Aplikace a formulace druhého zákona termodynamiky

Obsah:

Aplikace a formulace druhého zákona termodynamiky
Aplikace a formulace druhého zákona termodynamiky
Anonim

Jak vzniká energie, jak se přeměňuje z jedné formy do druhé a co se děje s energií v uzavřeném systému? Na všechny tyto otázky lze odpovědět zákony termodynamiky. Dnes bude podrobněji probrán druhý termodynamický zákon.

Zákony v každodenním životě

Zákony řídí každodenní život. Silniční zákony říkají, že musíte zastavit na stopkách. Vláda požaduje dát část jejich platu státu a federální vládě. I ty vědecké jsou použitelné v každodenním životě. Například gravitační zákon předpovídá spíše špatný výsledek pro ty, kteří se pokusí létat. Dalším souborem vědeckých zákonů, které ovlivňují každodenní život, jsou zákony termodynamiky. Zde je několik příkladů, abyste viděli, jak ovlivňují každodenní život.

První zákon termodynamiky

První zákon termodynamiky říká, že energii nelze vytvořit ani zničit, ale lze ji přeměnit z jedné formy do druhé. Někdy se tomu také říká zákon zachování energie. Jak to tedy jeplatí pro každodenní život? Vezměme si například počítač, který právě používáte. Živí se energií, ale odkud tato energie pochází? První zákon termodynamiky nám říká, že tato energie nemohla pocházet ze vzduchu, takže přišla odněkud.

Tuto energii můžete vysledovat. Počítač je poháněn elektřinou, ale odkud se ta elektřina bere? Přesně tak, z elektrárny nebo vodní elektrárny. Pokud vezmeme v úvahu druhé, pak bude spojeno s přehradou, která zadržuje řeku. Řeka má spojení s kinetickou energií, což znamená, že řeka teče. Přehrada přeměňuje tuto kinetickou energii na potenciální energii.

Jak funguje vodní elektrárna? K otáčení turbíny se používá voda. Když se turbína otáčí, uvede se do pohybu generátor, který bude vyrábět elektřinu. Tato elektřina může být vedena výhradně v drátech z elektrárny do vašeho domova, takže když zapojíte napájecí kabel do elektrické zásuvky, elektřina se dostane do vašeho počítače, aby mohl fungovat.

Co se tady stalo? Již existovalo určité množství energie, která byla spojena s vodou v řece jako kinetická energie. Pak se to proměnilo v potenciální energii. Přehrada pak vzala tuto potenciální energii a přeměnila ji na elektřinu, která by pak mohla vstoupit do vašeho domova a napájet váš počítač.

Jednoduše řečeno druhý termodynamický zákon
Jednoduše řečeno druhý termodynamický zákon

Druhý zákon termodynamiky

Prostudováním tohoto zákona lze pochopit, jak energie funguje a proč se vše pohybuje směrem kmožný chaos a nepořádek. Druhý zákon termodynamiky se také nazývá zákon entropie. Napadlo vás někdy, jak vznikl vesmír? Podle Teorie velkého třesku, než se vše zrodilo, se shromáždilo obrovské množství energie. Vesmír se objevil po velkém třesku. To vše je dobré, ale jaká to byla energie? Na počátku času byla veškerá energie ve vesmíru obsažena na jednom relativně malém místě. Tato intenzivní koncentrace představovala obrovské množství toho, čemu se říká potenciální energie. Postupem času se rozšířila po obrovské rozloze našeho vesmíru.

V mnohem menším měřítku obsahuje nádrž vody, kterou přehrada drží, potenciální energii, protože její umístění jí umožňuje protékat přehradou. V každém případě se uložená energie, jakmile se uvolní, rozšíří a udělá to bez vynaložení jakéhokoli úsilí. Jinými slovy, uvolňování potenciální energie je samovolný proces, ke kterému dochází bez potřeby dalších zdrojů. Při distribuci energie se část přeměňuje na užitečnou energii a vykonává určitou práci. Zbytek se přemění na nepoužitelný, jednoduše nazvaný teplo.

Jak se vesmír neustále rozpíná, obsahuje stále méně využitelné energie. Pokud je k dispozici méně užitečného, lze udělat méně práce. Vzhledem k tomu, že voda protéká přehradou, obsahuje i méně užitečné energie. Tento pokles využitelné energie v čase se nazývá entropie, kde entropie jemnožství nevyužité energie v systému a systém je jen soubor objektů, které tvoří celek.

Entropie může být také označována jako množství náhodnosti nebo chaosu v organizaci bez organizace. Jak časem ubývá využitelné energie, narůstá dezorganizace a chaos. Jak se tedy nahromaděná potenciální energie uvolňuje, ne vše se přeměňuje na užitečnou energii. Všechny systémy zažívají tento nárůst entropie v průběhu času. To je velmi důležité pochopit a tento jev se nazývá druhý termodynamický zákon.

Výroky druhého zákona termodynamiky
Výroky druhého zákona termodynamiky

Entropie: náhoda nebo chyba

Jak jste možná uhodli, druhý zákon navazuje na první zákon, běžně označovaný jako zákon zachování energie, a říká, že energii nelze vytvořit a nelze ji zničit. Jinými slovy, množství energie ve vesmíru nebo jakémkoli systému je konstantní. Druhý termodynamický zákon se běžně nazývá zákon entropie a platí, že jak čas plyne, energie se stává méně užitečnou a její kvalita časem klesá. Entropie je míra náhodnosti nebo defektů, které má systém. Pokud je systém velmi neuspořádaný, pak má velkou entropii. Pokud je v systému mnoho chyb, pak je entropie nízká.

Zjednodušeně řečeno, druhý termodynamický zákon říká, že entropie systému se nemůže v průběhu času snižovat. To znamená, že v přírodě věci přecházejí ze stavu pořádku do stavu nepořádku. A je to nevratné. Systém nikdybude sám o sobě uspořádanější. Jinými slovy, v přírodě se entropie systému vždy zvyšuje. Jedním ze způsobů, jak o tom přemýšlet, je váš domov. Pokud to nikdy neuklízíte a nevysáváte, brzy budete mít hrozný nepořádek. Entropie se zvýšila! K jeho snížení je nutné spotřebovávat energii k použití vysavače a mopu na čištění povrchu od prachu. Dům se sám neuklidí.

Jaký je druhý termodynamický zákon? Formulace jednoduchými slovy říká, že když se energie mění z jedné formy do druhé, hmota se buď volně pohybuje, nebo se entropie (nepořádek) v uzavřeném systému zvyšuje. Rozdíly v teplotě, tlaku a hustotě mají tendenci se časem horizontálně vyrovnávat. Vlivem gravitace se hustota a tlak vertikálně nevyrovnají. Hustota a tlak dole budou větší než nahoře. Entropie je měřítkem šíření hmoty a energie, kamkoli má přístup. Nejběžnější formulace druhého termodynamického zákona je spojena především s Rudolfem Clausiem, který řekl:

Není možné sestrojit zařízení, které by neprodukovalo jiný efekt než přenos tepla z tělesa s nižší teplotou na těleso s vyšší teplotou.

Jinými slovy, vše se v průběhu času snaží udržet stejnou teplotu. Existuje mnoho formulací druhého termodynamického zákona, které používají různé termíny, ale všechny znamenají totéž. Další Clausiův výrok:

Samotné teplo nenípřechod z nachlazení do teplejšího těla.

Druhý zákon platí pouze pro velké systémy. Týká se pravděpodobného chování systému, ve kterém není žádná energie ani hmota. Čím větší systém, tím pravděpodobnější je druhý zákon.

Další znění zákona:

Celková entropie se vždy spontánně zvyšuje.

Nárůst entropie ΔS v průběhu procesu musí překročit nebo se rovnat poměru množství tepla Q přeneseného do systému k teplotě T, při které se teplo předává. Vzorec druhého termodynamického zákona:

Gpiol gmnms
Gpiol gmnms

Termodynamický systém

V obecném smyslu formulace druhého termodynamického zákona v jednoduchých termínech uvádí, že teplotní rozdíly mezi systémy, které jsou ve vzájemném kontaktu, mají tendenci se vyrovnávat a že z těchto nerovnovážných rozdílů lze získat práci. Ale v tomto případě dochází ke ztrátě tepelné energie a entropie se zvyšuje. Rozdíly v tlaku, hustotě a teplotě v izolovaném systému mají tendenci se vyrovnávat, pokud je k tomu příležitost; hustota a tlak, ale ne teplota, závisí na gravitaci. Tepelný motor je mechanické zařízení, které poskytuje užitečnou práci díky rozdílu teplot mezi dvěma tělesy.

Termodynamický systém je takový, který interaguje a vyměňuje si energii s oblastí kolem sebe. Výměna a převod musí proběhnout alespoň dvěma způsoby. Jedním ze způsobů by měl být přenos tepla. Pokudtermodynamický systém "je v rovnováze", nemůže změnit svůj stav nebo stav bez interakce s prostředím. Jednoduše řečeno, pokud jste v rovnováze, jste „šťastný systém“, nedá se nic dělat. Pokud chcete něco udělat, musíte komunikovat s vnějším světem.

