Kako nastaje energija, kako se pretvara iz jednog oblika u drugi i što se događa s energijom u zatvorenom sustavu? Na sva ova pitanja mogu se odgovoriti zakonima termodinamike. Danas ćemo detaljnije raspravljati o drugom zakonu termodinamike.
Zakoni u svakodnevnom životu
Zakoni reguliraju svakodnevni život. Cestovni zakoni kažu da se morate zaustaviti na znakovima stop. Vlada zahtijeva da dio svoje plaće daju državi i saveznoj vladi. Čak su i one znanstvene primjenjive na svakodnevni život. Na primjer, zakon gravitacije predviđa prilično loš ishod za one koji pokušaju letjeti. Drugi skup znanstvenih zakona koji utječu na svakodnevni život su zakoni termodinamike. Evo nekoliko primjera da vidite kako utječu na svakodnevni život.
Prvi zakon termodinamike
Prvi zakon termodinamike kaže da se energija ne može stvoriti ili uništiti, ali se može transformirati iz jednog oblika u drugi. To se ponekad naziva i zakonom održanja energije. Pa kako jeodnosi se na svakodnevni život? Pa, uzmite, na primjer, računalo koje sada koristite. Hrani se energijom, ali odakle ta energija? Prvi zakon termodinamike nam govori da ova energija nije mogla doći iz zraka, pa je došla odnekud.
Možete pratiti ovu energiju. Računalo se napaja strujom, ali odakle dolazi struja? Tako je, iz elektrane ili hidroelektrane. Ako uzmemo u obzir drugu, onda će ona biti povezana s branom koja zadržava rijeku. Rijeka ima vezu s kinetičkom energijom, što znači da rijeka teče. Brana pretvara ovu kinetičku energiju u potencijalnu energiju.
Kako radi hidroelektrana? Voda se koristi za okretanje turbine. Kada se turbina okreće, pokreće se generator koji će stvarati električnu energiju. Ova se električna energija može u potpunosti voditi u žicama od elektrane do vašeg doma, tako da kada uključite kabel za napajanje u električnu utičnicu, električna energija ulazi u vaše računalo kako bi ono moglo raditi.
Što se ovdje dogodilo? Već je postojala određena količina energije koja je bila povezana s vodom u rijeci kao kinetička energija. Zatim se pretvorio u potencijalnu energiju. Brana je tada uzela tu potencijalnu energiju i pretvorila je u električnu energiju, koja bi tada mogla ući u vaš dom i napajati vaše računalo.
Drugi zakon termodinamike
Proučavanjem ovog zakona može se razumjeti kako energija djeluje i zašto se sve kreće premamogući kaos i nered. Drugi zakon termodinamike naziva se i zakon entropije. Jeste li se ikada zapitali kako je nastao svemir? Prema Teoriji velikog praska, prije nego što se sve rodilo skupila se ogromna količina energije. Svemir se pojavio nakon Velikog praska. Sve je to dobro, ali kakva je to energija bila? Na početku vremena, sva energija u svemiru bila je sadržana na jednom relativno malom mjestu. Ova intenzivna koncentracija predstavljala je ogromnu količinu onoga što se naziva potencijalnom energijom. S vremenom se proširio golemim prostranstvom našeg svemira.
U mnogo manjem obimu, rezervoar vode koji drži brana sadrži potencijalnu energiju, budući da njezin položaj omogućuje da teče kroz branu. U svakom slučaju, pohranjena energija, jednom oslobođena, širi se i to čini bez ikakvog napora. Drugim riječima, oslobađanje potencijalne energije je spontani proces koji se događa bez potrebe za dodatnim resursima. Kako se energija distribuira, dio se pretvara u korisnu energiju i obavlja neki rad. Ostatak se pretvara u neupotrebljivo, jednostavno zvanu toplina.
Kako se svemir nastavlja širiti, on sadrži sve manje iskoristive energije. Ako je dostupno manje korisnog, može se obaviti manje posla. Budući da voda teče kroz branu, ona također sadrži manje korisne energije. Ovo smanjenje iskoristive energije tijekom vremena naziva se entropija, gdje je entropijakoličina neiskorištene energije u sustavu, a sustav je samo skup objekata koji čine cjelinu.
Entropija se također može nazvati količinom slučajnosti ili kaosa u organizaciji bez organizacije. Kako se iskoristiva energija vremenom smanjuje, povećava se neorganiziranost i kaos. Dakle, kako se akumulirana potencijalna energija oslobađa, sve se to ne pretvara u korisnu energiju. Svi sustavi doživljavaju to povećanje entropije tijekom vremena. Ovo je vrlo važno razumjeti i ovaj fenomen se zove drugi zakon termodinamike.
