Otrā termodinamikas likuma pielietojums un formulēšana

Satura rādītājs:

Otrā termodinamikas likuma pielietojums un formulēšana
Otrā termodinamikas likuma pielietojums un formulēšana
Anonim

Kā tiek ģenerēta enerģija, kā tā tiek pārveidota no vienas formas citā un kas notiek ar enerģiju slēgtā sistēmā? Uz visiem šiem jautājumiem var atbildēt ar termodinamikas likumiem. Par otro termodinamikas likumu šodien tiks runāts sīkāk.

Likumi ikdienas dzīvē

Ikdienas dzīvi regulē likumi. Ceļu likumi nosaka, ka jums jāapstājas pie stop zīmēm. Valdība pieprasa daļu no viņu algas piešķirt valstij un federālajai valdībai. Pat zinātniskie ir piemērojami ikdienas dzīvē. Piemēram, gravitācijas likums paredz diezgan sliktu iznākumu tiem, kas mēģina lidot. Vēl viens zinātnisko likumu kopums, kas ietekmē ikdienas dzīvi, ir termodinamikas likumi. Tāpēc šeit ir daži piemēri, lai redzētu, kā tie ietekmē ikdienas dzīvi.

Pirmais termodinamikas likums

Pirmais termodinamikas likums nosaka, ka enerģiju nevar radīt vai iznīcināt, bet to var pārveidot no vienas formas citā. To dažreiz dēvē arī par enerģijas nezūdamības likumu. Nu kā irattiecas uz ikdienas dzīvi? Ņemiet, piemēram, datoru, kuru izmantojat tagad. Tas barojas ar enerģiju, bet no kurienes šī enerģija rodas? Pirmais termodinamikas likums mums saka, ka šī enerģija nevarēja nākt no gaisa, tāpēc tā nāca no kaut kurienes.

Jūs varat izsekot šai enerģijai. Datoru darbina elektrība, bet no kurienes elektrība? Tieši tā, no elektrostacijas vai hidroelektrostacijas. Ja ņemam vērā otro, tad tas būs saistīts ar dambi, kas aiztur upi. Upei ir saikne ar kinētisko enerģiju, kas nozīmē, ka upe plūst. Dambis šo kinētisko enerģiju pārvērš potenciālajā enerģijā.

Kā darbojas hidroelektrostacija? Ūdens tiek izmantots, lai pagrieztu turbīnu. Kad turbīna griežas, tiek iedarbināts ģenerators, kas radīs elektrību. Šo elektrību var pilnībā vadīt pa vadiem no elektrostacijas uz jūsu māju, lai, pievienojot strāvas vadu elektrības kontaktligzdai, elektrība nonāk jūsu datorā, lai tas varētu darboties.

Kas šeit notika? Jau bija zināms enerģijas daudzums, kas bija saistīts ar ūdeni upē kā kinētiskā enerģija. Tad tas pārvērtās potenciālā enerģijā. Pēc tam dambis paņēma šo potenciālo enerģiju un pārvērta to elektrībā, kas pēc tam varēja iekļūt jūsu mājās un nodrošināt datora barošanu.

Otrais termodinamikas likums vienkāršā izteiksmē
Otrais termodinamikas likums vienkāršā izteiksmē

Otrais termodinamikas likums

Izpētot šo likumu, var saprast, kā darbojas enerģija un kāpēc viss virzās uz toiespējams haoss un nekārtības. Otro termodinamikas likumu sauc arī par entropijas likumu. Vai esat kādreiz domājuši, kā radās Visums? Saskaņā ar Lielā sprādziena teoriju, pirms viss bija dzimis, milzīgs enerģijas daudzums savāca kopā. Visums parādījās pēc Lielā sprādziena. Tas viss ir labi, bet kāda tā bija enerģija? Laika sākumā visa enerģija Visumā bija ietverta vienā salīdzinoši mazā vietā. Šī intensīvā koncentrācija pārstāvēja milzīgu daudzumu tā sauktās potenciālās enerģijas. Laika gaitā tas izplatījās visā mūsu Visuma plašumos.

