Glavni Reference Kaj je drugi zakon termodinamike?

Kaj je drugi zakon termodinamike?

Drugi zakon termodinamike pravi, da so procesi, ki vključujejo prenos ali pretvorbo toplotne energije, nepovratni in se vedno premikajo proti večji nerednosti.

Drugi zakon termodinamike pravi, da so procesi, ki vključujejo prenos ali pretvorbo toplotne energije, nepovratni in se vedno premikajo proti večji nerednosti. (Zasluge za sliko: Universal History Archive/Universal Images Group prek Getty Images)

Skočiti:

Drugi zakon termodinamike navaja, da ko se energija prenaša ali transformira, se vedno več le-te izgubi. To je eden od štirih zakoni termodinamike , ki opisujejo razmerja med toplotno energijo ali toploto in drugimi oblikami energije ter kako energija vpliva na snov. The Prvi zakon termodinamike navaja, da energije ni mogoče ustvariti ali uničiti; skupno količino energije v vesolju ostaja enaka. Drugi zakon termodinamike govori o naravi energije. Drugi zakon tudi navaja, da obstaja naravna težnja vsakega izoliranega sistema, da degenerira v bolj neurejeno stanje, v skladu z Bostonska univerza (odpre se v novem zavihku).

Saibal Mitra, profesor fizike na državni univerzi Missouri, meni, da je drugi zakon najzanimivejši od štirih zakoni termodinamike. 'Drugi zakon lahko navedemo na več načinov,' je Mitra povedal za Live Science. 'Na zelo mikroskopski ravni preprosto pravi, da če imate sistem, ki je izoliran, vsak naravni proces v tem sistemu napreduje v smeri naraščajoče nerednosti ali entropije sistema.'

Mitra je pojasnil, da vsi procesi povzročijo povečanje entropije. Tudi če se red poveča na določeni lokaciji, na primer s samosestavljanjem molekul, da tvorijo živ organizem, ko upoštevate celoten sistem, vključno z okoljem, vedno pride do neto povečanja entropije. V drugem primeru lahko nastanejo kristali iz raztopine soli, ko voda izhlapi. Kristali so bolj urejeni kot molekule soli v raztopini; vendar je uparjena voda veliko bolj neurejena kot tekoča voda. Celoten proces povzroči neto povečanje nereda.

Zgodovina drugega zakona termodinamike

V svoji knjigi, ' Nova vrsta znanosti (odpre se v novem zavihku)' (Wolfram Media, 2018), je zapisal Stephen Wolfram, 'Okoli leta 1850 sta Rudolf Clausius in William Thomson (lord Kelvin) izjavila, da toplota ne teče spontano od hladnejšega telesa k bolj vročemu.' To je postalo osnova za drugi zakon.

Kasnejša dela avtorja Daniel Bernoulli (odpre se v novem zavihku), James Clerk Maxwell (odpre se v novem zavihku), in Ludwig Boltzmann (odpre se v novem zavihku)privedla do razvoja kinetične teorije plinov, v kateri je aplinje prepoznan kot oblak gibajočih se molekul, ki ga je mogoče statistično obravnavati, glede na Državna univerza Georgia (odpre se v novem zavihku). Ta statistični pristop omogoča natančen izračuntemperaturo, tlak in prostornina v skladu z zakonom o idealnem plinu, glede na državno univerzo Georgia.

Ta pristop je vodil tudi do zaključka, da medtem ko so trki med posameznimi molekulami popolnoma reverzibilni, tj. delujejo enako, ko se predvajajo naprej ali nazaj, to ne velja za veliko količino plina. Pri velikih količinah plina se hitrosti posameznih molekul sčasoma nagibajo k normalni ali Gaussovi porazdelitvi, včasih prikazani kot 'zvonasta krivulja', okoli povprečne hitrosti. Posledica tega je, da ko vroč plin in hladen plin daste skupaj v posodo, na koncu dobite topel plin, glede na Državna univerza Georgia (odpre se v novem zavihku). Toda topli plin se nikoli ne bo spontano ločil na vroč in hladen plin, kar pomeni, da je proces mešanja vročih in hladnih plinov nepovraten. To je bilo pogosto povzeto kot: 'Jajca ne moreš razvozlati.' Po Wolframu je Boltzmann okoli leta 1876 spoznal, da je razlog za to v tem, da mora obstajati veliko več neurejenih stanj v sistemu, kot je urejenih stanj; zato bodo naključne interakcije neizogibno povzročile večjo nered.

