Paano nabubuo ang enerhiya, paano ito binago mula sa isang anyo patungo sa isa pa, at ano ang nangyayari sa enerhiya sa isang saradong sistema? Ang lahat ng mga tanong na ito ay masasagot ng mga batas ng thermodynamics. Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay tatalakayin nang mas detalyado ngayon.
Mga batas sa pang-araw-araw na buhay
Ang mga batas ay namamahala sa pang-araw-araw na buhay. Sinasabi ng mga batas sa kalsada na dapat kang huminto sa mga stop sign. Hinihiling ng gobyerno na ibigay ang bahagi ng kanilang suweldo sa estado at sa pederal na pamahalaan. Kahit na ang mga siyentipiko ay naaangkop sa pang-araw-araw na buhay. Halimbawa, hinuhulaan ng batas ng grabidad ang isang medyo hindi magandang resulta para sa mga sumusubok na lumipad. Ang isa pang hanay ng mga siyentipikong batas na nakakaapekto sa pang-araw-araw na buhay ay ang mga batas ng thermodynamics. Kaya narito ang ilang halimbawa upang makita kung paano ito nakakaapekto sa pang-araw-araw na buhay.
Ang Unang Batas ng Thermodynamics
Ang unang batas ng thermodynamics ay nagsasaad na ang enerhiya ay hindi maaaring likhain o sirain, ngunit maaari itong mabago mula sa isang anyo patungo sa isa pa. Minsan din itong tinutukoy bilang batas ng pagtitipid ng enerhiya. O kamusta ba iyonnaaangkop sa pang-araw-araw na buhay? Well, kunin, halimbawa, ang computer na ginagamit mo ngayon. Ito ay kumakain ng enerhiya, ngunit saan nanggagaling ang enerhiyang ito? Sinasabi sa atin ng unang batas ng thermodynamics na ang enerhiyang ito ay hindi maaaring manggaling sa himpapawid, kaya ito ay nagmula sa kung saan.
Maaari mong subaybayan ang enerhiyang ito. Ang computer ay pinapagana ng kuryente, ngunit saan nanggagaling ang kuryente? Tama, mula sa planta ng kuryente o hydroelectric power plant. Kung isasaalang-alang natin ang pangalawa, maiuugnay ito sa isang dam na pumipigil sa ilog. Ang ilog ay may koneksyon sa kinetic energy, na nangangahulugan na ang ilog ay dumadaloy. Ginagawang potensyal na enerhiya ng dam ang kinetic energy na ito.
Paano gumagana ang isang hydroelectric power plant? Ginagamit ang tubig para paikutin ang turbine. Kapag umiikot ang turbine, kumikilos ang generator, na lilikha ng kuryente. Ang kuryenteng ito ay maaaring ganap na paandarin sa mga wire mula sa planta ng kuryente papunta sa iyong tahanan upang kapag isaksak mo ang kurdon ng kuryente sa isang saksakan ng kuryente, ang kuryente ay pumapasok sa iyong computer upang ito ay gumana.
Ano ang nangyari dito? Mayroon nang tiyak na halaga ng enerhiya na nauugnay sa tubig sa ilog bilang kinetic energy. Pagkatapos ito ay naging potensyal na enerhiya. Pagkatapos ay kinuha ng dam ang potensyal na enerhiya na iyon at ginawa itong kuryente, na maaaring pumasok sa iyong tahanan at magpapagana sa iyong computer.
Ang Ikalawang Batas ng Thermodynamics
Sa pamamagitan ng pag-aaral ng batas na ito, mauunawaan ng isa kung paano gumagana ang enerhiya at kung bakit umuusad ang lahatposibleng kaguluhan at kaguluhan. Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay tinatawag ding batas ng entropy. Naisip mo na ba kung paano nabuo ang uniberso? Ayon sa Big Bang Theory, bago isinilang ang lahat, isang malaking halaga ng enerhiya ang natipon. Lumitaw ang Uniberso pagkatapos ng Big Bang. Ang lahat ng ito ay mabuti, ngunit anong uri ng enerhiya iyon? Sa simula ng panahon, ang lahat ng enerhiya sa uniberso ay nakapaloob sa isang medyo maliit na lugar. Ang matinding konsentrasyon na ito ay kumakatawan sa isang malaking halaga ng tinatawag na potensyal na enerhiya. Sa paglipas ng panahon, kumalat ito sa malawak na kalawakan ng ating uniberso.
