Kako nastaje energija, kako se pretvara iz jednog oblika u drugi i šta se dešava sa energijom u zatvorenom sistemu? Na sva ova pitanja mogu se odgovoriti zakonima termodinamike. O drugom zakonu termodinamike danas ćemo detaljnije govoriti.
Zakoni u svakodnevnom životu
Zakoni regulišu svakodnevni život. Zakoni o putevima kažu da morate stati na znakovima stop. Vlada traži da dio svoje plate daju državi i saveznoj vladi. Čak su i naučne primjenjive na svakodnevni život. Na primjer, zakon gravitacije predviđa prilično loš ishod za one koji pokušaju letjeti. Drugi skup naučnih zakona koji utiču na svakodnevni život su zakoni termodinamike. Evo nekoliko primjera da vidite kako oni utiču na svakodnevni život.
Prvi zakon termodinamike
Prvi zakon termodinamike kaže da se energija ne može stvoriti ili uništiti, ali se može transformisati iz jednog oblika u drugi. Ovo se ponekad naziva i zakonom održanja energije. Pa kako jeodnosi se na svakodnevni život? Pa, uzmite, na primjer, računar koji 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. Računar 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 sa kinetičkom energijom, što znači da rijeka teče. Brana pretvara ovu kinetičku energiju u potencijalnu energiju.
Kako funkcioniše hidroelektrana? Voda se koristi za okretanje turbine. Kada se turbina okreće, pokreće se generator koji stvara električnu energiju. Ova struja se može u potpunosti voditi u žicama od elektrane do vašeg doma, tako da kada uključite kabl za napajanje u električnu utičnicu, struja ulazi u vaš računar kako bi mogao da radi.
Šta 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 potom mogla ući u vaš dom i napajati vaš računar.
Drugi zakon termodinamike
Proučavanjem ovog zakona, može se razumjeti kako energija funkcionira i zašto se sve kreće kamogući haos 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. Univerzum 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 zove potencijalna energija. Vremenom se proširio po ogromnom prostranstvu našeg univerzuma.
U mnogo manjem obimu, rezervoar vode koji drži brana sadrži potencijalnu energiju, budući da njena lokacija omogućava 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 odvija 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 nazvano toplota.
Kako se svemir nastavlja širiti, on sadrži sve manje upotrebljive energije. Ako je dostupno manje korisnog, može se obaviti i manje posla. Budući da voda teče kroz branu, ona također sadrži manje korisne energije. Ovo smanjenje korisne energije tokom vremena naziva se entropija, gdje je entropijakoličina neiskorišćene energije u sistemu, a sistem je samo skup objekata koji čine celinu.
Entropija se takođe može nazvati količinom slučajnosti ili haosa u organizaciji bez organizacije. Kako se korisna energija vremenom smanjuje, neorganiziranost i haos se povećavaju. Dakle, kako se akumulirana potencijalna energija oslobađa, sve se to ne pretvara u korisnu energiju. Svi sistemi doživljavaju ovo povećanje entropije tokom vremena. Ovo je veoma važno razumjeti i ovaj fenomen se zove drugi zakon termodinamike.
Entropija: šansa ili nedostatak
Kao što ste mogli pretpostaviti, drugi zakon slijedi prvi, koji se obično naziva zakon održanja energije, i kaže da se energija ne može stvoriti i uništiti. Drugim riječima, količina energije u svemiru ili bilo kojem sistemu je konstantna. Drugi zakon termodinamike obično se naziva zakon entropije, i on smatra da kako vrijeme prolazi, energija postaje manje korisna i njen kvalitet opada tokom vremena. Entropija je stepen slučajnosti ili defekata koje sistem ima. Ako je sistem veoma neuređen, onda ima veliku entropiju. Ako ima mnogo grešaka u sistemu, onda je entropija niska.
Jednostavno rečeno, drugi zakon termodinamike kaže da se entropija sistema ne može smanjiti tokom vremena. To znači da u prirodi stvari idu iz stanja reda u stanje nereda. I to je nepovratno. Sistem nikadpostaće uređeniji sam po sebi. Drugim riječima, u prirodi se entropija sistema uvijek povećava. Jedan od načina da razmišljate 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.
Šta 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 sistemu povećava. Razlike u temperaturi, pritisku i gustoći imaju tendenciju da se s vremenom horizontalno poravnaju. Zbog gravitacije, gustina i pritisak se ne izjednačavaju okomito. Gustina i pritisak na dnu će biti veći nego na vrhu. Entropija je mjera širenja materije i energije gdje god ima pristup. Najčešća formulacija drugog zakona termodinamike uglavnom je povezana s Rudolfom Clausiusom, koji je rekao:
Nemoguće je napraviti uređaj koji ne proizvodi drugi efekat osim prenosa toplote sa tela sa nižom temperaturom na telo sa višom temperaturom.
Drugim rečima, sve pokušava da održi istu temperaturu tokom vremena. Postoje mnoge formulacije drugog zakona termodinamike koje koriste različite termine, ali sve znače istu stvar. Još jedna Clausiusova izjava:
Sama toplina nijeprelazak iz hladnog u toplije tijelo.
Drugi zakon se primjenjuje samo na velike sisteme. Tiče se vjerovatnog ponašanja sistema u kojem nema energije ili materije. Što je sistem veći, vjerovatnije je da je drugi zakon.
Drugi tekst zakona:
Ukupna entropija se uvijek povećava u spontanom procesu.
