Si gjenerohet energjia, si shndërrohet nga një formë në tjetrën dhe çfarë ndodh me energjinë në një sistem të mbyllur? Të gjitha këtyre pyetjeve mund t'u përgjigjet ligjet e termodinamikës. Ligji i dytë i termodinamikës do të diskutohet më në detaje sot.
Ligjet në jetën e përditshme
Ligjet rregullojnë jetën e përditshme. Ligjet rrugore thonë se duhet të ndaleni në tabelat e ndalimit. Qeveria kërkon që një pjesë të pagës t'i japin shtetit dhe qeverisë federale. Edhe ato shkencore janë të zbatueshme në jetën e përditshme. Për shembull, ligji i gravitetit parashikon një rezultat mjaft të dobët për ata që përpiqen të fluturojnë. Një grup tjetër ligjesh shkencore që ndikojnë në jetën e përditshme janë ligjet e termodinamikës. Pra, këtu janë disa shembuj për të parë se si ato ndikojnë në jetën e përditshme.
Ligji i Parë i Termodinamikës
Ligji i parë i termodinamikës thotë se energjia nuk mund të krijohet apo shkatërrohet, por mund të shndërrohet nga një formë në tjetrën. Ky është referuar ndonjëherë edhe si ligji i ruajtjes së energjisë. Pra si ështëvlen për jetën e përditshme? Epo, merrni, për shembull, kompjuterin që po përdorni tani. Ajo ushqehet me energji, por nga vjen kjo energji? Ligji i parë i termodinamikës na thotë se kjo energji nuk mund të vinte nga ajri, kështu që erdhi nga diku.
Ju mund ta gjurmoni këtë energji. Kompjuteri furnizohet me energji elektrike, por nga vjen energjia elektrike? Kjo është e drejtë, nga një termocentral apo hidrocentral. Nëse marrim parasysh të dytën, atëherë do të shoqërohet me një digë që mban lumin. Lumi ka një lidhje me energjinë kinetike, që do të thotë se lumi rrjedh. Diga e konverton këtë energji kinetike në energji potenciale.
Si funksionon një hidrocentral? Uji përdoret për të kthyer turbinën. Kur turbina rrotullohet, vihet në lëvizje një gjenerator, i cili do të krijojë energji elektrike. Kjo energji elektrike mund të qarkullojë tërësisht me tela nga termocentrali në shtëpinë tuaj, kështu që kur lidhni kordonin elektrik në një prizë elektrike, energjia elektrike hyn në kompjuterin tuaj që të mund të funksionojë.
Çfarë ndodhi këtu? Kishte tashmë një sasi të caktuar energjie që shoqërohej me ujin në lumë si energji kinetike. Pastaj u kthye në energji potenciale. Diga më pas e mori atë energji potenciale dhe e ktheu në energji elektrike, e cila më pas mund të hynte në shtëpinë tuaj dhe të furnizonte kompjuterin tuaj.
Ligji i dytë i termodinamikës
Duke studiuar këtë ligj, mund të kuptohet se si funksionon energjia dhe pse çdo gjë shkon drejtkaos dhe çrregullim të mundshëm. Ligji i dytë i termodinamikës quhet edhe ligji i entropisë. A keni menduar ndonjëherë se si u krijua universi? Sipas Teorisë së Big Bengut, përpara se gjithçka të lindte, një sasi e madhe energjie u mblodh së bashku. Universi u shfaq pas Big Bengut. E gjithë kjo është e mirë, por çfarë lloj energjie ishte? Në fillim të kohës, e gjithë energjia në univers përmbahej në një vend relativisht të vogël. Ky përqendrim intensiv përfaqësonte një sasi të madhe të asaj që quhet energji potenciale. Me kalimin e kohës, ajo u përhap në të gjithë hapësirën e madhe të universit tonë.
Në një shkallë shumë më të vogël, rezervuari i ujit që mbahet nga diga përmban energji potenciale, pasi vendndodhja e tij e lejon atë të rrjedhë përmes digës. Në secilin rast, energjia e ruajtur, pasi lirohet, përhapet dhe e bën këtë pa bërë asnjë përpjekje. Me fjalë të tjera, çlirimi i energjisë potenciale është një proces spontan që ndodh pa pasur nevojë për burime shtesë. Ndërsa shpërndahet energjia, një pjesë e saj shndërrohet në energji të dobishme dhe kryen disa punë. Pjesa tjetër shndërrohet në të papërdorshme, të quajtur thjesht nxehtësi.