Sa mas maliit na sukat, ang reservoir ng tubig na hawak ng dam ay naglalaman ng potensyal na enerhiya, dahil ang lokasyon nito ay nagbibigay-daan dito na dumaloy sa dam. Sa bawat kaso, ang nakaimbak na enerhiya, kapag nailabas, ay kumakalat at ginagawa ito nang walang anumang pagsisikap na ginagawa. Sa madaling salita, ang pagpapakawala ng potensyal na enerhiya ay isang kusang proseso na nangyayari nang hindi nangangailangan ng karagdagang mga mapagkukunan. Habang ang enerhiya ay ipinamamahagi, ang ilan sa mga ito ay na-convert sa kapaki-pakinabang na enerhiya at gumaganap ng ilang trabaho. Ang natitira ay kino-convert sa hindi nagagamit, tinatawag na init.
Habang ang uniberso ay patuloy na lumalawak, ito ay naglalaman ng paunti-unting magagamit na enerhiya. Kung hindi gaanong kapaki-pakinabang ang magagamit, mas kaunting trabaho ang maaaring gawin. Dahil ang tubig ay dumadaloy sa dam, naglalaman din ito ng hindi gaanong kapaki-pakinabang na enerhiya. Ang pagbaba ng magagamit na enerhiya sa paglipas ng panahon ay tinatawag na entropy, kung saan ang entropy ayang dami ng hindi nagamit na enerhiya sa system, at ang system ay isang koleksyon lamang ng mga bagay na bumubuo sa kabuuan.
Ang Entropy ay maaari ding tukuyin bilang ang dami ng randomness o kaguluhan sa isang organisasyong walang organisasyon. Habang bumababa ang nagagamit na enerhiya sa paglipas ng panahon, tumataas ang disorganisasyon at kaguluhan. Kaya, habang ang naipon na potensyal na enerhiya ay inilabas, hindi lahat ng ito ay na-convert sa kapaki-pakinabang na enerhiya. Nararanasan ng lahat ng system ang pagtaas ng entropy na ito sa paglipas ng panahon. Napakahalaga nitong maunawaan at ang phenomenon na ito ay tinatawag na pangalawang batas ng thermodynamics.
Entropy: pagkakataon o depekto
Tulad ng maaaring nahulaan mo, ang pangalawang batas ay sumusunod sa una, na karaniwang tinutukoy bilang batas ng konserbasyon ng enerhiya, at nagsasaad na ang enerhiya ay hindi malikha at hindi masisira. Sa madaling salita, pare-pareho ang dami ng enerhiya sa uniberso o anumang sistema. Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay karaniwang tinutukoy bilang batas ng entropy, at pinaniniwalaan nito na habang lumilipas ang panahon, ang enerhiya ay nagiging hindi gaanong kapaki-pakinabang at ang kalidad nito ay bumababa sa paglipas ng panahon. Ang entropy ay ang antas ng randomness o mga depekto na mayroon ang isang sistema. Kung ang sistema ay napakagulo, kung gayon mayroon itong malaking entropy. Kung maraming fault sa system, mababa ang entropy.
Sa madaling salita, ang pangalawang batas ng thermodynamics ay nagsasaad na ang entropy ng isang sistema ay hindi maaaring bumaba sa paglipas ng panahon. Nangangahulugan ito na sa kalikasan ang mga bagay ay napupunta mula sa isang estado ng kaayusan sa isang estado ng kaguluhan. At ito ay hindi maibabalik. Ang sistema ay hindi kailanmanmagiging mas maayos sa sarili nito. Sa madaling salita, sa kalikasan, ang entropy ng isang sistema ay palaging tumataas. Ang isang paraan upang isipin ito ay ang iyong tahanan. Kung hindi mo kailanman linisin at i-vacuum ito, sa lalong madaling panahon magkakaroon ka ng isang kakila-kilabot na gulo. Tumaas ang entropy! Upang mabawasan ito, kinakailangan na gumamit ng enerhiya upang gumamit ng vacuum cleaner at isang mop upang linisin ang ibabaw ng alikabok. Hindi lilinisin ng bahay ang sarili nito.
Ano ang pangalawang batas ng thermodynamics? Ang pagbabalangkas sa mga simpleng salita ay nagsasabi na kapag ang enerhiya ay nagbabago mula sa isang anyo patungo sa isa pa, ang bagay ay maaaring malayang gumagalaw, o ang entropy (disorder) sa isang saradong sistema ay tumataas. Ang mga pagkakaiba sa temperatura, presyon, at densidad ay kadalasang bumababa nang pahalang sa paglipas ng panahon. Dahil sa gravity, ang densidad at presyon ay hindi katumbas ng patayo. Ang density at presyon sa ibaba ay magiging mas malaki kaysa sa itaas. Ang entropy ay isang sukatan ng pagkalat ng bagay at enerhiya saanman ito ay may access. Ang pinakakaraniwang pormulasyon ng pangalawang batas ng thermodynamics ay pangunahing nauugnay kay Rudolf Clausius, na nagsabing:
Imposibleng gumawa ng device na hindi gumagawa ng ibang epekto kaysa sa paglipat ng init mula sa isang katawan na may mas mababang temperatura patungo sa isang katawan na may mas mataas na temperatura.