Vzorec druhého termodynamického zákona
Vzorec druhého termodynamického zákona

Druhý zákon termodynamiky: nevratnost procesů

Je nemožné mít cyklický (opakující se) proces, který úplně přemění teplo na práci. Je také nemožné mít proces, který přenáší teplo ze studených předmětů na teplé předměty bez použití práce. Nějaká energie při reakci se vždy ztrácí na teplo. Systém také nemůže přeměnit veškerou svou energii na pracovní energii. Druhá část zákona je zjevnější.

Studené tělo nemůže zahřát teplé tělo. Teplo má přirozeně tendenci proudit z teplejších do chladnějších oblastí. Pokud teplo přechází z chladnějšího do teplejšího, je to v rozporu s tím, co je "přirozené", takže systém musí udělat nějakou práci, aby se to stalo. Nevratnost dějů v přírodě je druhým zákonem termodynamiky. Toto je možná nejznámější (alespoň mezi vědci) a nejdůležitější zákon celé vědy. Jedna z jeho formulací:

Entropie vesmíru má tendenci k maximu.

Jinými slovy, entropie buď zůstane stejná, nebo se zvětší, entropie vesmíru se nikdy nemůže snížit. Problém je, že vždyže jo. Pokud vezmete lahvičku parfému a nastříkáte ji do místnosti, pak vonné atomy brzy zaplní celý prostor a tento proces je nevratný.

Jednoduše řečeno druhý termodynamický zákon
Jednoduše řečeno druhý termodynamický zákon

Vztahy v termodynamice

Zákony termodynamiky popisují vztah mezi tepelnou energií nebo teplem a jinými formami energie a jak energie ovlivňuje hmotu. První zákon termodynamiky říká, že energii nelze vytvořit ani zničit; celkové množství energie ve vesmíru zůstává nezměněno. Druhý termodynamický zákon se týká kvality energie. Uvádí, že jak se energie přenáší nebo přeměňuje, ztrácí se stále více využitelné energie. Druhý zákon také říká, že u každého izolovaného systému existuje přirozená tendence stát se neuspořádanější.

I když se na určitém místě zvýší řád, když vezmete v úvahu celý systém včetně prostředí, vždy dojde ke zvýšení entropie. V dalším příkladu se mohou krystaly tvořit ze solného roztoku, když se odpařuje voda. Krystaly jsou uspořádanější než molekuly soli v roztoku; odpařená voda je však mnohem neuspořádanější než voda kapalná. Tento proces jako celek má za následek čistý nárůst nepořádku.

Formulace druhého termodynamického zákona je jednoduchá
Formulace druhého termodynamického zákona je jednoduchá

Práce a energie

Druhý zákon vysvětluje, že není možné přeměnit tepelnou energii na mechanickou se 100procentní účinností. Příklad lze uvést sautem. Po procesu zahřívání plynu, aby se zvýšil jeho tlak pro pohon pístu, v plynu vždy zbývá nějaké teplo, které nelze využít k provedení žádné další práce. Toto odpadní teplo se musí odvádět jeho předáním do radiátoru. V případě automobilového motoru se to děje odsáváním směsi vyhořelého paliva a vzduchu do atmosféry.

Každé zařízení s pohyblivými částmi navíc vytváří tření, které přeměňuje mechanickou energii na teplo, které je obvykle nevyužitelné a musí být ze systému odstraněno přenosem do radiátoru. Když jsou horké těleso a studené těleso ve vzájemném kontaktu, tepelná energie bude proudit z horkého tělesa do studeného tělesa, dokud nedosáhnou tepelné rovnováhy. Teplo se však nikdy nevrátí jinou cestou; teplotní rozdíl mezi dvěma tělesy se nikdy samovolně nezvětší. Přesun tepla ze studeného těla do horkého těla vyžaduje práci, kterou musí provést externí zdroj energie, jako je tepelné čerpadlo.

Nevratnost dějů v přírodě druhý termodynamický zákon
Nevratnost dějů v přírodě druhý termodynamický zákon

Osud vesmíru

Druhý zákon také předpovídá konec vesmíru. Toto je nejvyšší úroveň nepořádku, pokud je všude konstantní tepelná rovnováha, nelze dělat žádnou práci a veškerá energie skončí jako náhodný pohyb atomů a molekul. Podle moderních údajů je Metagalaxie rozpínající se nestacionární systém a o tepelné smrti Vesmíru nemůže být ani řeč. tepelná smrtje stav tepelné rovnováhy, při kterém se všechny procesy zastaví.

Tato pozice je chybná, protože druhý termodynamický zákon platí pouze pro uzavřené systémy. A vesmír, jak víte, je neomezený. Samotný termín „tepelná smrt Vesmíru“se však někdy používá k označení scénáře budoucího vývoje Vesmíru, podle kterého se bude nadále rozpínat do nekonečna do temnoty vesmíru, až se změní v rozptýlený studený prach.

Doporučuje: