Enerji nasıl üretilir, bir formdan diğerine nasıl dönüştürülür ve kapalı bir sistemde enerjiye ne olur? Bütün bu sorular termodinamik yasalarıyla yanıtlanabilir. Termodinamiğin ikinci yasası bugün daha ayrıntılı olarak tartışılacaktır.
Günlük yaşamda yasalar
Yasalar günlük hayatı yönetir. Yol yasaları, dur işaretlerinde durmanız gerektiğini söylüyor. Hükümet maaşlarının bir kısmını eyalete ve federal hükümete vermeyi talep ediyor. Bilimsel olanlar bile günlük yaşam için geçerlidir. Örneğin, yerçekimi yasası, uçmaya çalışanlar için oldukça kötü bir sonuç öngörür. Günlük yaşamı etkileyen bir başka bilimsel yasa dizisi de termodinamik yasalarıdır. İşte günlük yaşamı nasıl etkilediklerini görmek için bazı örnekler.
Termodinamiğin Birinci Yasası
Termodinamiğin birinci yasası, enerjinin yaratılamayacağını veya yok edilemeyeceğini, ancak bir biçimden diğerine dönüştürülebileceğini belirtir. Buna bazen enerjinin korunumu yasası da denir. peki nasılgünlük yaşam için geçerli mi? Örneğin, şu anda kullandığınız bilgisayarı ele alalım. Enerjiyle besleniyor ama bu enerji nereden geliyor? Termodinamiğin birinci yasası bize bu enerjinin havadan gelemeyeceğini, dolayısıyla bir yerden geldiğini söyler.
Bu enerjiyi takip edebilirsiniz. Bilgisayar elektrikle çalışıyor, ancak elektrik nereden geliyor? Bu doğru, bir elektrik santralinden veya hidroelektrik santralinden. İkincisini düşünürsek, o zaman nehri tutan bir barajla ilişkilendirilecektir. Nehrin kinetik enerji ile bağlantısı vardır, bu da nehrin aktığı anlamına gelir. Baraj bu kinetik enerjiyi potansiyel enerjiye dönüştürür.
Hidroelektrik santral nasıl çalışır? Türbini döndürmek için su kullanılır. Türbin döndüğünde, elektrik üretecek olan bir jeneratör harekete geçer. Bu elektrik tamamen elektrik santralinden evinize giden kablolarla çalıştırılabilir, böylece güç kablosunu bir elektrik prizine taktığınızda, elektrik bilgisayarınıza girerek çalışabilmesini sağlar.
Burada ne oldu? Nehirdeki su ile kinetik enerji olarak ilişkilendirilen belirli bir miktarda enerji zaten vardı. Sonra potansiyel enerjiye dönüştü. Baraj daha sonra bu potansiyel enerjiyi alıp elektriğe dönüştürdü, bu da evinize girip bilgisayarınıza güç sağlayabilir.
Termodinamiğin İkinci Yasası
Bu yasayı inceleyerek, kişi enerjinin nasıl çalıştığını ve her şeyin neden ona doğru hareket ettiğini anlayabilir.olası kaos ve düzensizlik. Termodinamiğin ikinci yasasına entropi yasası da denir. Evrenin nasıl var olduğunu hiç merak ettiniz mi? Big Bang Teorisine göre, her şey doğmadan önce çok büyük miktarda enerji bir araya toplanmıştır. Evren Big Bang'den sonra ortaya çıktı. Bütün bunlar iyi, ama ne tür bir enerjiydi? Zamanın başlangıcında, evrendeki tüm enerji nispeten küçük bir yerde bulunuyordu. Bu yoğun konsantrasyon, potansiyel enerji denilen şeyin çok büyük bir miktarını temsil ediyordu. Zamanla, evrenimizin uçsuz bucaksız genişliğine yayıldı.
Çok daha küçük bir ölçekte, barajın tuttuğu su rezervuarı, konumu barajdan akmasına izin verdiği için potansiyel enerji içerir. Her durumda, depolanan enerji bir kez serbest bırakıldığında yayılır ve bunu herhangi bir çaba sarf etmeden yapar. Başka bir deyişle, potansiyel enerjinin serbest bırakılması, ek kaynaklara ihtiyaç duymadan gerçekleşen kendiliğinden bir süreçtir. Enerji dağıtıldıkça bir kısmı faydalı enerjiye dönüşür ve bir kısmını iş yapar. Geri kalanı kullanılamaz hale gelir, kısaca ısı denir.
Evren genişlemeye devam ettikçe, giderek daha az kullanılabilir enerji içerir. Daha az faydalı varsa, daha az iş yapılabilir. Su barajdan aktığı için daha az faydalı enerji de içerir. Kullanılabilir enerjideki zamanla bu azalmaya entropi denir.sistemdeki kullanılmayan enerji miktarıdır ve sistem sadece bütünü oluşturan nesnelerin bir koleksiyonudur.
Entropi, organizasyonu olmayan bir organizasyondaki rastgelelik veya kaos miktarı olarak da ifade edilebilir. Kullanılabilir enerji zamanla azaldıkça düzensizlik ve kaos artar. Böylece, biriken potansiyel enerji açığa çıktıkça, bunların tamamı faydalı enerjiye dönüşmez. Tüm sistemler zaman içinde bu entropi artışını yaşar. Bunu anlamak çok önemlidir ve bu fenomene termodinamiğin ikinci yasası denir.
Entropi: şans veya kusur
Tahmin edebileceğiniz gibi, ikinci yasa, genellikle enerjinin korunumu yasası olarak adlandırılan birinci yasayı takip eder ve enerjinin yaratılamayacağını ve yok edilemeyeceğini belirtir. Başka bir deyişle, evrendeki veya herhangi bir sistemdeki enerji miktarı sabittir. Termodinamiğin ikinci yasasına genellikle entropi yasası denir ve zaman geçtikçe enerjinin daha az yararlı hale geldiğini ve zamanla kalitesinin düştüğünü kabul eder. Entropi, bir sistemin sahip olduğu rastgelelik veya kusurların derecesidir. Sistem çok düzensizse, büyük bir entropiye sahiptir. Sistemde çok sayıda hata varsa, o zaman entropi düşüktür.
Basit bir ifadeyle, termodinamiğin ikinci yasası, bir sistemin entropisinin zamanla azalamayacağını belirtir. Bu, doğada şeylerin bir düzen durumundan bir düzensizlik durumuna geçtiği anlamına gelir. Ve geri döndürülemez. sistem aslakendi kendine daha düzenli hale gelecektir. Başka bir deyişle, doğada bir sistemin entropisi her zaman artar. Bunu düşünmenin bir yolu da eviniz. Asla temizlemez ve süpürmezseniz, çok yakında korkunç bir karmaşa yaşayacaksınız. Entropi arttı! Bunu az altmak için, toz yüzeyini temizlemek için elektrikli süpürge ve paspas kullanmak için enerji kullanmak gerekir. Ev kendi kendini temizlemez.
Termodinamiğin ikinci yasası nedir? Basit bir deyişle formülasyon, enerji bir biçimden diğerine geçtiğinde, maddenin ya serbestçe hareket ettiğini ya da kapalı bir sistemdeki entropinin (düzensizliğin) arttığını söylüyor. Sıcaklık, basınç ve yoğunluktaki farklılıklar zamanla yatay olarak düzleşme eğilimindedir. Yerçekimi nedeniyle yoğunluk ve basınç dikey olarak eşitlenmez. Alttaki yoğunluk ve basınç, üsttekinden daha büyük olacaktır. Entropi, maddenin ve enerjinin erişimi olan her yere yayılmasının bir ölçüsüdür. Termodinamiğin ikinci yasasının en yaygın formülasyonu esas olarak Rudolf Clausius ile ilişkilidir:
Daha düşük sıcaklıktaki bir vücuttan daha yüksek sıcaklıktaki bir vücuda ısı transferinden başka bir etki üretmeyen bir cihaz yapmak imkansızdır.
Başka bir deyişle, her şey zamanla aynı sıcaklığı korumaya çalışır. Termodinamiğin ikinci yasasının farklı terimler kullanan birçok formülasyonu vardır, ancak hepsi aynı anlama gelir. Başka bir Clausius ifadesi:
Isının kendisisoğuktan daha sıcak bir vücuda geçmek.
İkinci yasa yalnızca büyük sistemler için geçerlidir. Enerji veya maddenin olmadığı bir sistemin olası davranışı ile ilgilidir. Sistem ne kadar büyükse, ikinci yasa o kadar olasıdır.
Yasanın başka bir ifadesi:
Toplam entropi kendiliğinden oluşan bir süreçte daima artar.
İşlem sırasında entropi ΔS'deki artış, sisteme aktarılan Q ısı miktarının, ısının aktarıldığı T sıcaklığına oranını aşmalı veya buna eşit olmalıdır. Termodinamiğin ikinci yasasının formülü:
Termodinamik sistem
Genel anlamda, termodinamiğin ikinci yasasının basit terimlerle formüle edilmesi, birbiriyle temas halindeki sistemler arasındaki sıcaklık farklarının eşitlenme eğiliminde olduğunu ve bu denge dışı farklardan iş elde edilebileceğini belirtir. Ancak bu durumda termal enerji kaybı olur ve entropi artar. İzole edilmiş bir sistemdeki basınç, yoğunluk ve sıcaklıktaki farklılıklar, fırsat verildiğinde eşitlenme eğilimindedir; yoğunluk ve basınç, ancak sıcaklık değil, yerçekimine bağlıdır. Bir ısı motoru, iki gövde arasındaki sıcaklık farkından dolayı faydalı iş sağlayan mekanik bir cihazdır.
Bir termodinamik sistem, etrafındaki alanla etkileşime giren ve enerji alışverişinde bulunan sistemdir. Değişim ve transfer en az iki şekilde gerçekleşmelidir. Bir yol ısı transferi olmalıdır. Eğer birtermodinamik sistem "dengededir", çevre ile etkileşime girmeden durumunu veya durumunu değiştiremez. Basitçe söylemek gerekirse, dengedeyseniz, "mutlu bir sistem"siniz, yapabileceğiniz hiçbir şey yok. Bir şey yapmak istiyorsan dış dünyayla etkileşime geçmelisin.
Termodinamiğin ikinci yasası: süreçlerin tersinmezliği
Isıyı tamamen işe dönüştüren döngüsel (tekrarlayan) bir sürece sahip olmak imkansızdır. Soğuk nesnelerden ısıyı sıcak nesnelere iş kullanmadan aktaran bir işleme sahip olmak da imkansızdır. Bir tepkimede bir miktar enerji her zaman ısıya dönüşür. Ayrıca sistem enerjisinin tamamını iş enerjisine çeviremez. Kanunun ikinci kısmı daha açık.
Soğuk bir vücut, sıcak bir vücudu ısıtamaz. Isı doğal olarak daha sıcak bölgelerden daha soğuk bölgelere akma eğilimindedir. Isı daha soğuktan daha sıcağa giderse, "doğal" olana aykırıdır, bu nedenle sistemin bunu gerçekleştirmek için biraz çalışması gerekir. Doğadaki süreçlerin tersinmezliği termodinamiğin ikinci yasasıdır. Bu, belki de tüm bilimlerin en ünlü (en azından bilim adamları arasında) ve önemli yasasıdır. Formülasyonlarından biri:
Evrenin entropisi maksimum olma eğilimindedir.