Ndërsa universi vazhdon të zgjerohet, ai përmban gjithnjë e më pak energji të përdorshme. Nëse disponohet më pak e dobishme, mund të bëhet më pak punë. Meqenëse uji rrjedh nëpër digë, ai gjithashtu përmban më pak energji të dobishme. Kjo rënie e energjisë së përdorshme me kalimin e kohës quhet entropi, ku është entropiasasia e energjisë së papërdorur në sistem, dhe sistemi është vetëm një koleksion objektesh që përbëjnë tërësinë.
Entropia mund të referohet gjithashtu si sasia e rastësisë ose kaosit në një organizatë pa organizim. Ndërsa energjia e përdorshme zvogëlohet me kalimin e kohës, shtohet çorganizimi dhe kaosi. Kështu, ndërsa energjia potenciale e akumuluar çlirohet, jo e gjithë kjo shndërrohet në energji të dobishme. Të gjitha sistemet e përjetojnë këtë rritje të entropisë me kalimin e kohës. Kjo është shumë e rëndësishme për t'u kuptuar dhe ky fenomen quhet ligji i dytë i termodinamikës.
Entropia: shans ose defekt
Siç mund ta keni marrë me mend, ligji i dytë ndjek të parin, i njohur zakonisht si ligji i ruajtjes së energjisë, dhe thotë se energjia nuk mund të krijohet dhe nuk mund të shkatërrohet. Me fjalë të tjera, sasia e energjisë në univers ose në çdo sistem është konstante. Ligji i dytë i termodinamikës zakonisht quhet ligji i entropisë dhe thotë se me kalimin e kohës, energjia bëhet më pak e dobishme dhe cilësia e saj zvogëlohet me kalimin e kohës. Entropia është shkalla e rastësisë ose defekteve që ka një sistem. Nëse sistemi është shumë i çrregullt, atëherë ai ka një entropi të madhe. Nëse ka shumë gabime në sistem, atëherë entropia është e ulët.
Me fjalë të thjeshta, ligji i dytë i termodinamikës thotë se entropia e një sistemi nuk mund të ulet me kalimin e kohës. Kjo do të thotë se në natyrë gjërat kalojnë nga një gjendje e rregullt në një gjendje të çrregullt. Dhe është e pakthyeshme. Sistemi kurrëdo të bëhet më i rregullt më vete. Me fjalë të tjera, në natyrë, entropia e një sistemi gjithmonë rritet. Një mënyrë për të menduar për të është shtëpia juaj. Nëse nuk e pastroni dhe e pastroni kurrë, atëherë shumë shpejt do të keni një rrëmujë të tmerrshme. Entropia është rritur! Për ta zvogëluar atë, është e nevojshme të përdorni energji për të përdorur një fshesë me korrent dhe një leckë për të pastruar sipërfaqen nga pluhuri. Shtëpia nuk do të pastrohet vetë.
Cili është ligji i dytë i termodinamikës? Formulimi me fjalë të thjeshta thotë se kur energjia ndryshon nga një formë në tjetrën, lënda ose lëviz lirshëm, ose entropia (çrregullimi) në një sistem të mbyllur rritet. Ndryshimet në temperaturë, presion dhe densitet priren të zvogëlohen horizontalisht me kalimin e kohës. Për shkak të gravitetit, dendësia dhe presioni nuk barazohen vertikalisht. Dendësia dhe presioni në fund do të jenë më të mëdha se në pjesën e sipërme. Entropia është një masë e përhapjes së materies dhe energjisë kudo që ka akses. Formulimi më i zakonshëm i ligjit të dytë të termodinamikës lidhet kryesisht me Rudolf Clausius, i cili tha:
Është e pamundur të ndërtohet një pajisje që nuk prodhon një efekt tjetër përveç transferimit të nxehtësisë nga një trup me temperaturë më të ulët në një trup me temperaturë më të lartë.