Sa madaling salita, sinusubukan ng lahat na panatilihin ang parehong temperatura sa paglipas ng panahon. Mayroong maraming mga pormulasyon ng pangalawang batas ng thermodynamics na gumagamit ng iba't ibang mga termino, ngunit lahat sila ay nangangahulugan ng parehong bagay. Isa pang pahayag ni Clausius:
Ang init mismo ay hindimula sa malamig tungo sa mas mainit na katawan.
Nalalapat lang ang pangalawang batas sa malalaking sistema. Ito ay may kinalaman sa malamang na pag-uugali ng isang sistema kung saan walang enerhiya o bagay. Kung mas malaki ang sistema, mas malamang na ang pangalawang batas ay.
Isa pang salita ng batas:
Palaging tumataas ang kabuuang entropy sa isang kusang proseso.
Ang pagtaas ng entropy ΔS sa panahon ng proseso ay dapat lumampas o katumbas ng ratio ng dami ng init na Q na inilipat sa system sa temperaturang T kung saan inililipat ang init. Formula ng pangalawang batas ng thermodynamics:
Thermodynamic system
Sa isang pangkalahatang kahulugan, ang pagbabalangkas ng pangalawang batas ng thermodynamics sa simpleng mga termino ay nagsasaad na ang mga pagkakaiba sa temperatura sa pagitan ng mga sistemang nakikipag-ugnayan sa isa't isa ay may posibilidad na magkapantay at ang gawain ay maaaring makuha mula sa mga di-equilibrium na pagkakaibang ito. Ngunit sa kasong ito, mayroong pagkawala ng thermal energy, at ang pagtaas ng entropy. Ang mga pagkakaiba sa presyon, densidad, at temperatura sa isang nakahiwalay na sistema ay may posibilidad na magkapantay kung bibigyan ng pagkakataon; ang density at presyon, ngunit hindi ang temperatura, ay nakadepende sa gravity. Ang heat engine ay isang mekanikal na aparato na nagbibigay ng kapaki-pakinabang na trabaho dahil sa pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng dalawang katawan.
Ang thermodynamic system ay isa na nakikipag-ugnayan at nagpapalitan ng enerhiya sa lugar sa paligid nito. Ang pagpapalitan at paglilipat ay dapat mangyari sa hindi bababa sa dalawang paraan. Ang isang paraan ay dapat na paglipat ng init. Kung angang thermodynamic system ay "nasa ekwilibriyo", hindi nito mababago ang estado o katayuan nito nang hindi nakikipag-ugnayan sa kapaligiran. Sa madaling salita, kung balanse ka, isa kang "happy system", wala kang magagawa. Kung may gusto kang gawin, dapat kang makipag-ugnayan sa labas ng mundo.
Ang pangalawang batas ng thermodynamics: ang irreversibility ng mga proseso
Imposibleng magkaroon ng paikot (paulit-ulit) na proseso na ganap na ginagawang trabaho ang init. Imposible rin na magkaroon ng proseso na naglilipat ng init mula sa malamig na mga bagay patungo sa mga maiinit na bagay nang hindi gumagamit ng trabaho. Ang ilang enerhiya sa isang reaksyon ay palaging nawawala sa init. Gayundin, hindi mako-convert ng system ang lahat ng enerhiya nito sa enerhiya ng trabaho. Ang ikalawang bahagi ng batas ay mas malinaw.
Ang malamig na katawan ay hindi makakapagpainit ng mainit na katawan. Ang init ay natural na dumadaloy mula sa mas maiinit patungo sa mas malamig na lugar. Kung ang init ay napupunta mula sa mas malamig hanggang sa mas mainit ito ay salungat sa kung ano ang "natural" kaya ang sistema ay kailangang gumawa ng ilang trabaho upang maisakatuparan ito. Ang irreversibility ng mga proseso sa kalikasan ay ang pangalawang batas ng thermodynamics. Ito marahil ang pinakatanyag (kahit sa mga siyentipiko) at mahalagang batas ng lahat ng agham. Isa sa kanyang mga formulation:
Ang entropy ng Uniberso ay may posibilidad na pinakamataas.
Sa madaling salita, ang entropy ay maaaring manatiling pareho o mas malaki, ang entropy ng Uniberso ay hindi kailanman mababawasan. Ang problema ay palaging itotama. Kung kukuha ka ng isang bote ng pabango at i-spray ito sa isang silid, sa lalong madaling panahon ay pupunuin ng mga mabangong atomo ang buong espasyo, at ang prosesong ito ay hindi na mababawi.
Mga relasyon sa thermodynamics
Inilalarawan ng mga batas ng thermodynamics ang kaugnayan sa pagitan ng thermal energy o init at iba pang anyo ng enerhiya, at kung paano nakakaapekto ang enerhiya sa bagay. Ang unang batas ng thermodynamics ay nagsasaad na ang enerhiya ay hindi maaaring likhain o sirain; ang kabuuang dami ng enerhiya sa uniberso ay nananatiling hindi nagbabago. Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay tungkol sa kalidad ng enerhiya. Ito ay nagsasaad na habang ang enerhiya ay inililipat o na-convert, mas maraming magagamit na enerhiya ang nawawala. Ang pangalawang batas ay nagsasaad din na mayroong natural na tendensya para sa anumang nakahiwalay na sistema na maging mas maayos.
Kahit na tumaas ang order sa isang partikular na lugar, kapag isinasaalang-alang mo ang buong sistema, kabilang ang kapaligiran, palaging may pagtaas ng entropy. Sa isa pang halimbawa, ang mga kristal ay maaaring mabuo mula sa isang solusyon ng asin kapag ang tubig ay sumingaw. Ang mga kristal ay mas maayos kaysa sa mga molekula ng asin sa solusyon; gayunpaman, ang evaporated water ay mas hindi maayos kaysa sa likidong tubig. Ang prosesong ginawa sa kabuuan ay nagreresulta sa isang netong pagtaas ng kaguluhan.
Trabaho at lakas
Ipinapaliwanag ng pangalawang batas na imposibleng i-convert ang thermal energy sa mechanical energy na may 100 porsiyentong kahusayan. Ang isang halimbawa ay maaaring ibigay sasa pamamagitan ng kotse. Pagkatapos ng proseso ng pag-init ng gas upang mapataas ang presyon nito upang himukin ang piston, palaging may natitira pang init sa gas na hindi magagamit para magsagawa ng anumang karagdagang trabaho. Ang basurang init na ito ay dapat itapon sa pamamagitan ng paglilipat nito sa isang radiator. Sa kaso ng makina ng kotse, ginagawa ito sa pamamagitan ng pagkuha ng pinaghalong gasolina at hangin sa atmospera.
Bilang karagdagan, ang anumang device na may gumagalaw na bahagi ay lumilikha ng friction na nagpapalit ng mekanikal na enerhiya sa init, na kadalasang hindi magagamit at dapat alisin sa system sa pamamagitan ng paglilipat nito sa radiator. Kapag ang isang mainit na katawan at isang malamig na katawan ay nakikipag-ugnayan sa isa't isa, ang thermal energy ay dadaloy mula sa mainit na katawan patungo sa malamig na katawan hanggang sa maabot nila ang thermal equilibrium. Gayunpaman, ang init ay hindi na babalik sa kabilang paraan; hindi kailanman kusang tataas ang pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng dalawang katawan. Ang paglipat ng init mula sa isang malamig na katawan patungo sa isang mainit na katawan ay nangangailangan ng trabaho na dapat gawin ng isang panlabas na pinagmumulan ng enerhiya tulad ng isang heat pump.
The Fate of the Universe
Ang pangalawang batas ay hinuhulaan din ang katapusan ng sansinukob. Ito ang pinakahuling antas ng kaguluhan, kung mayroong pare-pareho ang thermal equilibrium sa lahat ng dako, walang gawaing magagawa at ang lahat ng enerhiya ay mauuwi bilang random na paggalaw ng mga atomo at molekula. Ayon sa modernong data, ang Metagalaxy ay isang lumalawak na hindi nakatigil na sistema, at hindi maaaring pag-usapan ang pagkamatay ng init ng Uniberso. kamatayan sa initay isang estado ng thermal equilibrium kung saan huminto ang lahat ng proseso.
Mali ang posisyong ito, dahil nalalapat lang ang pangalawang batas ng thermodynamics sa mga closed system. At ang uniberso, tulad ng alam mo, ay walang limitasyon. Gayunpaman, ang mismong terminong "heat death of the Universe" ay minsan ginagamit upang tumukoy sa isang senaryo para sa hinaharap na pag-unlad ng Uniberso, ayon sa kung saan ito ay patuloy na lalawak hanggang sa kawalang-hanggan sa kadiliman ng kalawakan hanggang sa ito ay maging nakakalat na malamig na alikabok..
