entropi. Hvis det er mange feil i systemet, er entropien lav.
Forenklet sett sier termodynamikkens andre lov at entropien til et system ikke kan avta over tid. Dette betyr at i naturen går ting fra en ordenstilstand til en tilstand av uorden. Og det er irreversibelt. Systemet aldrivil bli mer ryddig av seg selv. Med andre ord, i naturen øker alltid entropien til et system. En måte å tenke på det er hjemmet ditt. Hvis du aldri rengjør og støvsuger det, vil du snart få et forferdelig rot. Entropien har økt! For å redusere det er det nødvendig å bruke energi til å bruke en støvsuger og en mopp for å rense overflaten for støv. Huset vil ikke rense seg selv.
Hva er termodynamikkens andre lov? Formuleringen i enkle ord sier at når energi endres fra en form til en annen, beveger materie seg enten fritt, eller så øker entropien (uorden) i et lukket system. Forskjeller i temperatur, trykk og tetthet har en tendens til å flate ut horisont alt over tid. På grunn av tyngdekraften utjevnes ikke tetthet og trykk vertik alt. Tettheten og trykket i bunnen vil være større enn på toppen. Entropi er et mål på spredningen av materie og energi uansett hvor den har tilgang. Den vanligste formuleringen av termodynamikkens andre lov er hovedsakelig assosiert med Rudolf Clausius, som sa:
Det er umulig å bygge en enhet som ikke gir en annen effekt enn overføring av varme fra en kropp med lavere temperatur til en kropp med høyere temperatur.
Med andre ord prøver alt å holde samme temperatur over tid. Det er mange formuleringer av termodynamikkens andre lov som bruker forskjellige begreper, men de betyr alle det samme. Nok en Clausius-uttalelse:
Varme i seg selv er det ikkegår fra en kald til en varmere kropp.
Den andre loven gjelder kun for store systemer. Det gjelder den sannsynlige oppførselen til et system der det ikke er energi eller materie. Jo større systemet er, jo mer sannsynlig er den andre loven.
En annen ordlyd av loven:
Total entropi øker alltid i en spontan prosess.
Økningen i entropi ΔS i løpet av prosessen må overstige eller være lik forholdet mellom mengden varme Q som overføres til systemet og temperaturen T som varme overføres ved. Formel for termodynamikkens andre lov:
Termodynamisk system
I en generell forstand sier formuleringen av termodynamikkens andre lov i enkle termer at temperaturforskjeller mellom systemer i kontakt med hverandre har en tendens til å utjevnes og at arbeid kan oppnås fra disse ikke-likevektsforskjellene. Men i dette tilfellet er det tap av termisk energi, og entropien øker. Forskjeller i trykk, tetthet og temperatur i et isolert system har en tendens til å utjevnes hvis de får muligheten; tetthet og trykk, men ikke temperatur, avhenger av tyngdekraften. En varmemotor er en mekanisk enhet som gir nyttig arbeid på grunn av forskjellen i temperatur mellom to legemer.
Et termodynamisk system er et som samhandler og utveksler energi med området rundt det. Utveksling og overføring må skje på minst to måter. En måte bør være varmeoverføring. Hvis endet termodynamiske systemet "er i likevekt", det kan ikke endre sin tilstand eller status uten å samhandle med omgivelsene. Enkelt sagt, hvis du er i balanse, er du et "lykkelig system", det er ingenting du kan gjøre. Hvis du vil gjøre noe, må du samhandle med omverdenen.
Termodynamikkens andre lov: irreversibiliteten til prosesser
Det er umulig å ha en syklisk (gjentatt) prosess som fullstendig omdanner varme til arbeid. Det er også umulig å ha en prosess som overfører varme fra kalde gjenstander til varme gjenstander uten å bruke arbeid. Noe energi i en reaksjon går alltid tapt til varme. Systemet kan heller ikke konvertere all energi til arbeidsenergi. Den andre delen av loven er mer åpenbar.
