Hvordan genereres energi, hvordan omdannes den fra en form til en anden, og hvad sker der med energi i et lukket system? Alle disse spørgsmål kan besvares af termodynamikkens love. Termodynamikkens anden lov vil blive diskuteret mere detaljeret i dag.
Love i hverdagen
Love styrer dagligdagen. Vejloven siger, at du skal stoppe ved stopskilte. Regeringen kræver at give en del af deres løn til staten og den føderale regering. Selv videnskabelige er anvendelige i hverdagen. For eksempel forudsiger tyngdeloven et ret dårligt resultat for dem, der forsøger at flyve. Et andet sæt videnskabelige love, der påvirker hverdagen, er termodynamikkens love. Så her er nogle eksempler for at se, hvordan de påvirker dagligdagen.
Den første lov for termodynamikken
Termodynamikkens første lov siger, at energi ikke kan skabes eller ødelægges, men den kan transformeres fra en form til en anden. Dette omtales også nogle gange som loven om energibevarelse. Så hvordan er detgælder i hverdagen? Nå, tag for eksempel den computer, du bruger nu. Den lever af energi, men hvor kommer denne energi fra? Termodynamikkens første lov fortæller os, at denne energi ikke kunne komme fra luften, så den kom et sted fra.
Du kan spore denne energi. Computeren drives af elektricitet, men hvor kommer strømmen fra? Det er rigtigt, fra et kraftværk eller vandkraftværk. Hvis vi overvejer det andet, så vil det være forbundet med en dæmning, der holder floden tilbage. Floden har en forbindelse med kinetisk energi, hvilket betyder, at floden flyder. Dæmningen omdanner denne kinetiske energi til potentiel energi.
Hvordan fungerer et vandkraftværk? Vand bruges til at dreje turbinen. Når turbinen roterer, sættes en generator i gang, som vil skabe elektricitet. Denne elektricitet kan køres helt i ledninger fra elværket til dit hjem, så når du sætter netledningen i en stikkontakt, kommer strømmen ind i din computer, så den kan fungere.
Hvad skete der her? Der var allerede en vis mængde energi, der var forbundet med vandet i floden som kinetisk energi. Så blev det til potentiel energi. Dæmningen tog derefter den potentielle energi og forvandlede den til elektricitet, som derefter kunne komme ind i dit hjem og forsyne din computer med strøm.
Den anden lov for termodynamikken
Ved at studere denne lov kan man forstå, hvordan energi virker, og hvorfor alting bevæger sig hen imodmuligt kaos og uorden. Termodynamikkens anden lov kaldes også entropiloven. Har du nogensinde spekuleret på, hvordan universet blev til? Ifølge Big Bang Theory, før alt blev født, samlede en enorm mængde energi sig sammen. Universet dukkede op efter Big Bang. Alt dette er godt, men hvilken slags energi var det? I tidernes begyndelse var al energien i universet indeholdt på et relativt lille sted. Denne intense koncentration repræsenterede en enorm mængde af det, der kaldes potentiel energi. Med tiden spredte den sig ud over hele vores univers.
I meget mindre målestok indeholder vandreservoiret, som dæmningen holder, potentiel energi, da dets placering tillader det at strømme gennem dæmningen. I hvert tilfælde spredes den lagrede energi, når den først er frigivet, ud og gør det uden nogen indsats. Med andre ord er frigivelsen af potentiel energi en spontan proces, der sker uden behov for yderligere ressourcer. Efterhånden som energi fordeles, omdannes noget af det til nyttig energi og udfører noget arbejde. Resten omdannes til ubrugelig, blot kaldet varme.
Når universet fortsætter med at udvide sig, indeholder det mindre og mindre brugbar energi. Hvis mindre nyttigt er tilgængeligt, kan der udføres mindre arbejde. Da vandet strømmer gennem dæmningen, indeholder det også mindre nyttig energi. Dette fald i brugbar energi over tid kaldes entropi, hvor entropi ermængden af ubrugt energi i systemet, og systemet er blot en samling af objekter, der udgør helheden.
Entropi kan også omtales som mængden af tilfældighed eller kaos i en organisation uden organisation. Efterhånden som brugbar energi aftager over tid, øges uorganisering og kaos. Efterhånden som den akkumulerede potentielle energi frigives, bliver ikke alt dette omdannet til nyttig energi. Alle systemer oplever denne stigning i entropi over tid. Dette er meget vigtigt at forstå, og dette fænomen kaldes termodynamikkens anden lov.
Entropy: chance eller defekt
Som du måske har gættet, følger den anden lov den første, almindeligvis omt alt som loven om bevarelse af energi, og siger, at energi ikke kan skabes og ikke kan ødelægges. Med andre ord er mængden af energi i universet eller et hvilket som helst system konstant. Termodynamikkens anden lov omtales almindeligvis som loven om entropi, og den hævder, at som tiden går, bliver energi mindre nyttig, og dens kvalitet falder over tid. Entropi er graden af tilfældighed eller defekter, som et system har. Hvis systemet er meget uordnet, så har det en stor entropi. Hvis der er mange fejl i systemet, er entropien lav.
I enkle vendinger siger termodynamikkens anden lov, at et systems entropi ikke kan falde over tid. Det betyder, at tingene i naturen går fra en tilstand af orden til en tilstand af uorden. Og det er irreversibelt. Systemet aldrigvil blive mere velordnet af sig selv. Med andre ord, i naturen øges entropien i et system altid. En måde at tænke det på er dit hjem. Hvis du aldrig renser og støvsuger det, vil du snart få et frygteligt rod. Entropien er steget! For at reducere det er det nødvendigt at bruge energi til at bruge en støvsuger og en moppe til at rense overfladen for støv. Huset vil ikke rense sig selv.
Hvad er termodynamikkens anden lov? Formuleringen i simple ord siger, at når energi skifter fra en form til en anden, bevæger stof enten sig frit, eller også stiger entropien (uordenen) i et lukket system. Forskelle i temperatur, tryk og tæthed har en tendens til at udjævne sig horisont alt over tid. På grund af tyngdekraften udlignes tæthed og tryk ikke lodret. Tætheden og trykket i bunden vil være større end i toppen. Entropi er et mål for spredningen af stof og energi, uanset hvor den har adgang. Den mest almindelige formulering af termodynamikkens anden lov er hovedsageligt forbundet med Rudolf Clausius, der sagde:
Det er umuligt at bygge en enhed, der ikke frembringer en anden effekt end overførsel af varme fra et legeme med en lavere temperatur til et legeme med en højere temperatur.
Med andre ord forsøger alt at holde den samme temperatur over tid. Der er mange formuleringer af termodynamikkens anden lov, der bruger forskellige udtryk, men de betyder alle det samme. Endnu en Clausius-erklæring:
Varme i sig selv er det ikkegår fra en kold til en varmere krop.
Den anden lov gælder kun for store systemer. Det drejer sig om den sandsynlige opførsel af et system, hvor der ikke er energi eller stof. Jo større systemet er, jo mere sandsynligt er den anden lov.
En anden formulering af loven:
Total entropi stiger altid i en spontan proces.
Stigningen i entropien ΔS i løbet af processen skal overstige eller være lig med forholdet mellem mængden af varme Q, der overføres til systemet, og temperaturen T, ved hvilken varme overføres. Formel for termodynamikkens anden lov:
Termodynamisk system
I en generel forstand siger formuleringen af termodynamikkens anden lov i enkle vendinger, at temperaturforskelle mellem systemer i kontakt med hinanden har en tendens til at udligne, og at der kan opnås arbejde ud fra disse ikke-ligevægtsforskelle. Men i dette tilfælde er der et tab af termisk energi, og entropien stiger. Forskelle i tryk, tæthed og temperatur i et isoleret system har en tendens til at udligne, hvis de får muligheden; massefylde og tryk, men ikke temperatur, afhænger af tyngdekraften. En varmemotor er en mekanisk enhed, der giver nyttigt arbejde på grund af forskellen i temperatur mellem to legemer.
Et termodynamisk system er et, der interagerer og udveksler energi med området omkring det. Udveksling og overførsel skal ske på mindst to måder. En måde bør være varmeoverførsel. Hvis endet termodynamiske system "er i ligevægt", det kan ikke ændre sin tilstand eller status uden at interagere med omgivelserne. Kort sagt, hvis du er i balance, er du et "lykkeligt system", der er ikke noget du kan gøre. Hvis du vil gøre noget, skal du interagere med omverdenen.
Termodynamikkens anden lov: processers irreversibilitet
Det er umuligt at have en cyklisk (gentagen) proces, der fuldstændig omdanner varme til arbejde. Det er også umuligt at have en proces, der overfører varme fra kolde genstande til varme genstande uden at bruge arbejde. Noget energi i en reaktion går altid tabt til varme. Desuden kan systemet ikke omdanne al sin energi til arbejdsenergi. Den anden del af loven er mere indlysende.
En kold krop kan ikke opvarme en varm krop. Varme har naturligt en tendens til at strømme fra varmere til køligere områder. Hvis varmen går fra køligere til varmere, er det i modstrid med, hvad der er "naturligt", så systemet skal gøre noget arbejde for at få det til at ske. Irreversibiliteten af processer i naturen er termodynamikkens anden lov. Dette er måske den mest berømte (i hvert fald blandt videnskabsmænd) og vigtige lov inden for al videnskab. En af hans formuleringer:
Universets entropi har en tendens til det maksimale.
Med andre ord, entropi enten forbliver den samme eller bliver større, universets entropi kan aldrig falde. Problemet er, at det altid er detret. Hvis du tager en flaske parfume og sprayer den i et rum, vil de duftende atomer snart fylde hele rummet, og denne proces er irreversibel.
Relationer i termodynamik
Termodynamikkens love beskriver forholdet mellem termisk energi eller varme og andre former for energi, og hvordan energi påvirker stof. Termodynamikkens første lov siger, at energi ikke kan skabes eller ødelægges; den samlede mængde energi i universet forbliver uændret. Termodynamikkens anden lov handler om energiens kvalitet. Den siger, at efterhånden som energi overføres eller omdannes, går mere og mere brugbar energi tabt. Den anden lov siger også, at der er en naturlig tendens til, at ethvert isoleret system bliver mere uordnet.
Selv når rækkefølgen stiger et bestemt sted, når du tager hele systemet i betragtning, inklusive miljøet, er der altid en stigning i entropien. I et andet eksempel kan der dannes krystaller fra en s altopløsning, når vandet fordampes. Krystaller er mere ordnede end s altmolekyler i opløsning; dog er fordampet vand meget mere uordnet end flydende vand. Processen som helhed resulterer i en nettostigning i uorden.
Arbejde og energi
Den anden lov forklarer, at det er umuligt at omdanne termisk energi til mekanisk energi med 100 procent effektivitet. Et eksempel kan gives medmed bil. Efter processen med at opvarme gassen for at øge dens tryk for at drive stemplet, er der altid noget varme tilbage i gassen, som ikke kan bruges til at udføre yderligere arbejde. Denne spildvarme skal kasseres ved at overføre den til en radiator. I tilfælde af en bilmotor gøres dette ved at trække den brugte brændsel og luftblandingen ud i atmosfæren.
Derudover skaber enhver enhed med bevægelige dele friktion, der omdanner mekanisk energi til varme, som norm alt er ubrugelig og skal fjernes fra systemet ved at overføre det til en radiator. Når en varm krop og en kold krop er i kontakt med hinanden, vil termisk energi strømme fra den varme krop til den kolde krop, indtil de når termisk ligevægt. Varmen vender dog aldrig tilbage den anden vej; temperaturforskellen mellem to kroppe vil aldrig spontant stige. At flytte varme fra et koldt legeme til et varmt legeme kræver arbejde, der udføres af en ekstern energikilde, såsom en varmepumpe.
Universets skæbne
Den anden lov forudsiger også universets afslutning. Dette er det ultimative niveau af uorden, hvis der er konstant termisk ligevægt over alt, kan der ikke arbejdes, og al energi vil ende som den tilfældige bevægelse af atomer og molekyler. Ifølge moderne data er Metagalaxy et ekspanderende ikke-stationært system, og der kan ikke være tale om universets varmedød. varmedøder en tilstand af termisk ligevægt, hvor alle processer stopper.
Denne position er fejlagtig, da termodynamikkens anden lov kun gælder for lukkede systemer. Og universet er som bekendt grænseløst. Selve udtrykket "universets varmedød" bruges dog nogle gange til at henvise til et scenarie for universets fremtidige udvikling, ifølge hvilket det vil fortsætte med at udvide sig til det uendelige ind i rummets mørke, indtil det bliver til spredt koldt støv.