Me fjalë të tjera, çdo gjë përpiqet të ruajë të njëjtën temperaturë me kalimin e kohës. Ka shumë formulime të ligjit të dytë të termodinamikës që përdorin terma të ndryshëm, por të gjithë nënkuptojnë të njëjtën gjë. Një deklaratë tjetër e Clausius:
Nxehtësia në vetvete nuk ështëduke kaluar nga një trup i ftohtë në një trup më të nxehtë.
Ligji i dytë vlen vetëm për sistemet e mëdha. Ka të bëjë me sjelljen e mundshme të një sistemi në të cilin nuk ka energji ose lëndë. Sa më i madh të jetë sistemi, aq më shumë gjasa është ligji i dytë.
Një tjetër formulim i ligjit:
Entropia totale gjithmonë rritet në një proces spontan.
Rritja e entropisë ΔS gjatë rrjedhës së procesit duhet të kalojë ose të jetë e barabartë me raportin e sasisë së nxehtësisë Q të transferuar në sistem me temperaturën T në të cilën transferohet nxehtësia. Formula e ligjit të dytë të termodinamikës:
Sistemi termodinamik
Në një kuptim të përgjithshëm, formulimi i ligjit të dytë të termodinamikës në terma të thjeshtë thotë se ndryshimet e temperaturës midis sistemeve në kontakt me njëri-tjetrin priren të barazohen dhe se puna mund të merret nga këto ndryshime jo ekuilibër. Por në këtë rast, ka një humbje të energjisë termike, dhe entropia rritet. Dallimet në presion, densitet dhe temperaturë në një sistem të izoluar priren të barazohen nëse u jepet mundësia; dendësia dhe presioni, por jo temperatura, varen nga graviteti. Një motor ngrohjeje është një pajisje mekanike që ofron punë të dobishme për shkak të ndryshimit të temperaturës midis dy trupave.
Një sistem termodinamik është ai që ndërvepron dhe shkëmben energji me zonën rreth tij. Shkëmbimi dhe transferimi duhet të ndodhë në të paktën dy mënyra. Një mënyrë duhet të jetë transferimi i nxehtësisë. Nese njesistemi termodinamik "është në ekuilibër", ai nuk mund të ndryshojë gjendjen ose statusin e tij pa ndërvepruar me mjedisin. E thënë thjesht, nëse je në ekuilibër, je një “sistem i lumtur”, nuk mund të bësh asgjë. Nëse dëshiron të bësh diçka, duhet të ndërveprosh me botën e jashtme.
Ligji i dytë i termodinamikës: pakthyeshmëria e proceseve
Është e pamundur të kesh një proces ciklik (përsëritës) që e shndërron plotësisht nxehtësinë në punë. Është gjithashtu e pamundur të kemi një proces që transferon nxehtësinë nga objektet e ftohta në objektet e ngrohta pa përdorur punë. Një pjesë e energjisë në një reaksion humbet gjithmonë nga nxehtësia. Gjithashtu, sistemi nuk mund ta shndërrojë të gjithë energjinë e tij në energji pune. Pjesa e dytë e ligjit është më e dukshme.
Një trup i ftohtë nuk mund të ngrohë një trup të ngrohtë. Nxehtësia në mënyrë natyrale ka tendencë të rrjedhë nga zonat më të ngrohta në ato më të ftohta. Nëse nxehtësia shkon nga më e ftohtë në më të ngrohtë, kjo është në kundërshtim me atë që është "natyrore", kështu që sistemi duhet të bëjë disa punë për ta bërë atë të ndodhë. Pakthyeshmëria e proceseve në natyrë është ligji i dytë i termodinamikës. Ky është ndoshta ligji më i famshëm (të paktën ndër shkencëtarët) dhe ligji më i rëndësishëm i të gjithë shkencës. Një nga formulimet e tij:
Entropia e Universit priret në maksimum.
Me fjalë të tjera, entropia ose qëndron e njëjtë ose bëhet më e madhe, entropia e Universit nuk mund të ulet kurrë. Problemi është se është gjithmonëdrejtë. Nëse merrni një shishe parfumi dhe e spërkatni në një dhomë, atëherë së shpejti atomet aromatike do të mbushin të gjithë hapësirën dhe ky proces është i pakthyeshëm.
Marrëdhëniet në termodinamikë
Ligjet e termodinamikës përshkruajnë marrëdhënien midis energjisë termike ose nxehtësisë dhe formave të tjera të energjisë, dhe se si energjia ndikon në materie. Ligji i parë i termodinamikës thotë se energjia nuk mund të krijohet ose të shkatërrohet; sasia totale e energjisë në univers mbetet e pandryshuar. Ligji i dytë i termodinamikës ka të bëjë me cilësinë e energjisë. Ai thotë se ndërsa energjia transferohet ose konvertohet, humbet gjithnjë e më shumë energji e përdorshme. Ligji i dytë gjithashtu thotë se ekziston një tendencë e natyrshme që çdo sistem i izoluar të bëhet më i çrregullt.
Edhe kur rendi rritet në një vend të caktuar, kur merr parasysh të gjithë sistemin, duke përfshirë mjedisin, ka gjithmonë një rritje të entropisë. Në një shembull tjetër, kristalet mund të formohen nga një zgjidhje kripe kur uji avullohet. Kristalet janë më të renditura se molekulat e kripës në tretësirë; megjithatë, uji i avulluar është shumë më i çrregullt se uji i lëngshëm. Procesi i marrë në tërësi rezulton në një rritje neto të çrregullimit.
Punë dhe energji
Ligji i dytë shpjegon se është e pamundur të shndërrohet energjia termike në energji mekanike me efikasitet 100 për qind. Mund të jepet një shembull meme makinë. Pas procesit të ngrohjes së gazit për të rritur presionin e tij për të drejtuar pistonin, gjithmonë mbetet pak nxehtësi në gaz që nuk mund të përdoret për të kryer ndonjë punë shtesë. Kjo nxehtësi e humbur duhet të hidhet duke e transferuar atë në një radiator. Në rastin e një motori makine, kjo bëhet duke nxjerrë karburantin e shpenzuar dhe përzierjen e ajrit në atmosferë.
Përveç kësaj, çdo pajisje me pjesë lëvizëse krijon fërkime që shndërron energjinë mekanike në nxehtësi, e cila zakonisht është e papërdorshme dhe duhet të hiqet nga sistemi duke e transferuar atë në një radiator. Kur një trup i nxehtë dhe një trup i ftohtë janë në kontakt me njëri-tjetrin, energjia termike do të rrjedhë nga trupi i nxehtë në trupin e ftohtë derisa të arrijnë ekuilibrin termik. Megjithatë, nxehtësia nuk do të kthehet kurrë në anën tjetër; diferenca e temperaturës ndërmjet dy trupave nuk do të rritet kurrë spontanisht. Lëvizja e nxehtësisë nga një trup i ftohtë në një trup të nxehtë kërkon që puna të kryhet nga një burim i jashtëm energjie, siç është një pompë nxehtësie.
Fati i Universit
Ligji i dytë parashikon gjithashtu fundin e universit. Ky është niveli përfundimtar i çrregullimit, nëse ka ekuilibër termik konstant kudo, nuk mund të bëhet asnjë punë dhe e gjithë energjia do të përfundojë si lëvizje e rastësishme e atomeve dhe molekulave. Sipas të dhënave moderne, Metagalaksi është një sistem jo-stacionar në zgjerim dhe nuk mund të flitet për vdekjen e Universit nga nxehtësia. vdekja nga nxehtësiaështë një gjendje e ekuilibrit termik në të cilin të gjitha proceset ndalojnë.
Ky pozicion është i gabuar, pasi ligji i dytë i termodinamikës vlen vetëm për sistemet e mbyllura. Dhe universi, siç e dini, është i pakufishëm. Megjithatë, vetë termi "vdekja nga nxehtësia e Universit" përdoret ndonjëherë për t'iu referuar një skenari për zhvillimin e ardhshëm të Universit, sipas të cilit ai do të vazhdojë të zgjerohet deri në pafundësi në errësirën e hapësirës derisa të kthehet në pluhur të ftohtë të shpërndarë..