Başka bir deyişle, entropi ya aynı kalır ya da büyür, Evrenin entropisi asla azalamaz. Sorun şu ki, her zamanSağ. Bir şişe parfümü bir odaya sıkarsanız, çok geçmeden koku atomları tüm alanı doldurur ve bu süreç geri döndürülemez.
Termodinamikte ilişkiler
Termodinamik yasaları, termal enerji veya ısı ile diğer enerji biçimleri arasındaki ilişkiyi ve enerjinin maddeyi nasıl etkilediğini tanımlar. Termodinamiğin birinci yasası, enerjinin yaratılamayacağını veya yok edilemeyeceğini belirtir; evrendeki toplam enerji miktarı değişmeden kalır. Termodinamiğin ikinci yasası enerjinin kalitesi ile ilgilidir. Enerji aktarılırken veya dönüştürülürken, daha fazla kullanılabilir enerjinin kaybolduğunu belirtir. İkinci yasa ayrıca, izole edilmiş herhangi bir sistemin daha düzensiz hale gelmesi için doğal bir eğilim olduğunu belirtir.
Belli bir yerde düzen yükselse bile, çevre dahil tüm sistemi dikkate aldığınızda entropide her zaman bir artış olur. Başka bir örnekte, su buharlaştırıldığında bir tuz çözeltisinden kristaller oluşabilir. Çözeltideki kristaller tuz moleküllerinden daha düzenlidir; bununla birlikte buharlaştırılmış su, sıvı sudan çok daha düzensizdir. Bir bütün olarak ele alınan süreç, düzensizlikte net bir artışla sonuçlanır.
İş ve enerji
İkinci yasa, termal enerjiyi yüzde 100 verimle mekanik enerjiye dönüştürmenin imkansız olduğunu açıklar. İle bir örnek verilebilirarabayla. Pistonu tahrik etmek için basıncını artırmak için gazın ısıtılması işleminden sonra, gazda her zaman herhangi bir ek iş yapmak için kullanılamayacak bir miktar ısı kalır. Bu atık ısı radyatöre aktarılarak atılmalıdır. Bir araba motoru durumunda, bu, kullanılmış yakıt ve hava karışımının atmosfere çıkarılmasıyla yapılır.
Ayrıca, hareketli parçaları olan herhangi bir cihaz, mekanik enerjiyi ısıya dönüştüren ve genellikle kullanılamaz olan ve bir radyatöre aktarılarak sistemden çıkarılması gereken bir sürtünme yaratır. Sıcak cisim ve soğuk cisim birbirine temas ettiğinde, termal enerji sıcak cisimden soğuk cisme termal dengeye ulaşıncaya kadar akacaktır. Ancak, ısı asla tersine dönmeyecek; iki cisim arasındaki sıcaklık farkı asla kendiliğinden artmaz. Isıyı soğuk bir cisimden sıcak bir cisme taşımak, ısı pompası gibi harici bir enerji kaynağı tarafından iş yapılmasını gerektirir.
Evrenin Kaderi
İkinci yasa aynı zamanda evrenin sonunu da öngörür. Bu, düzensizliğin nihai seviyesidir, eğer her yerde sabit bir termal denge varsa, hiçbir iş yapılamaz ve tüm enerji atomların ve moleküllerin rastgele hareketi olarak sona erer. Modern verilere göre, Metagalaksi genişleyen durağan olmayan bir sistemdir ve Evrenin ısı ölümünden söz edilemez. ısı ölümütüm süreçlerin durduğu bir termal denge durumudur.
Bu konum hatalıdır, çünkü termodinamiğin ikinci yasası yalnızca kapalı sistemler için geçerlidir. Ve evren, bildiğiniz gibi, sınırsızdır. Bununla birlikte, "Evrenin ısı ölümü" terimi bazen, Evrenin gelecekteki gelişimi için bir senaryoya atıfta bulunmak için kullanılır; buna göre, dağınık soğuk toza dönüşene kadar uzayın karanlığına sonsuza kadar genişlemeye devam edecektir..