Daudz mazākā mērogā dambja turētā ūdens rezervuārs satur potenciālo enerģiju, jo tā atrašanās vieta ļauj tai plūst cauri aizsprostam. Katrā gadījumā uzkrātā enerģija pēc atbrīvošanās izplatās un dara to bez jebkādām pūlēm. Citiem vārdiem sakot, potenciālās enerģijas atbrīvošanās ir spontāns process, kas notiek bez papildu resursiem. Kad enerģija tiek sadalīta, daļa no tās tiek pārvērsta noderīgā enerģijā un veic noteiktu darbu. Pārējais tiek pārvērsts par nelietojamu, to vienkārši sauc par siltumu.

Visumam turpinot paplašināties, tajā ir arvien mazāk izmantojamas enerģijas. Ja ir pieejams mazāk noderīguma, var paveikt mazāk darba. Tā kā ūdens plūst cauri aizsprostam, tajā ir arī mazāk lietderīgās enerģijas. Šo izmantojamās enerģijas samazināšanos laika gaitā sauc par entropiju, kur entropija irneizmantotās enerģijas daudzums sistēmā, un sistēma ir tikai objektu kopums, kas veido veselumu.

Entropiju var saukt arī par nejaušības vai haosa daudzumu organizācijā bez organizācijas. Tā kā izmantojamā enerģija laika gaitā samazinās, palielinās dezorganizācija un haoss. Tādējādi, atbrīvojoties uzkrātajai potenciālajai enerģijai, tas viss netiek pārvērsts lietderīgā enerģijā. Visas sistēmas laika gaitā piedzīvo šo entropijas pieaugumu. Tas ir ļoti svarīgi saprast, un šo parādību sauc par otro termodinamikas likumu.

Termodinamikas otrā likuma apgalvojumi
Termodinamikas otrā likuma apgalvojumi

Entropija: iespēja vai defekts

Kā jau varēja uzminēt, otrais likums seko pirmajam, ko parasti dēvē par enerģijas nezūdamības likumu, un nosaka, ka enerģiju nevar radīt un to nevar iznīcināt. Citiem vārdiem sakot, enerģijas daudzums Visumā vai jebkurā sistēmā ir nemainīgs. Otro termodinamikas likumu parasti sauc par entropijas likumu, un tas apgalvo, ka laika gaitā enerģija kļūst mazāk noderīga un tās kvalitāte laika gaitā samazinās. Entropija ir sistēmas nejaušības vai defektu pakāpe. Ja sistēma ir ļoti nesakārtota, tad tai ir liela entropija. Ja sistēmā ir daudz kļūdu, tad entropija ir zema.

Vienkārši sakot, otrais termodinamikas likums nosaka, ka sistēmas entropija laika gaitā nevar samazināties. Tas nozīmē, ka dabā lietas pāriet no sakārtotības stāvokļa uz nekārtības stāvokli. Un tas ir neatgriezeniski. Sistēma nekadpati par sevi kļūs sakārtotāka. Citiem vārdiem sakot, dabā sistēmas entropija vienmēr palielinās. Viens veids, kā par to domāt, ir jūsu mājas. Ja jūs to nekad netīrīsit un neizsūciet, tad diezgan drīz jums būs briesmīgs haoss. Entropija ir palielinājusies! Lai to samazinātu, ir nepieciešams izmantot enerģiju, lai izmantotu putekļu sūcēju un mopu, lai notīrītu virsmu no putekļiem. Māja pati netiks sakopta.

Kas ir otrais termodinamikas likums? Formulējums vienkāršiem vārdiem saka, ka tad, kad enerģija mainās no vienas formas uz otru, matērija vai nu brīvi pārvietojas, vai arī palielinās entropija (traucējumi) slēgtā sistēmā. Temperatūras, spiediena un blīvuma atšķirības laika gaitā mēdz izlīdzināties horizontāli. Smaguma dēļ blīvums un spiediens vertikāli neizlīdzinās. Blīvums un spiediens apakšā būs lielāks nekā augšpusē. Entropija ir matērijas un enerģijas izplatības mērs visur, kur tai ir piekļuve. Visizplatītākā termodinamikas otrā likuma formulējums galvenokārt ir saistīts ar Rūdolfu Klausiusu, kurš teica:

Ir neiespējami izveidot ierīci, kas nerada citu efektu kā tikai siltuma pārnesi no ķermeņa ar zemāku temperatūru uz ķermeni ar augstāku temperatūru.

