Hur genereras energi, hur omvandlas den från en form till en annan, och vad händer med energi i ett slutet system? Alla dessa frågor kan besvaras av termodynamikens lagar. Termodynamikens andra lag kommer att diskuteras mer i detalj idag.
lagar i vardagen
Lagar styr det dagliga livet. Väglagarna säger att du måste stanna vid stoppskyltar. Regeringen kräver att ge en del av deras lön till staten och den federala regeringen. Även vetenskapliga är tillämpliga på vardagen. Till exempel förutspår tyngdlagen ett ganska dåligt resultat för dem som försöker flyga. En annan uppsättning vetenskapliga lagar som påverkar vardagen är termodynamikens lagar. Så här är några exempel för att se hur de påverkar det dagliga livet.
Thermodynamikens första lag
Termodynamikens första lag säger att energi inte kan skapas eller förstöras, men den kan omvandlas från en form till en annan. Detta kallas ibland också för lagen om energibevarande. Så hur är detgäller i vardagen? Tja, ta till exempel datorn du använder nu. Den livnär sig på energi, men var kommer denna energi ifrån? Termodynamikens första lag säger oss att denna energi inte kunde komma från luften, så den kom någonstans ifrån.
Du kan spåra denna energi. Datorn drivs av el, men var kommer elen ifrån? Det stämmer, från ett kraftverk eller vattenkraftverk. Om vi betraktar den andra, kommer den att vara förknippad med en damm som håller tillbaka floden. Floden har ett samband med kinetisk energi, vilket betyder att floden flyter. Dammen omvandlar denna kinetiska energi till potentiell energi.
Hur fungerar ett vattenkraftverk? Vatten används för att vända turbinen. När turbinen roterar sätts en generator i rörelse som skapar elektricitet. Denna elektricitet kan dras helt i ledningar från elverket till ditt hem så att när du ansluter nätsladden till ett eluttag kommer elen in i din dator så att den kan fungera.
Vad hände här? Det fanns redan en viss mängd energi som var förknippad med vattnet i floden som kinetisk energi. Sedan förvandlades det till potentiell energi. Dammen tog sedan den potentiella energin och förvandlade den till elektricitet, som sedan kunde komma in i ditt hem och driva din dator.
Thermodynamikens andra lag
Genom att studera denna lag kan man förstå hur energi fungerar och varför allt går moteventuellt kaos och oordning. Termodynamikens andra lag kallas också för entropilagen. Har du någonsin undrat hur universum kom till? Enligt Big Bang Theory samlades en enorm mängd energi innan allt föddes. Universum dök upp efter Big Bang. Allt detta är bra, men vad var det för energi? Vid tidernas begynnelse fanns all energi i universum på en relativt liten plats. Denna intensiva koncentration representerade en enorm mängd av vad som kallas potentiell energi. Med tiden spreds det över hela vårt universums vidsträckta vidd.
I mycket mindre skala innehåller vattenreservoaren som dammen innehar potentiell energi, eftersom dess läge gör att den kan rinna genom dammen. I varje fall sprids den lagrade energin, när den väl har släppts, ut och gör det utan ansträngning. Frigörandet av potentiell energi är med andra ord en spontan process som sker utan behov av ytterligare resurser. När energi distribueras omvandlas en del av den till nyttig energi och utför en del arbete. Resten omvandlas till oanvändbar, helt enkelt kallad värme.
När universum fortsätter att expandera, innehåller det mindre och mindre användbar energi. Om mindre användbart är tillgängligt kan mindre arbete göras. Eftersom vattnet rinner genom dammen innehåller det också mindre nyttig energi. Denna minskning av användbar energi över tiden kallas entropi, där entropi ärmängden oanvänd energi i systemet, och systemet är bara en samling objekt som utgör helheten.
Entropi kan också hänvisas till som mängden slumpmässighet eller kaos i en organisation utan organisation. När användbar energi minskar med tiden ökar desorganiseringen och kaoset. Allt eftersom den ackumulerade potentiella energin frigörs, omvandlas alltså inte allt detta till användbar energi. Alla system upplever denna ökning av entropi över tiden. Detta är mycket viktigt att förstå och detta fenomen kallas termodynamikens andra lag.
Entropy: chans eller defekt
Som du kanske har gissat följer den andra lagen den första, vanligen kallad lagen om energibevarande, och säger att energi inte kan skapas och inte kan förstöras. Med andra ord, mängden energi i universum eller något system är konstant. Termodynamikens andra lag kallas vanligen för entropilagen, och den säger att när tiden går blir energi mindre användbar och dess kvalitet minskar med tiden. Entropi är graden av slumpmässighet eller defekter som ett system har. Om systemet är mycket oordnat har det en stor entropi. Om det finns många fel i systemet är entropin låg.
I enkla termer säger termodynamikens andra lag att entropin i ett system inte kan minska med tiden. Det betyder att i naturen går saker från ett tillstånd av ordning till ett tillstånd av oordning. Och det är oåterkalleligt. Systemet aldrigkommer att bli mer ordnad av sig själv. Med andra ord, i naturen ökar alltid entropin i ett system. Ett sätt att tänka på det är ditt hem. Om du aldrig städar och dammsuger den, kommer du ganska snart att ha en fruktansvärd röra. Entropin har ökat! För att minska det är det nödvändigt att använda energi för att använda en dammsugare och en mopp för att rengöra ytan från damm. Huset kommer inte att städa sig själv.
Vilken är termodynamikens andra lag? Formuleringen i enkla ord säger att när energi förändras från en form till en annan, rör sig materia antingen fritt, eller så ökar entropin (störningen) i ett slutet system. Skillnader i temperatur, tryck och densitet tenderar att plana ut horisontellt med tiden. På grund av gravitationen utjämnas inte densiteten och trycket vertik alt. Tätheten och trycket i botten blir större än i toppen. Entropi är ett mått på spridningen av materia och energi varhelst den har tillgång. Den vanligaste formuleringen av termodynamikens andra lag är främst förknippad med Rudolf Clausius, som sa:
Det är omöjligt att bygga en enhet som inte ger någon annan effekt än överföringen av värme från en kropp med lägre temperatur till en kropp med högre temperatur.
Med andra ord, allt försöker hålla samma temperatur över tid. Det finns många formuleringar av termodynamikens andra lag som använder olika termer, men de betyder alla samma sak. Ännu ett Clausius-uttalande:
Värmen i sig är det integår från en kall till en varmare kropp.
Den andra lagen gäller bara stora system. Det handlar om det sannolika beteendet hos ett system där det inte finns någon energi eller materia. Ju större systemet är, desto mer sannolikt är den andra lagen.
En annan formulering av lagen:
Total entropi ökar alltid i en spontan process.
Ökningen av entropin ΔS under processens gång måste överstiga eller vara lika med förhållandet mellan mängden värme Q som överförs till systemet och temperaturen T vid vilken värme överförs. Formel för termodynamikens andra lag:
Termodynamiskt system
I en allmän mening säger formuleringen av termodynamikens andra lag i enkla termer att temperaturskillnader mellan system i kontakt med varandra tenderar att utjämnas och att arbete kan erhållas från dessa icke-jämviktsskillnader. Men i det här fallet finns det en förlust av termisk energi, och entropin ökar. Skillnader i tryck, densitet och temperatur i ett isolerat system tenderar att utjämnas om tillfälle ges; densitet och tryck, men inte temperatur, beror på gravitationen. En värmemotor är en mekanisk anordning som ger användbart arbete på grund av skillnaden i temperatur mellan två kroppar.
Ett termodynamiskt system är ett som interagerar och utbyter energi med området runt det. Byte och överföring måste ske på minst två sätt. Ett sätt bör vara värmeöverföring. Om endet termodynamiska systemet "är i jämvikt", det kan inte ändra sitt tillstånd eller status utan att interagera med omgivningen. Enkelt uttryckt, om du är i balans är du ett "lyckligt system", det finns inget du kan göra. Om du vill göra något måste du interagera med omvärlden.
Termodynamikens andra lag: processernas irreversibilitet
Det är omöjligt att ha en cyklisk (upprepad) process som helt omvandlar värme till arbete. Det är också omöjligt att ha en process som överför värme från kalla föremål till varma föremål utan att använda arbete. En del energi i en reaktion går alltid förlorad till värme. Dessutom kan systemet inte omvandla all sin energi till arbetsenergi. Den andra delen av lagen är mer uppenbar.
En kall kropp kan inte värma en varm kropp. Värme tenderar naturligt att flöda från varmare till kallare områden. Om värmen går från kallare till varmare är det tvärtemot vad som är "naturligt" så systemet måste göra en del arbete för att få det att hända. Oåterkalleligheten av processer i naturen är termodynamikens andra lag. Detta är kanske den mest kända (åtminstone bland vetenskapsmän) och viktiga lag inom all vetenskap. En av hans formuleringar:
Universums entropi tenderar till maxim alt.
Med andra ord, entropin antingen förblir densamma eller blir större, universums entropi kan aldrig minska. Problemet är att det alltid är deträtt. Om du tar en flaska parfym och sprejar den i ett rum, kommer snart de doftande atomerna att fylla hela utrymmet, och denna process är oåterkallelig.
Relationer i termodynamik
Termodynamikens lagar beskriver förhållandet mellan termisk energi eller värme och andra former av energi, och hur energi påverkar materia. Termodynamikens första lag säger att energi inte kan skapas eller förstöras; den totala mängden energi i universum förblir oförändrad. Termodynamikens andra lag handlar om energins kvalitet. Den säger att när energi överförs eller omvandlas, går mer och mer användbar energi förlorad. Den andra lagen säger också att det finns en naturlig tendens för alla isolerade system att bli mer oordnade.
Även när ordningen ökar på en viss plats, när du tar hänsyn till hela systemet, inklusive miljön, finns det alltid en ökning av entropin. I ett annat exempel kan kristaller bildas från en s altlösning när vatten förångas. Kristaller är mer ordnade än s altmolekyler i lösning; dock är förångat vatten mycket mer oordnat än flytande vatten. Processen som helhet resulterar i en nettoökning av störningar.
Arbete och energi
Den andra lagen förklarar att det är omöjligt att omvandla termisk energi till mekanisk energi med 100 procent effektivitet. Ett exempel kan ges medmed bil. Efter processen att värma upp gasen för att öka dess tryck för att driva kolven, finns det alltid lite värme kvar i gasen som inte kan användas för att utföra något extra arbete. Denna spillvärme måste kasseras genom att överföras till en radiator. I fallet med en bilmotor görs detta genom att extrahera det använda bränslet och luftblandningen till atmosfären.
Dessutom skapar alla enheter med rörliga delar friktion som omvandlar mekanisk energi till värme, som vanligtvis är oanvändbar och måste tas bort från systemet genom att överföra den till en radiator. När en varm kropp och en kall kropp är i kontakt med varandra kommer termisk energi att flöda från den varma kroppen till den kalla kroppen tills de når termisk jämvikt. Värmen kommer dock aldrig tillbaka åt andra hållet; temperaturskillnaden mellan två kroppar kommer aldrig spontant att öka. Att flytta värme från en kall kropp till en varm kropp kräver arbete som utförs av en extern energikälla som en värmepump.
Universums öde
Den andra lagen förutsäger också slutet på universum. Detta är den ultimata nivån av oordning, om det finns konstant termisk jämvikt överallt kan inget arbete utföras och all energi kommer att sluta som slumpmässig rörelse av atomer och molekyler. Enligt moderna data är Metagalaxy ett expanderande icke-stationärt system, och det kan inte vara tal om universums värmedöd. värmedödär ett tillstånd av termisk jämvikt där alla processer stannar.
Denna position är felaktig, eftersom termodynamikens andra lag gäller endast för slutna system. Och universum är, som ni vet, gränslöst. Men själva termen "universums värmedöd" används ibland för att hänvisa till ett scenario för universums framtida utveckling, enligt vilket det kommer att fortsätta att expandera till oändligheten in i rymdens mörker tills det förvandlas till spritt kallt damm.