Delo in energija

Nemogoče je pretvoriti toplotno energijo v mehansko s 100% učinkovitostjo. Na primer, vsaka naprava z gibljivimi deli (kot je avtomobilski motor z jermensko gnanim generatorjem) proizvaja trenje, ki pretvarja mehansko energijo v toploto; toplota je na splošno neuporabna.

Nemogoče je pretvoriti toplotno energijo v mehansko s 100% učinkovitostjo. Na primer, vsaka naprava z gibljivimi deli (kot je avtomobilski motor z jermensko gnanim generatorjem) proizvaja trenje, ki pretvarja mehansko energijo v toploto; toplota je na splošno neuporabna.(Zasluga za sliko: Marin Tomas/Getty Images)

(odpre se v novem zavihku)

Ena stvar, ki jo narekuje drugi zakon, je, da je nemogoče pretvoriti toplotno energijo v mehansko energijo s 100-odstotno učinkovitostjo, glede na Britannica (odpre se v novem zavihku). Po postopku segrevanja plina za povečanje njegovega tlaka za pogon bata je v plinu vedno nekaj ostankov toplote, ki je ni mogoče uporabiti za dodatno delo. To odpadno toploto je treba zavreči s prenosom v hladilno telo. Pri avtomobilu se to izvede tako, da se mešanica izrabljenega goriva in zraka iz motorja po izpušni cevi pošlje v ozračje. Poleg tega vsaka naprava s premičnimi deli proizvaja trenje, ki pretvarja mehansko energijo v toploto, ki je na splošno neuporabna in jo je treba odstraniti iz sistema s prenosom v hladilno telo. Zato trditve zavečni gibalni strojipatentni urad ZDA na hitro zavrne.

Ko prideta vroče in hladno telo v stik drug z drugim, bo toplotna energija tekla od vročega telesa k hladnemu telesu, dokler ne dosežeta toplotno ravnotežje , tj. enako temperaturo. Vendar se toplota nikoli ne bo vrnila v drugo smer; razlika v temperaturah obeh teles se nikoli ne bo spontano povečala. Prenos toplote s hladnega telesa na vroče zahteva delo, ki ga mora opraviti zunanji vir energije, kot je toplotna črpalka, glede na Državna univerza Georgia (odpre se v novem zavihku).

'Najučinkovitejši motorji, ki jih trenutno izdelujemo, so velike plinske turbine,' je dejal David McKee, profesor fizike na državni univerzi Missouri. „Zgorevajo zemeljski plin ali druga plinasta goriva pri zelo visoki temperaturi, več kot 2000 stopinj Celzija [3600 stopinj Fahrenheita], izpušni plini pa so samo trd, topel vetrič. Nihče ne poskuša črpati energije iz odpadne toplote, ker je preprosto ni toliko.«

Puščica časa

Tukaj je prikazano razbito jajce. V skladu z drugim zakonom termodinamike to ni reverzibilen proces.

V skladu z drugim zakonom termodinamike to ni reverzibilen proces.(Zasluge za sliko: stockcam/Getty Images)

(odpre se v novem zavihku)

Drugi zakon kaže, da so termodinamični procesi, tj. procesi, ki vključujejo prenos ali pretvorbo toplotne energije, nepovratni, ker vsi povzročijo povečanje entropije. Morda je ena najbolj posledičnih implikacij drugega zakona, je dejal Mitra, ta, da nam daje termodinamično puščico časa.

