انرژی چگونه تولید می شود، چگونه از شکلی به شکل دیگر تبدیل می شود و برای انرژی در یک سیستم بسته چه اتفاقی می افتد؟ همه این سوالات را می توان با قوانین ترمودینامیک پاسخ داد. قانون دوم ترمودینامیک امروز با جزئیات بیشتری مورد بحث قرار خواهد گرفت.
قوانین در زندگی روزمره
قوانین بر زندگی روزمره حاکم است. قوانین جاده ای می گوید باید در تابلوهای ایست توقف کنید. دولت می خواهد بخشی از حقوق خود را به ایالت و دولت فدرال بدهد. حتی موارد علمی نیز در زندگی روزمره قابل اجرا هستند. به عنوان مثال، قانون گرانش نتیجه نسبتاً ضعیفی را برای کسانی که سعی در پرواز دارند پیش بینی می کند. مجموعه دیگری از قوانین علمی که بر زندگی روزمره تأثیر می گذارد، قوانین ترمودینامیک است. بنابراین در اینجا چند نمونه آورده شده است تا ببینید چگونه آنها بر زندگی روزمره تأثیر می گذارند.
قانون اول ترمودینامیک
قانون اول ترمودینامیک بیان می کند که انرژی را نمی توان ایجاد یا از بین برد، اما می تواند از شکلی به شکل دیگر تبدیل شود. گاهی اوقات از این قانون به عنوان قانون بقای انرژی نیز یاد می شود. خوب … چطورهدر زندگی روزمره صدق می کند؟ خوب، به عنوان مثال، رایانه ای را که اکنون از آن استفاده می کنید، در نظر بگیرید. از انرژی تغذیه می کند، اما این انرژی از کجا می آید؟ قانون اول ترمودینامیک به ما می گوید که این انرژی نمی تواند از هوا بیاید، بنابراین از جایی آمده است.
می توانید این انرژی را ردیابی کنید. کامپیوتر با برق کار می کند، اما برق از کجا می آید؟ درست است، از یک نیروگاه یا نیروگاه برق آبی. اگر دومی را در نظر بگیریم، آنگاه با سدی همراه خواهد بود که رودخانه را مهار می کند. رودخانه با انرژی جنبشی ارتباط دارد، یعنی رودخانه جاری است. سد این انرژی جنبشی را به انرژی پتانسیل تبدیل می کند.
نیروگاه برق آبی چگونه کار می کند؟ برای چرخاندن توربین از آب استفاده می شود. هنگامی که توربین می چرخد، یک ژنراتور به حرکت در می آید که برق تولید می کند. این برق را می توان به طور کامل از طریق سیم از نیروگاه به خانه شما منتقل کرد تا وقتی سیم برق را به پریز برق وصل می کنید، برق وارد رایانه شما شود تا بتواند کار کند.
اینجا چه اتفاقی افتاد؟ قبلاً مقدار معینی از انرژی وجود داشت که با آب رودخانه به عنوان انرژی جنبشی مرتبط بود. سپس به انرژی بالقوه تبدیل شد. سپس سد آن انرژی بالقوه را گرفت و به برق تبدیل کرد که می‌تواند وارد خانه شما شود و کامپیوتر شما را تامین کند.
قانون دوم ترمودینامیک
با مطالعه این قانون می توان فهمید که انرژی چگونه کار می کند و چرا همه چیز به سمت حرکت می رودهرج و مرج و بی نظمی احتمالی قانون دوم ترمودینامیک قانون آنتروپی نیز نامیده می شود. آیا تا به حال به این فکر کرده اید که جهان چگونه به وجود آمده است؟ طبق نظریه بیگ بنگ، قبل از اینکه همه چیز متولد شود، انرژی عظیمی در کنار هم جمع شد. کیهان پس از انفجار بزرگ ظاهر شد. همه اینها خوب است، اما چه نوع انرژی بود؟ در آغاز زمان، تمام انرژی موجود در جهان در یک مکان نسبتا کوچک قرار داشت. این غلظت شدید نشان دهنده مقدار زیادی از آنچه انرژی پتانسیل نامیده می شود. با گذشت زمان، در سراسر وسعت جهان ما پخش شد.
در مقیاس بسیار کوچکتر، مخزن آبی که توسط سد نگهداری می شود حاوی انرژی بالقوه است، زیرا موقعیت آن به آن اجازه می دهد تا از طریق سد عبور کند. در هر مورد، انرژی ذخیره شده، پس از آزاد شدن، پخش می شود و بدون هیچ تلاشی این کار را انجام می دهد. به عبارت دیگر، آزادسازی انرژی پتانسیل فرآیندی خود به خودی است که بدون نیاز به منابع اضافی رخ می دهد. با توزیع انرژی، مقداری از آن به انرژی مفید تبدیل می شود و مقداری کار انجام می دهد. بقیه به غیر قابل استفاده تبدیل می شود که به سادگی گرما نامیده می شود.
همانطور که جهان به انبساط ادامه می دهد، انرژی قابل استفاده کمتر و کمتری دارد. اگر مفید کمتر در دسترس باشد، کار کمتری می توان انجام داد. از آنجایی که آب از سد عبور می کند، انرژی مفید کمتری نیز دارد. این کاهش انرژی قابل استفاده در طول زمان آنتروپی نامیده می شود که در آن آنتروپی وجود داردمقدار انرژی استفاده نشده در سیستم، و سیستم فقط مجموعه ای از اشیاء است که کل را تشکیل می دهند.
آنتروپی همچنین می تواند به عنوان میزان تصادفی یا هرج و مرج در یک سازمان بدون سازمان نامیده شود. با کاهش انرژی قابل استفاده در طول زمان، بی نظمی و هرج و مرج افزایش می یابد. بنابراین، با آزاد شدن انرژی پتانسیل انباشته شده، همه اینها به انرژی مفید تبدیل نمی شوند. همه سیستم ها با گذشت زمان این افزایش آنتروپی را تجربه می کنند. درک این موضوع بسیار مهم است و این پدیده را قانون دوم ترمودینامیک می نامند.
آنتروپی: شانس یا نقص
همانطور که حدس زده اید، قانون دوم از قانون اول پیروی می کند که معمولاً به عنوان قانون بقای انرژی از آن یاد می شود، و بیان می کند که انرژی ایجاد نمی شود و نمی توان آن را از بین برد. به عبارت دیگر، مقدار انرژی در جهان یا هر سیستمی ثابت است. قانون دوم ترمودینامیک معمولاً به عنوان قانون آنتروپی شناخته می شود و معتقد است که با گذشت زمان انرژی کمتر مفید می شود و کیفیت آن در طول زمان کاهش می یابد. آنتروپی درجه تصادفی یا نقصی است که یک سیستم دارد. اگر سیستم بسیار بی نظم باشد، آنتروپی زیادی دارد. اگر خطاهای زیادی در سیستم وجود داشته باشد، آنتروپی کم است.
به زبان ساده، قانون دوم ترمودینامیک بیان می کند که آنتروپی یک سیستم نمی تواند در طول زمان کاهش یابد. به این معنی که در طبیعت چیزها از حالت نظم به حالت بی نظمی می روند. و برگشت ناپذیر است. سیستم هرگزبه خودی خود منظم تر می شود. به عبارت دیگر، در طبیعت، آنتروپی یک سیستم همیشه افزایش می یابد. یکی از راه های فکر کردن به آن خانه شماست. اگر هرگز آن را تمیز و جاروبرقی نکشید، به زودی یک آشفتگی وحشتناک خواهید داشت. آنتروپی افزایش یافته است! برای کاهش آن باید از انرژی استفاده کرد تا از جاروبرقی و دستشویی برای تمیز کردن سطح گرد و غبار استفاده شود. خانه به خودی خود تمیز نمی شود.
قانون دوم ترمودینامیک چیست؟ این فرمول به زبان ساده می گوید که وقتی انرژی از شکلی به شکل دیگر تغییر می کند، ماده یا آزادانه حرکت می کند یا آنتروپی (بی نظمی) در یک سیستم بسته افزایش می یابد. تفاوت در دما، فشار و چگالی به مرور زمان به صورت افقی کاهش می یابد. به دلیل گرانش، چگالی و فشار به صورت عمودی برابر نمی شود. چگالی و فشار در پایین بیشتر از بالا خواهد بود. آنتروپی معیاری است برای اندازه گیری گسترش ماده و انرژی در هر کجا که دسترسی داشته باشد. رایج ترین فرمول قانون دوم ترمودینامیک عمدتاً با رودولف کلازیوس مرتبط است که گفت:
ساختن وسیله ای که اثر دیگری جز انتقال گرما از جسمی با دمای کمتر به جسمی با دمای بالاتر نداشته باشد غیرممکن است.
به عبارت دیگر، همه چیز سعی می کند در طول زمان دمای یکسانی را حفظ کند. فرمول‌بندی‌های زیادی از قانون دوم ترمودینامیک وجود دارد که از اصطلاحات مختلفی استفاده می‌کنند، اما همه آنها به یک معنا هستند. جمله دیگر کلازیوس:
گرما به خودی خود اینطور نیسترفتن از بدن سرد به گرمتر.
قانون دوم فقط برای سیستم های بزرگ اعمال می شود. این به رفتار احتمالی سیستمی مربوط می شود که در آن انرژی یا ماده ای وجود ندارد. هر چه سیستم بزرگتر باشد، احتمال قانون دوم بیشتر است.
یک جمله دیگر از قانون:
آنتروپی کل همیشه در یک فرآیند خود به خود افزایش می یابد.
افزایش آنتروپی ΔS در طول فرآیند باید از نسبت مقدار گرمای Q منتقل شده به سیستم به دمای T که در آن گرما منتقل می شود تجاوز کند یا برابر باشد. فرمول قانون دوم ترمودینامیک:
سیستم ترمودینامیکی
در یک مفهوم کلی، فرمول بندی قانون دوم ترمودینامیک به زبان ساده بیان می کند که تفاوت های دما بین سیستم های در تماس با یکدیگر تمایل به یکسان شدن دارند و از این تفاوت های غیرتعادلی می توان کار را به دست آورد. اما در این حالت انرژی حرارتی از دست می رود و آنتروپی افزایش می یابد. تفاوت در فشار، چگالی و دما در یک سیستم ایزوله اگر فرصت داده شود، یکسان می شود. چگالی و فشار، اما نه دما، به گرانش بستگی دارد. موتور حرارتی وسیله ای مکانیکی است که به دلیل تفاوت دما بین دو بدنه کار مفیدی را ارائه می دهد.
سیستم ترمودینامیکی سیستمی است که با ناحیه اطراف خود تعامل و تبادل انرژی می کند. مبادله و انتقال باید حداقل به دو صورت انجام شود. یک راه باید انتقال حرارت باشد. اگر یکسیستم ترمودینامیکی "در تعادل است"، نمی تواند حالت یا وضعیت خود را بدون تعامل با محیط تغییر دهد. به عبارت ساده، اگر در تعادل هستید، شما یک "سیستم شاد" هستید، هیچ کاری نمی توانید انجام دهید. اگر می‌خواهید کاری انجام دهید، باید با دنیای بیرون تعامل داشته باشید.
قانون دوم ترمودینامیک: برگشت ناپذیری فرآیندها
غیرممکن است که یک فرآیند چرخه ای (تکرار) داشته باشیم که گرما را کاملاً به کار تبدیل کند. همچنین غیرممکن است که فرآیندی وجود داشته باشد که بدون استفاده از کار، گرما را از اجسام سرد به اجسام گرم منتقل کند. مقداری انرژی در یک واکنش همیشه در اثر گرما از دست می رود. همچنین سیستم نمی تواند تمام انرژی خود را به انرژی کاری تبدیل کند. بخش دوم قانون واضح تر است.
جسم سرد نمی تواند بدن گرم را گرم کند. گرما به طور طبیعی از مناطق گرمتر به مناطق سردتر جریان دارد. اگر گرما از خنک‌تر به گرمتر برسد، برخلاف آنچه "طبیعی است" است، بنابراین سیستم باید کارهایی را برای تحقق آن انجام دهد. برگشت ناپذیری فرآیندها در طبیعت قانون دوم ترمودینامیک است. این شاید معروف ترین (حداقل در بین دانشمندان) و مهم ترین قانون همه علوم باشد. یکی از فرمول های او:
آنتروپی کیهان به حداکثر میل می کند.