En kald kropp kan ikke varme en varm kropp. Varme har en naturlig tendens til å strømme fra varmere til kjøligere områder. Hvis varmen går fra kjøligere til varmere er det i strid med det som er "naturlig", så systemet må gjøre litt arbeid for å få det til. Irreversibiliteten til prosesser i naturen er termodynamikkens andre lov. Dette er kanskje den mest kjente (i hvert fall blant vitenskapsmenn) og viktige lov av all vitenskap. En av hans formuleringer:
Entropien til universet har en tendens til det maksimale.
Med andre ord, entropien enten forblir den samme eller blir større, entropien til universet kan aldri reduseres. Problemet er at det alltid er detIkke sant. Hvis du tar en flaske parfyme og sprayer den i et rom, vil snart de duftende atomene fylle hele rommet, og denne prosessen er irreversibel.
Relasjoner i termodynamikk
Termodynamikkens lover beskriver forholdet mellom termisk energi eller varme og andre former for energi, og hvordan energi påvirker materie. Termodynamikkens første lov sier at energi ikke kan skapes eller ødelegges; den totale mengden energi i universet forblir uendret. Termodynamikkens andre lov handler om kvaliteten på energi. Den sier at når energi overføres eller omdannes, går mer og mer brukbar energi tapt. Den andre loven sier også at det er en naturlig tendens til at ethvert isolert system blir mer uordnet.
Selv når rekkefølgen øker på et bestemt sted, når du tar hensyn til hele systemet, inkludert miljøet, er det alltid en økning i entropien. I et annet eksempel kan det dannes krystaller fra en s altløsning når vann fordampes. Krystaller er mer ordnet enn s altmolekyler i løsning; imidlertid er fordampet vann mye mer uordnet enn flytende vann. Prosessen sett under ett resulterer i en netto økning i uorden.
Arbeid og energi
Den andre loven forklarer at det er umulig å konvertere termisk energi til mekanisk energi med 100 prosent effektivitet. Et eksempel kan gis medmed bil. Etter prosessen med å varme opp gassen for å øke trykket for å drive stempelet, er det alltid noe varme igjen i gassen som ikke kan brukes til å utføre noe ekstra arbeid. Denne spillvarmen må kastes ved å overføre den til en radiator. Når det gjelder en bilmotor, gjøres dette ved å trekke ut blandingen av brukt brensel og luft ut i atmosfæren.
I tillegg skaper enhver enhet med bevegelige deler friksjon som omdanner mekanisk energi til varme, som vanligvis er ubrukelig og må fjernes fra systemet ved å overføre det til en radiator. Når en varm kropp og en kald kropp er i kontakt med hverandre, vil termisk energi strømme fra den varme kroppen til den kalde kroppen til de når termisk likevekt. Varmen kommer imidlertid aldri tilbake den andre veien; temperaturforskjellen mellom to kropper vil aldri spontant øke. Å flytte varme fra en kald kropp til en varm kropp krever arbeid som utføres av en ekstern energikilde, for eksempel en varmepumpe.
The Fate of the Universe
Den andre loven forutsier også slutten på universet. Dette er det ultimate nivået av uorden, hvis det er konstant termisk likevekt over alt, kan ikke noe arbeid gjøres og all energi vil ende opp som tilfeldig bevegelse av atomer og molekyler. I følge moderne data er Metagalaxy et ekspanderende ikke-stasjonært system, og det kan ikke være snakk om universets varmedød. varmedøder en termisk likevektstilstand der alle prosesser stopper.
Denne posisjonen er feil, siden termodynamikkens andre lov gjelder bare for lukkede systemer. Og universet, som du vet, er ubegrenset. Imidlertid brukes selve begrepet "universets varmedød" noen ganger for å referere til et scenario for den fremtidige utviklingen av universet, ifølge hvilket det vil fortsette å utvide seg til det uendelige inn i rommets mørke til det blir til spredt kaldt støv.