Povećanje entropije ΔS tokom procesa mora premašiti ili biti jednako omjeru količine topline Q prenesene sistemu prema temperaturi T na kojoj se toplota prenosi. Formula drugog zakona termodinamike:
Termodinamički sistem
U opštem smislu, formulacija drugog zakona termodinamike jednostavnim rečima kaže da temperaturne razlike između sistema koji su u kontaktu imaju tendenciju da se izjednače i da se rad može dobiti iz ovih neravnotežnih razlika. Ali u ovom slučaju dolazi do gubitka toplinske energije, a entropija se povećava. Razlike u pritisku, gustini i temperaturi u izolovanom sistemu imaju tendenciju da se izjednače ako im se pruži prilika; gustina i pritisak, ali ne i temperatura, zavise od gravitacije. Toplotni stroj je mehanički uređaj koji pruža koristan rad zbog razlike u temperaturi između dva tijela.
Termodinamički sistem je onaj koji stupa u interakciju i razmjenjuje energiju sa područjem oko sebe. Razmjena i prijenos moraju se dogoditi na najmanje dva načina. Jedan od načina bi trebao biti prijenos topline. Ako atermodinamički sistem "je u ravnoteži", ne može promijeniti svoje stanje ili status bez interakcije sa okolinom. Jednostavno, ako ste u ravnoteži, vi ste "srećan sistem", ne možete ništa učiniti. Ako želite nešto učiniti, morate komunicirati sa vanjskim svijetom.
Drugi zakon termodinamike: nepovratnost procesa
Nemoguće je imati ciklični (ponavljajući) proces koji u potpunosti pretvara toplinu u rad. Također je nemoguće imati proces koji prenosi toplinu sa hladnih predmeta na tople predmete bez korištenja rada. Nešto energije u reakciji uvijek se gubi u toplinu. Takođe, sistem ne može pretvoriti svu svoju energiju u radnu energiju. Drugi dio zakona je očigledniji.
Hladno tijelo ne može zagrijati toplo tijelo. Toplina prirodno teži da teče iz toplijih u hladnija područja. Ako toplota prelazi sa hladnijeg na toplije, to je u suprotnosti sa onim što je "prirodno" tako da sistem mora da uradi neki posao da bi se to desilo. Nepovratnost procesa u prirodi je drugi zakon termodinamike. Ovo je možda najpoznatiji (barem među naučnicima) i najvažniji zakon svih nauka. Jedna od njegovih formulacija:
Entropija Univerzuma teži maksimumu.
Drugim riječima, entropija ili ostaje ista ili postaje veća, entropija Univerzuma se nikada ne može smanjiti. Problem je što je uveku pravu. Ako uzmete bočicu parfema i poprskate je po prostoriji, uskoro će mirisni atomi ispuniti cijeli prostor, a ovaj proces je nepovratan.
Odnosi u termodinamici
Zakoni termodinamike opisuju odnos između toplotne energije ili toplote i drugih oblika energije, i kako energija utiče 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 kvalitet energije. Navodi da se kako se energija prenosi ili pretvara, gubi se sve više upotrebljive energije. Drugi zakon takođe kaže da postoji prirodna tendencija da bilo koji izolovani sistem postane neuređeniji.
Čak i kada se red na određenom mestu poveća, kada se uzme u obzir ceo sistem, uključujući i okruženje, uvek postoji povećanje entropije. U drugom primjeru, kristali se mogu formirati iz otopine soli kada se voda isparava. Kristali su uređeniji od molekula soli u rastvoru; međutim, isparena voda je mnogo neuređenija od tečne vode. Proces uzet u cjelini rezultira neto povećanjem poremećaja.
Rad i energija
Drugi zakon objašnjava da je nemoguće pretvoriti toplotnu energiju u mehaničku energiju sa 100 postotnom efikasnošću. Može se dati primjer saautomobilom. Nakon procesa zagrijavanja plina kako bi se povećao njegov tlak za pokretanje klipa, uvijek ostaje nešto topline u plinu koja se ne može iskoristiti za obavljanje bilo kakvog dodatnog rada. Ova otpadna toplota se mora odbaciti prenošenjem na radijator. U slučaju motora automobila, to se radi izvlačenjem mješavine istrošenog goriva i zraka u atmosferu.
Pored toga, svaki uređaj sa pokretnim dijelovima stvara trenje koje pretvara mehaničku energiju u toplinu, koja je obično neupotrebljiva i mora se ukloniti iz sistema prijenosom na radijator. Kada su toplo telo i hladno telo u kontaktu jedno sa drugim, toplotna energija će teći od toplog tela do hladnog tela sve dok ne dostignu toplotnu ravnotežu. Međutim, toplota se nikada neće vratiti na drugu stranu; temperaturna razlika između dva tijela se nikada neće spontano povećati. Premještanje topline iz hladnog tijela u vruće zahtijeva rad koji treba obaviti vanjski izvor energije kao što je toplotna pumpa.
Sudbina svemira
Drugi zakon takođe predviđa kraj svemira. Ovo je krajnji nivo nereda, ako postoji stalna termička ravnoteža svuda, ne može se obaviti nikakav rad i sva energija će završiti kao nasumično kretanje atoma i molekula. Prema savremenim podacima, Metagalaksija je nestacionarni sistem koji se širi, a o toplotnoj smrti Univerzuma ne može biti govora. toplotna smrtje stanje termičke ravnoteže u kojem se svi procesi zaustavljaju.
Ova pozicija je pogrešna, pošto se drugi zakon termodinamike odnosi samo na zatvorene sisteme. A svemir je, kao što znate, neograničen. Međutim, sam izraz "toplotna smrt Univerzuma" ponekad se koristi za označavanje scenarija budućeg razvoja Univerzuma, prema kojem će se on nastaviti širiti u beskonačnost u tamu svemira sve dok se ne pretvori u rasutu hladnu prašinu..