به عبارت دیگر، آنتروپی یا ثابت می ماند یا بزرگتر می شود، آنتروپی جهان هرگز نمی تواند کاهش یابد. مشکل این است که همیشه همینطور استدرست. اگر یک بطری عطر بردارید و آن را در اتاق اسپری کنید، به زودی اتم های معطر کل فضا را پر می کنند و این روند غیرقابل برگشت است.
روابط در ترمودینامیک
قوانین ترمودینامیک رابطه بین انرژی حرارتی یا گرما و سایر اشکال انرژی و چگونگی تأثیر انرژی بر ماده را توصیف می کند. قانون اول ترمودینامیک بیان می کند که انرژی را نمی توان ایجاد کرد یا از بین برد. مقدار کل انرژی در جهان بدون تغییر باقی می ماند. قانون دوم ترمودینامیک در مورد کیفیت انرژی است. بیان می کند که با انتقال یا تبدیل انرژی، انرژی قابل استفاده بیشتر و بیشتری از دست می رود. قانون دوم همچنین بیان می کند که یک تمایل طبیعی برای هر سیستم منزوی به بی نظمی بیشتر وجود دارد.
حتی زمانی که نظم در یک مکان خاص افزایش می یابد، وقتی کل سیستم از جمله محیط را در نظر می گیرید، همیشه آنتروپی افزایش می یابد. در مثالی دیگر، هنگامی که آب تبخیر می شود، کریستال ها ممکن است از محلول نمک تشکیل شوند. کریستال ها نسبت به مولکول های نمک در محلول نظم بیشتری دارند. با این حال، آب تبخیر شده بسیار نامنظم تر از آب مایع است. روند در نظر گرفته شده به طور کلی منجر به افزایش خالص بی نظمی می شود.
کار و انرژی
قانون دوم توضیح می دهد که تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی با بازده 100 درصد غیرممکن است. می توان مثالی با آن زدبا ماشین. پس از فرآیند گرم کردن گاز برای افزایش فشار آن برای به حرکت درآوردن پیستون، همیشه مقداری گرما در گاز باقی می ماند که نمی توان از آن برای انجام کار اضافی استفاده کرد. این گرمای اتلاف باید با انتقال آن به رادیاتور دور ریخته شود. در مورد موتور خودرو، این کار با استخراج مخلوط سوخت و هوا در جو انجام می‌شود.
علاوه بر این، هر وسیله ای با قطعات متحرک اصطکاک ایجاد می کند که انرژی مکانیکی را به گرما تبدیل می کند که معمولاً غیرقابل استفاده است و باید با انتقال آن به رادیاتور از سیستم حذف شود. هنگامی که یک جسم گرم و یک جسم سرد با یکدیگر در تماس باشند، انرژی حرارتی از جسم گرم به جسم سرد جریان می یابد تا زمانی که به تعادل گرمایی برسند. با این حال، گرما هرگز به سمت دیگری باز نخواهد گشت. اختلاف دما بین دو جسم هرگز به طور خود به خود افزایش نمی یابد. انتقال گرما از یک جسم سرد به یک جسم گرم نیازمند انجام کار توسط یک منبع انرژی خارجی مانند یک پمپ حرارتی است.
سرنوشت کیهان
قانون دوم نیز پایان جهان را پیش بینی می کند. این سطح نهایی بی نظمی است، اگر تعادل حرارتی ثابت در همه جا وجود داشته باشد، هیچ کاری نمی توان انجام داد و تمام انرژی به حرکت تصادفی اتم ها و مولکول ها ختم می شود. بر اساس داده های امروزی، متاکهکشان یک سیستم غیر ساکن در حال گسترش است و نمی توان از مرگ گرمایی کیهان صحبت کرد. مرگ گرماحالتی از تعادل حرارتی است که در آن تمام فرآیندها متوقف می شوند.
این موضع اشتباه است، زیرا قانون دوم ترمودینامیک فقط برای سیستم های بسته اعمال می شود. و جهان، همانطور که می دانید، نامحدود است. با این حال، خود اصطلاح "مرگ گرمایی کیهان" گاهی اوقات برای اشاره به سناریویی برای توسعه آینده کیهان استفاده می شود که بر اساس آن تا بی نهایت در تاریکی فضا گسترش می یابد تا زمانی که به غبار سرد پراکنده تبدیل شود..