Citiem vārdiem sakot, viss laika gaitā cenšas uzturēt tādu pašu temperatūru. Ir daudz termodinamikas otrā likuma formulējumu, kas izmanto dažādus terminus, taču tie visi nozīmē vienu un to pašu. Vēl viens Klausiusa paziņojums:

Siltums pats par sevi navno auksta ķermeņa kļūst karstāks.

Otrais likums attiecas tikai uz lielām sistēmām. Tas attiecas uz tādas sistēmas iespējamo uzvedību, kurā nav enerģijas vai matērijas. Jo lielāka sistēma, jo lielāka iespēja, ka otrais likums.

Cita likuma redakcija:

Kopējā entropija vienmēr palielinās spontānā procesā.

Entropijas ΔS pieaugumam procesa gaitā ir jāpārsniedz vai jābūt vienādam ar sistēmu nodotā siltuma daudzuma Q attiecību pret temperatūru T, kurā siltums tiek pārnests. Otrā termodinamikas likuma formula:

Gpiol gmnms
Gpiol gmnms

Termodinamiskā sistēma

Vispārīgā nozīmē otrā termodinamikas likuma formulējums vienkāršā izteiksmē norāda, ka temperatūras atšķirības starp sistēmām, kas saskaras viena ar otru, mēdz izlīdzināties un ka darbu var iegūt no šīm nelīdzsvarotajām atšķirībām. Bet šajā gadījumā tiek zaudēta siltumenerģija, un entropija palielinās. Spiediena, blīvuma un temperatūras atšķirības izolētā sistēmā mēdz izlīdzināties, ja tiek dota iespēja; blīvums un spiediens, bet ne temperatūra, ir atkarīgi no gravitācijas. Siltumdzinējs ir mehāniska ierīce, kas nodrošina lietderīgu darbu divu korpusu temperatūras starpības dēļ.

Termodinamiskā sistēma ir tāda, kas mijiedarbojas un apmainās ar enerģiju ar apkārtējo zonu. Apmaiņai un pārsūtīšanai jānotiek vismaz divos veidos. Vienam no veidiem vajadzētu būt siltuma pārnesei. Jatermodinamiskā sistēma "atrodas līdzsvarā", tā nevar mainīt savu stāvokli vai statusu bez mijiedarbības ar vidi. Vienkārši sakot, ja esi līdzsvarā, tu esi "laimīgā sistēma", neko nevar darīt. Ja vēlaties kaut ko darīt, jums ir jāsazinās ar ārpasauli.

Termodinamikas otrā likuma formula
Termodinamikas otrā likuma formula

Otrais termodinamikas likums: procesu neatgriezeniskums

Nevar būt ciklisks (atkārtots) process, kas pilnībā pārvērš siltumu darbā. Tāpat nav iespējams izveidot procesu, kas pārnes siltumu no aukstiem objektiem uz siltiem objektiem, neizmantojot darbu. Reakcijā daļa enerģijas vienmēr tiek zaudēta siltuma ietekmē. Turklāt sistēma nevar pārvērst visu savu enerģiju darba enerģijā. Likuma otrā daļa ir acīmredzamāka.

Auksts ķermenis nevar sasildīt siltu ķermeni. Siltumam, protams, ir tendence plūst no siltākām vietām uz vēsākām vietām. Ja siltums kļūst no vēsāka uz siltāku, tas ir pretrunā ar to, kas ir "dabisks", tāpēc sistēmai ir jādara zināms darbs, lai tas notiktu. Procesu neatgriezeniskums dabā ir otrais termodinamikas likums. Tas, iespējams, ir slavenākais (vismaz zinātnieku vidū) un svarīgākais visas zinātnes likums. Viens no viņa formulējumiem:

Visuma entropijai ir tendence uz maksimumu.

Citiem vārdiem sakot, entropija vai nu paliek nemainīga, vai kļūst lielāka, Visuma entropija nekad nevar samazināties. Problēma ir tāda, ka tā ir vienmērpa labi. Ja paņemat smaržu pudeli un izsmidzināt to istabā, tad drīz vien smaržīgie atomi aizpildīs visu telpu, un šis process ir neatgriezenisks.

Otrais termodinamikas likums vienkāršā izteiksmē
Otrais termodinamikas likums vienkāršā izteiksmē

Attiecības termodinamikā

Terodinamikas likumi apraksta attiecības starp siltumenerģiju vai siltumu un citiem enerģijas veidiem un to, kā enerģija ietekmē vielu. Pirmais termodinamikas likums nosaka, ka enerģiju nevar radīt vai iznīcināt; kopējais enerģijas daudzums Visumā paliek nemainīgs. Otrais termodinamikas likums attiecas uz enerģijas kvalitāti. Tajā teikts, ka, pārejot vai pārveidojot enerģiju, tiek zaudēts arvien vairāk izmantojamās enerģijas. Otrais likums arī nosaka, ka jebkurai izolētai sistēmai ir dabiska tendence kļūt nesakārtotākai.

Pat tad, kad noteiktā vietā palielinās kārtība, ja ņem vērā visu sistēmu, ieskaitot vidi, vienmēr palielinās entropija. Citā piemērā, kad ūdens tiek iztvaicēts, no sāls šķīduma var veidoties kristāli. Kristāli ir sakārtotāki nekā sāls molekulas šķīdumā; tomēr iztvaicētais ūdens ir daudz nesakārtotāks nekā šķidrais ūdens. Process kopumā rada neto traucējumu pieaugumu.

Otrais termodinamikas formulēšanas likums ir vienkāršs
Otrais termodinamikas formulēšanas likums ir vienkāršs

Darbs un enerģija

Otrais likums izskaidro, ka siltumenerģiju nav iespējams pārvērst mehāniskajā enerģijā ar 100 procentu efektivitāti. Piemēru var sniegt arar mašīnu. Pēc gāzes sildīšanas procesa, lai palielinātu tās spiedienu virzuļa iedarbināšanai, gāzē vienmēr paliek nedaudz siltuma, ko nevar izmantot papildu darbu veikšanai. Šis siltuma pārpalikums ir jāizmet, pārnesot to uz radiatoru. Automobiļa dzinēja gadījumā to dara, izvadot atmosfērā lietoto degvielu un gaisa maisījumu.

Turklāt jebkura ierīce ar kustīgām daļām rada berzi, kas mehānisko enerģiju pārvērš siltumā, kas parasti nav lietojama un ir jāizņem no sistēmas, pārnesot uz radiatoru. Kad karsts ķermenis un auksts ķermenis saskaras viens ar otru, siltumenerģija plūst no karstā ķermeņa uz auksto ķermeni, līdz tie sasniegs termisko līdzsvaru. Tomēr siltums nekad neatgriezīsies pretējā virzienā; temperatūras starpība starp diviem ķermeņiem nekad spontāni nepalielināsies. Lai siltumu pārvietotu no auksta korpusa uz karstu, ir nepieciešams darbs, ko veic ārējs enerģijas avots, piemēram, siltumsūknis.

Dabā notiekošo procesu neatgriezeniskums otrais termodinamikas likums
Dabā notiekošo procesu neatgriezeniskums otrais termodinamikas likums

Visuma liktenis

Otrais likums arī paredz Visuma galu. Tas ir galējais nekārtības līmenis, ja visur ir pastāvīgs termiskais līdzsvars, darbu nevar veikt un visa enerģija beigsies kā nejauša atomu un molekulu kustība. Saskaņā ar mūsdienu datiem, metagalaktika ir izplešas nestacionāra sistēma, un par Visuma karstuma nāvi nevar būt ne runas. karstuma nāveir termiskā līdzsvara stāvoklis, kurā apstājas visi procesi.

Šī pozīcija ir kļūdaina, jo otrais termodinamikas likums attiecas tikai uz slēgtām sistēmām. Un Visums, kā jūs zināt, ir neierobežots. Tomēr pats termins "Visuma karstuma nāve" dažkārt tiek lietots, lai apzīmētu Visuma turpmākās attīstības scenāriju, saskaņā ar kuru tas turpinās izplesties līdz bezgalībai kosmosa tumsā, līdz pārvērtīsies izkaisītos aukstos putekļos..

Ieteicams: