Bagaimana tenaga dijana, bagaimana ia ditukar daripada satu bentuk kepada bentuk yang lain, dan apakah yang berlaku kepada tenaga dalam sistem tertutup? Semua soalan ini boleh dijawab oleh undang-undang termodinamik. Hukum kedua termodinamik akan dibincangkan dengan lebih terperinci hari ini.
Undang-undang dalam kehidupan seharian
Undang-undang mengawal kehidupan seharian. Undang-undang jalan raya mengatakan anda mesti berhenti di papan tanda berhenti. Kerajaan menuntut untuk memberikan sebahagian daripada gaji mereka kepada kerajaan negeri dan persekutuan. Malah yang saintifik boleh digunakan untuk kehidupan seharian. Sebagai contoh, undang-undang graviti meramalkan hasil yang agak buruk bagi mereka yang cuba terbang. Satu lagi set undang-undang saintifik yang mempengaruhi kehidupan seharian ialah undang-undang termodinamik. Jadi berikut ialah beberapa contoh untuk melihat cara ia mempengaruhi kehidupan seharian.
Hukum Termodinamik Pertama
Hukum pertama termodinamik menyatakan bahawa tenaga tidak boleh dicipta atau dimusnahkan, tetapi ia boleh diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Ini juga kadangkala dirujuk sebagai undang-undang pemuliharaan tenaga. Jadi macam manadigunakan dalam kehidupan seharian? Baik, ambil, sebagai contoh, komputer yang anda gunakan sekarang. Ia memakan tenaga, tetapi dari manakah tenaga ini datang? Undang-undang pertama termodinamik memberitahu kita bahawa tenaga ini tidak boleh datang dari udara, jadi ia datang dari suatu tempat.
Anda boleh mengesan tenaga ini. Komputer dikuasakan oleh elektrik, tetapi dari mana datangnya elektrik? Betul, dari loji kuasa atau loji kuasa hidroelektrik. Jika kita pertimbangkan yang kedua, maka ia akan dikaitkan dengan empangan yang menahan sungai. Sungai mempunyai hubungan dengan tenaga kinetik, yang bermaksud bahawa sungai itu mengalir. Empangan menukar tenaga kinetik ini kepada tenaga berpotensi.
Bagaimanakah loji kuasa hidroelektrik berfungsi? Air digunakan untuk memutar turbin. Apabila turbin berputar, penjana digerakkan, yang akan menghasilkan tenaga elektrik. Elektrik ini boleh dijalankan sepenuhnya dalam wayar dari loji kuasa ke rumah anda supaya apabila anda memasangkan kord kuasa ke salur keluar elektrik, elektrik memasuki komputer anda supaya ia boleh berfungsi.
Apa yang berlaku di sini? Sudah ada sejumlah tenaga yang dikaitkan dengan air di sungai sebagai tenaga kinetik. Kemudian ia bertukar menjadi tenaga berpotensi. Empangan kemudiannya mengambil tenaga berpotensi itu dan mengubahnya menjadi elektrik, yang kemudiannya boleh memasuki rumah anda dan menghidupkan komputer anda.
Hukum Termodinamik Kedua
Dengan mempelajari undang-undang ini, seseorang boleh memahami cara tenaga berfungsi dan mengapa segala-galanya bergerak ke arah itukemungkinan huru-hara dan kekacauan. Undang-undang kedua termodinamik juga dipanggil undang-undang entropi. Pernahkah anda terfikir bagaimana alam semesta tercipta? Menurut Teori Big Bang, sebelum segala-galanya dilahirkan, sejumlah besar tenaga berkumpul bersama. Alam Semesta muncul selepas Big Bang. Semua ini bagus, tetapi apakah jenis tenaga itu? Pada permulaan masa, semua tenaga di alam semesta terkandung dalam satu tempat yang agak kecil. Kepekatan sengit ini mewakili sejumlah besar apa yang dipanggil tenaga berpotensi. Lama kelamaan, ia merebak ke seluruh alam semesta kita yang luas.
Pada skala yang lebih kecil, takungan air yang dipegang oleh empangan mengandungi tenaga berpotensi, kerana lokasinya membolehkan ia mengalir melalui empangan. Dalam setiap kes, tenaga yang disimpan, setelah dilepaskan, merebak dan melakukannya tanpa sebarang usaha dibuat. Dalam erti kata lain, pembebasan tenaga berpotensi adalah proses spontan yang berlaku tanpa memerlukan sumber tambahan. Apabila tenaga diagihkan, sebahagian daripadanya ditukar menjadi tenaga berguna dan melakukan beberapa kerja. Selebihnya ditukar kepada tidak boleh digunakan, hanya dipanggil haba.
Apabila alam semesta terus berkembang, ia mengandungi semakin kurang tenaga yang boleh digunakan. Jika kurang berguna tersedia, kurang kerja boleh dilakukan. Oleh kerana air mengalir melalui empangan, ia juga mengandungi tenaga yang kurang berguna. Penurunan tenaga boleh guna ini dari semasa ke semasa dipanggil entropi, di mana entropi adalahjumlah tenaga yang tidak digunakan dalam sistem dan sistem hanyalah koleksi objek yang membentuk keseluruhannya.
Entropi juga boleh dirujuk sebagai jumlah rawak atau huru-hara dalam organisasi tanpa organisasi. Apabila tenaga boleh digunakan berkurangan dari semasa ke semasa, kekacauan dan kekacauan meningkat. Oleh itu, apabila tenaga potensi terkumpul dibebaskan, tidak semua ini ditukar kepada tenaga berguna. Semua sistem mengalami peningkatan entropi ini dari semasa ke semasa. Ini sangat penting untuk difahami dan fenomena ini dipanggil hukum kedua termodinamik.
Entropi: peluang atau kecacatan
Seperti yang anda duga, undang-undang kedua mengikuti undang-undang pertama, biasanya dirujuk sebagai undang-undang pemuliharaan tenaga, dan menyatakan bahawa tenaga tidak boleh dicipta dan tidak boleh dimusnahkan. Dengan kata lain, jumlah tenaga di alam semesta atau mana-mana sistem adalah malar. Undang-undang kedua termodinamik biasanya dirujuk sebagai undang-undang entropi, dan ia berpendapat bahawa apabila masa berlalu, tenaga menjadi kurang berguna dan kualitinya berkurangan dari semasa ke semasa. Entropi ialah tahap rawak atau kecacatan yang ada pada sistem. Jika sistem sangat tidak teratur, maka ia mempunyai entropi yang besar. Jika terdapat banyak kerosakan dalam sistem, maka entropi adalah rendah.
Secara ringkas, hukum kedua termodinamik menyatakan bahawa entropi sesuatu sistem tidak boleh berkurangan dari semasa ke semasa. Ini bermakna bahawa secara semula jadi perkara berubah daripada keadaan teratur kepada keadaan tidak teratur. Dan ia tidak dapat dipulihkan. Sistem tidak pernahakan menjadi lebih teratur dengan sendirinya. Dalam erti kata lain, secara semula jadi, entropi sistem sentiasa meningkat. Satu cara untuk memikirkannya ialah rumah anda. Jika anda tidak pernah membersihkan dan mengosongkannya, maka tidak lama lagi anda akan mengalami kekacauan yang teruk. Entropi telah meningkat! Untuk mengurangkannya, perlu menggunakan tenaga untuk menggunakan pembersih vakum dan mop untuk membersihkan permukaan habuk. Rumah itu tidak akan membersihkan sendiri.
Apakah hukum kedua termodinamik? Rumusan dalam perkataan mudah mengatakan bahawa apabila tenaga berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, jirim sama ada bergerak bebas, atau entropi (gangguan) dalam sistem tertutup meningkat. Perbezaan suhu, tekanan dan ketumpatan cenderung mendatar dari semasa ke semasa. Disebabkan oleh graviti, ketumpatan dan tekanan tidak sama secara menegak. Ketumpatan dan tekanan di bahagian bawah akan lebih besar daripada di bahagian atas. Entropi ialah ukuran penyebaran bahan dan tenaga di mana sahaja ia mempunyai akses. Rumusan yang paling biasa bagi hukum kedua termodinamik terutamanya dikaitkan dengan Rudolf Clausius, yang berkata:
Adalah mustahil untuk membina peranti yang tidak menghasilkan kesan lain daripada pemindahan haba daripada badan dengan suhu yang lebih rendah kepada badan dengan suhu yang lebih tinggi.
Dengan kata lain, semuanya cuba mengekalkan suhu yang sama dari semasa ke semasa. Terdapat banyak rumusan hukum kedua termodinamik yang menggunakan istilah yang berbeza, tetapi semuanya bermaksud perkara yang sama. Satu lagi pernyataan Clausius:
Haba itu sendiri tidakdaripada sejuk kepada badan yang lebih panas.
Undang-undang kedua hanya terpakai untuk sistem yang besar. Ia melibatkan kemungkinan tingkah laku sistem yang tidak mempunyai tenaga atau jirim. Semakin besar sistem, semakin besar kemungkinan hukum kedua.
Perkataan lain undang-undang:
Jumlah entropi sentiasa meningkat dalam proses spontan.
Peningkatan entropi ΔS semasa proses itu mesti melebihi atau sama dengan nisbah jumlah haba Q yang dipindahkan ke sistem kepada suhu T di mana haba dipindahkan. Formula hukum kedua termodinamik:
Sistem termodinamik
Dalam pengertian umum, rumusan hukum kedua termodinamik secara ringkas menyatakan bahawa perbezaan suhu antara sistem yang bersentuhan antara satu sama lain cenderung untuk menyamai dan kerja boleh diperoleh daripada perbezaan bukan keseimbangan ini. Tetapi dalam kes ini, terdapat kehilangan tenaga haba, dan entropi meningkat. Perbezaan dalam tekanan, ketumpatan dan suhu dalam sistem terpencil cenderung untuk menyamai jika diberi peluang; ketumpatan dan tekanan, tetapi bukan suhu, bergantung kepada graviti. Enjin haba ialah peranti mekanikal yang menyediakan kerja yang berguna disebabkan oleh perbezaan suhu antara dua jasad.
Sistem termodinamik ialah sistem yang berinteraksi dan menukar tenaga dengan kawasan di sekelilingnya. Pertukaran dan pemindahan mesti berlaku dalam sekurang-kurangnya dua cara. Satu cara hendaklah pemindahan haba. Sekiranyasistem termodinamik "berada dalam keseimbangan", ia tidak boleh mengubah keadaan atau statusnya tanpa berinteraksi dengan persekitaran. Ringkasnya, jika anda berada dalam keseimbangan, anda adalah "sistem gembira", tiada apa yang boleh anda lakukan. Jika anda ingin melakukan sesuatu, anda mesti berinteraksi dengan dunia luar.
Hukum kedua termodinamik: ketakterbalikan proses
Adalah mustahil untuk mempunyai proses kitaran (berulang) yang menukar haba sepenuhnya kepada kerja. Ia juga mustahil untuk mempunyai proses yang memindahkan haba dari objek sejuk ke objek hangat tanpa menggunakan kerja. Sesetengah tenaga dalam tindak balas sentiasa hilang kepada haba. Selain itu, sistem tidak boleh menukar semua tenaganya kepada tenaga kerja. Bahagian kedua undang-undang lebih jelas.
Badan yang sejuk tidak boleh memanaskan badan yang hangat. Haba secara semula jadi cenderung mengalir dari kawasan yang lebih panas ke kawasan yang lebih sejuk. Jika haba berubah dari lebih sejuk kepada lebih panas ia bertentangan dengan apa yang "semula jadi" jadi sistem perlu melakukan beberapa kerja untuk merealisasikannya. Ketakterbalikan proses dalam alam semula jadi adalah undang-undang kedua termodinamik. Ini mungkin yang paling terkenal (sekurang-kurangnya di kalangan saintis) dan undang-undang penting bagi semua sains. Salah satu rumusannya:
Entropi Alam Semesta cenderung kepada maksimum.
Dengan kata lain, entropi sama ada kekal sama atau semakin besar, entropi Alam Semesta tidak boleh berkurangan. Masalahnya ialah ia sentiasabetul. Jika anda mengambil sebotol minyak wangi dan menyemburnya di dalam bilik, maka tidak lama lagi atom wangi akan memenuhi seluruh ruang, dan proses ini tidak dapat dipulihkan.
Hubungan dalam termodinamik
Hukum termodinamik menerangkan hubungan antara tenaga haba atau haba dan bentuk tenaga lain, dan cara tenaga mempengaruhi jirim. Undang-undang pertama termodinamik menyatakan bahawa tenaga tidak boleh dicipta atau dimusnahkan; jumlah tenaga di alam semesta kekal tidak berubah. Hukum kedua termodinamik ialah mengenai kualiti tenaga. Ia menyatakan bahawa apabila tenaga dipindahkan atau ditukar, semakin banyak tenaga yang boleh digunakan hilang. Undang-undang kedua juga menyatakan bahawa terdapat kecenderungan semula jadi untuk mana-mana sistem terpencil menjadi lebih tidak teratur.
Walaupun apabila pesanan meningkat di tempat tertentu, apabila anda mengambil kira keseluruhan sistem, termasuk persekitaran, sentiasa ada peningkatan dalam entropi. Dalam contoh lain, kristal mungkin terbentuk daripada larutan garam apabila air tersejat. Kristal lebih teratur daripada molekul garam dalam larutan; walau bagaimanapun, air sejat adalah lebih tidak teratur daripada air cecair. Proses yang diambil secara keseluruhan menghasilkan peningkatan bersih dalam gangguan.
Kerja dan tenaga
Undang-undang kedua menjelaskan bahawa adalah mustahil untuk menukar tenaga haba kepada tenaga mekanikal dengan kecekapan 100 peratus. Satu contoh boleh diberikan dengandengan kereta. Selepas proses memanaskan gas untuk meningkatkan tekanannya untuk memacu omboh, sentiasa ada beberapa haba yang tertinggal dalam gas yang tidak boleh digunakan untuk melakukan sebarang kerja tambahan. Haba buangan ini mesti dibuang dengan memindahkannya ke radiator. Dalam kes enjin kereta, ini dilakukan dengan mengekstrak campuran bahan api dan udara terpakai ke atmosfera.
Selain itu, sebarang peranti dengan bahagian yang bergerak menghasilkan geseran yang menukar tenaga mekanikal kepada haba, yang biasanya tidak boleh digunakan dan mesti dialih keluar daripada sistem dengan memindahkannya ke radiator. Apabila jasad panas dan jasad sejuk bersentuhan antara satu sama lain, tenaga haba akan mengalir dari jasad panas ke jasad sejuk sehingga mencapai keseimbangan terma. Walau bagaimanapun, haba tidak akan kembali ke arah lain; perbezaan suhu antara dua jasad tidak akan meningkat secara spontan. Memindahkan haba dari badan sejuk ke badan panas memerlukan kerja yang perlu dilakukan oleh sumber tenaga luaran seperti pam haba.
Nasib Alam Semesta
Hukum kedua juga meramalkan akhir alam semesta. Ini adalah tahap kecelaruan muktamad, jika terdapat keseimbangan terma yang berterusan di mana-mana, tiada kerja boleh dilakukan dan semua tenaga akan berakhir sebagai pergerakan rawak atom dan molekul. Menurut data moden, Metagalaxy ialah sistem tidak pegun yang berkembang, dan tidak boleh diperkatakan tentang kematian haba Alam Semesta. kematian panasialah keadaan keseimbangan terma di mana semua proses berhenti.
Kedudukan ini adalah salah, kerana hukum kedua termodinamik hanya terpakai kepada sistem tertutup. Dan alam semesta, seperti yang anda tahu, tidak terbatas. Walau bagaimanapun, istilah "kematian haba Alam Semesta" kadang-kadang digunakan untuk merujuk kepada senario untuk pembangunan masa depan Alam Semesta, yang mengikutnya ia akan terus berkembang ke infiniti ke dalam kegelapan angkasa sehingga ia bertukar menjadi debu sejuk yang bertaburan.