V teoriji so nekatere interakcije, kot so trki togih teles ali določene kemične reakcije, videti enake, ne glede na to, ali potekajo naprej ali nazaj. V praksi pa so vse izmenjave energije podvržene neučinkovitosti, kot sta trenje in sevalna izguba toplote, ki povečajo entropijo opazovanega sistema, glede na OpenStax (odpre se v novem zavihku). Ker torej ne obstaja popolnoma reverzibilen proces, lahko na vprašanje, kakšna je smer časa, z gotovostjo odgovorimo, da čas vedno teče v smeri naraščanja entropije.

Usoda vesolja

Drugi zakon napoveduje tudi konec vesolja, poroča bostonska univerza. To pomeni, da se bo vesolje končalo v 'toplotni smrti', v kateri bo vse na isti temperaturi. To je najvišja stopnja nereda; če je vse pri isti temperaturi, ni mogoče opraviti nobenega dela in vsa energija se bo končala kot naključno gibanje atomov in molekul.'

V daljni prihodnosti se zvezde ne bodo več rojevale, galaksije bodo zgorele in črne luknje bodo izhlapele, dokler ne bo ostalo nič drugega kot subatomski delci in energija. Revija za znanost (odpre se v novem zavihku). Končno bodo ti delci in ta energija dosegli toplotno ravnovesje s preostalim vesoljem. Na srečo John Baez, matematični fizik na kalifornijski univerzi Riverside, napoveduje, da bo to proces ohlajanja (odpre se v novem zavihku)lahko traja tudi 10(10^26)(1, ki mu sledi 1026(100 septilijonov) ničel) let, pri čemer temperatura pade na okoli 10−30K (10−30C zgoraj absolutna ničla (odpre se v novem zavihku)).

Sodelavka Live Science Ashley Hamer je posodobila ta članek 27. januarja 2022.

Dodatni viri

Tukaj je nekaj drugih razlag drugega zakona termodinamike:

Bibliografija

Bostonska univerza, 'Entropija in drugi zakon,' 12. december 1999. http://physics.bu.edu/~duffy/py105/Secondlaw.html (odpre se v novem zavihku)

Stephen Wolfram, 'Nova vrsta znanosti', Wolfram Media, 2018. http://www.wolframscience.com/nksonline/toc.html (odpre se v novem zavihku)

Slavni znanstveniki, 'Daniel Bernoulli.' https://www.famousscientists.org/daniel-bernoulli/ (odpre se v novem zavihku)

Slavni znanstveniki, 'James Clerk Maxwell.' https://www.famousscientists.org/james-clerk-maxwell/ (odpre se v novem zavihku)

Slavni znanstveniki, 'Ludwig Boltzmann.'​​ https://www.famousscientists.org/ludwig-boltzmann/ (odpre se v novem zavihku)

Hiperfizika državne univerze Georgia, 'Kinetična teorija.' http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Kinetic/kinthe.html (odpre se v novem zavihku)

Hiperfizika državne univerze Georgia, 'Zakon idealnega plina.' http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Kinetic/idegas.html#c1 (odpre se v novem zavihku)

Hiperfizika državne univerze Georgia, 'Gaussova porazdelitvena funkcija.' http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Math/gaufcn.html (odpre se v novem zavihku)

Britannica, 'Entropija.' 1. junij 2021. https://www.britannica.com/science/thermodynamics/Entropy (odpre se v novem zavihku)

Hiperfizika državne univerze Georgia, 'Toplotna črpalka.' http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/heatpump.html (odpre se v novem zavihku)

Openstax University Physics 2, '21 reverzibilnih in ireverzibilnih procesov.' 16. julij 2019. https://opentextbc.ca/universityphysicsv2openstax/ (odpre se v novem zavihku)

Adam Mann, 'To je način, kako se vesolje konča: ne s cviljenjem, ampak s pokom,' 11. avgust 2020, Science Magazine. https://www.science.org/content/article/way-universe-ends-not-whimper-bang (odpre se v novem zavihku)

John Baez, 'Konec vesolja'. 7. februar 2016. https://math.ucr.edu/home/baez/end.html (odpre se v novem zavihku)

Cool Cosmos, 'Kaj je absolutna ničla?' https://coolcosmos.ipac.caltech.edu/ask/298-What-is-absolute-zero- (odpre se v novem zavihku)

Zanimivi Članki