Entropija: prilika ili nedostatak
Kao što ste mogli pretpostaviti, drugi zakon slijedi prvi, koji se obično naziva zakon održanja energije, i navodi da se energija ne može stvoriti i uništiti. Drugim riječima, količina energije u svemiru ili bilo kojem sustavu je konstantna. Drugi zakon termodinamike obično se naziva zakon entropije, a on smatra da kako vrijeme prolazi, energija postaje manje korisna i njezina kvaliteta s vremenom opada. Entropija je stupanj slučajnosti ili nedostataka koje sustav ima. Ako je sustav vrlo neuređen, onda ima veliku entropiju. Ako postoji mnogo grešaka u sustavu, onda je entropija niska.
Jednostavno rečeno, drugi zakon termodinamike kaže da se entropija sustava ne može smanjiti tijekom vremena. To znači da u prirodi stvari idu iz stanja reda u stanje nereda. I to je nepovratno. Sustav nikadpostat će uređeniji sam od sebe. Drugim riječima, u prirodi se entropija sustava uvijek povećava. Jedan način razmišljanja o tome je vaš dom. Ako ga nikada ne čistite i usisavate, uskoro ćete imati užasan nered. Entropija se povećala! Da biste ga smanjili, potrebno je energijom koristiti usisivač i krpu za čišćenje površine od prašine. Kuća se neće sama čistiti.
Koji je drugi zakon termodinamike? Formulacija jednostavnim riječima kaže da kada se energija mijenja iz jednog oblika u drugi, materija se ili kreće slobodno, ili se entropija (poremećaj) u zatvorenom sustavu povećava. Razlike u temperaturi, tlaku i gustoći s vremenom se smanjuju horizontalno. Zbog gravitacije, gustoća i tlak se ne izjednačuju okomito. Gustoća i tlak na dnu bit će veći nego na vrhu. Entropija je mjera širenja materije i energije gdje god imaju pristup. Najčešća formulacija drugog zakona termodinamike uglavnom je povezana s Rudolfom Clausiusom, koji je rekao:
Nemoguće je izgraditi uređaj koji ne proizvodi drugi učinak osim prijenosa topline s tijela s nižom temperaturom na tijelo s višom temperaturom.
Drugim riječima, sve pokušava održati istu temperaturu tijekom vremena. Postoje mnoge formulacije drugog zakona termodinamike koje koriste različite pojmove, ali svi znače istu stvar. Još jedna Clausiusova izjava:
Sama toplina nijeprelazak iz hladnog u toplije tijelo.
Drugi zakon vrijedi samo za velike sustave. Tiče se vjerojatnog ponašanja sustava u kojem nema energije ili materije. Što je sustav veći, vjerojatnije je da je drugi zakon.
Drugi tekst zakona:
Ukupna entropija uvijek raste u spontanom procesu.
Povećanje entropije ΔS tijekom procesa mora premašiti ili biti jednako omjeru količine topline Q prenesene u sustav i temperature T na kojoj se toplina prenosi. Formula drugog zakona termodinamike:
Termodinamički sustav
U općem smislu, formulacija drugog zakona termodinamike jednostavnim riječima kaže da se temperaturne razlike između sustava u međusobnom kontaktu nastoje izjednačiti i da se rad može dobiti iz tih neravnotežnih razlika. Ali u ovom slučaju dolazi do gubitka toplinske energije, a entropija se povećava. Razlike u tlaku, gustoći i temperaturi u izoliranom sustavu imaju tendenciju da se izjednače ako im se pruži prilika; gustoća i tlak, ali ne i temperatura, ovise o gravitaciji. Toplinski stroj je mehanički uređaj koji pruža koristan rad zbog razlike u temperaturi između dva tijela.
Termodinamički sustav je onaj koji komunicira i razmjenjuje energiju s područjem oko sebe. Razmjena i prijenos moraju se dogoditi na najmanje dva načina. Jedan od načina bi trebao biti prijenos topline. Ako je atermodinamički sustav "je u ravnoteži", ne može promijeniti svoje stanje ili status bez interakcije s okolinom. Jednostavno, ako ste u ravnoteži, vi ste „sretan sustav“, ne možete ništa učiniti. Ako želite nešto učiniti, morate komunicirati s vanjskim svijetom.
Drugi zakon termodinamike: nepovratnost procesa
Nemoguće je imati ciklički (ponavljajući) proces koji u potpunosti pretvara toplinu u rad. Također je nemoguće imati proces koji prenosi toplinu s hladnih predmeta na tople predmete bez korištenja rada. Dio energije u reakciji uvijek se gubi u toplinu. Također, sustav ne može svu svoju energiju pretvoriti u radnu energiju. Drugi dio zakona je očitiji.
Hladno tijelo ne može zagrijati toplo tijelo. Toplina prirodno teče iz toplijih u hladnija područja. Ako toplina prelazi s hladnijeg na toplije, to je suprotno onome što je "prirodno" pa sustav mora obaviti neki posao da bi se to dogodilo. Nepovratnost procesa u prirodi je drugi zakon termodinamike. Ovo je možda najpoznatiji (barem među znanstvenicima) i najvažniji zakon cijele znanosti. Jedna od njegovih formulacija:
Entropija svemira teži maksimumu.
Drugim riječima, entropija ili ostaje ista ili postaje veća, entropija svemira se nikada ne može smanjiti. Problem je što je uvijekpravo. Ako uzmete bočicu parfema i raspršite je po prostoriji, uskoro će mirisni atomi ispuniti cijeli prostor, a taj proces je nepovratan.
Odnosi u termodinamici
Zakoni termodinamike opisuju odnos između toplinske energije ili topline i drugih oblika energije, te kako energija utječe na materiju. Prvi zakon termodinamike kaže da se energija ne može stvoriti ili uništiti; ukupna količina energije u svemiru ostaje nepromijenjena. Drugi zakon termodinamike odnosi se na kvalitetu energije. Navodi da se kako se energija prenosi ili pretvara, gubi se sve više iskoristive energije. Drugi zakon također kaže da postoji prirodna tendencija da bilo koji izolirani sustav postane neuređeniji.
Čak i kada se red na određenom mjestu poveća, kada se uzme u obzir cijeli sustav, uključujući okoliš, uvijek dolazi do povećanja entropije. U drugom primjeru, kristali se mogu formirati iz otopine soli kada se voda ispari. Kristali su uređeniji od molekula soli u otopini; međutim, isparena voda je mnogo neuređenija od tekuće vode. Proces uzet u cjelini rezultira neto povećanjem poremećaja.
Rad i energija
Drugi zakon objašnjava da je nemoguće pretvoriti toplinsku energiju u mehaničku energiju sa 100 postotnom učinkovitošću. Može se dati primjer saautomobilom. Nakon procesa zagrijavanja plina kako bi se povećao njegov tlak za pogon klipa, uvijek ostaje nešto topline u plinu koja se ne može iskoristiti za obavljanje dodatnih radova. Ova otpadna toplina mora se odbaciti prijenosom na radijator. U slučaju motora automobila, to se postiže ekstrakcijom istrošenog goriva i mješavine zraka u atmosferu.
Osim toga, svaki uređaj s pokretnim dijelovima stvara trenje koje pretvara mehaničku energiju u toplinu, koja je obično neupotrebljiva i mora se ukloniti iz sustava prijenosom na radijator. Kada su vruće tijelo i hladno tijelo u dodiru jedno s drugim, toplinska energija će teći od vrućeg tijela do hladnog tijela sve dok ne postignu toplinsku ravnotežu. Međutim, toplina se nikada neće vratiti drugim putem; temperaturna razlika između dva tijela nikada se neće spontano povećati. Premještanje topline iz hladnog tijela u vruće zahtijeva rad koji mora obaviti vanjski izvor energije kao što je toplinska pumpa.
Sudbina svemira
Drugi zakon također predviđa kraj svemira. Ovo je krajnja razina nereda, ako posvuda postoji stalna toplinska ravnoteža, ne može se obaviti nikakav rad i sva energija će završiti kao nasumično kretanje atoma i molekula. Prema suvremenim podacima, Metagalaksija je nestacionarni sustav koji se širi, a o toplinskoj smrti Svemira ne može biti govora. toplinska smrtje stanje toplinske ravnoteže u kojem se svi procesi zaustavljaju.
Ova pozicija je pogrešna, budući da se drugi zakon termodinamike primjenjuje samo na zatvorene sustave. A svemir je, kao što znate, neograničen. Međutim, sam izraz "toplinska smrt svemira" ponekad se koristi za označavanje scenarija budućeg razvoja svemira, prema kojem će se on nastaviti širiti u beskonačnost u tamu svemira sve dok se ne pretvori u raspršenu hladnu prašinu..
