Энергия қалай пайда болады, ол бір түрден екінші түрге қалай айналады және тұйық жүйеде энергиямен не болады? Бұл сұрақтардың барлығына термодинамика заңдары арқылы жауап беруге болады. Термодинамиканың екінші заңы бүгін толығырақ талқыланады.
Күнделікті өмірдегі заңдар
Заңдар күнделікті өмірді реттейді. Жол ережелері аялдама белгілеріне тоқтау керектігін айтады. Үкімет олардың жалақысының бір бөлігін штат пен федералды үкіметке беруді талап етеді. Тіпті ғылыми зерттеулер күнделікті өмірде де қолданылады. Мысалы, тартылыс заңы ұшуға тырысатындар үшін өте нашар нәтижені болжайды. Күнделікті өмірге әсер ететін ғылыми заңдардың тағы бір жиынтығы - термодинамика заңдары. Олардың күнделікті өмірге қалай әсер ететінін көру үшін мына мысалдар берілген.
Термодинамиканың бірінші заңы
Термодинамиканың бірінші заңы энергияны құруға немесе жоюға болмайтынын, бірақ оны бір түрден екінші түрге өзгертуге болатынын айтады. Мұны кейде энергияның сақталу заңы деп те атайды. Сонымен қалайкүнделікті өмірге қатысты ма? Мысалы, қазір пайдаланып жатқан компьютерді алайық. Ол энергиямен қоректенеді, бірақ бұл энергия қайдан келеді? Термодинамиканың бірінші заңы бұл энергияның ауадан келмейтінін, сондықтан ол бір жерден келгенін айтады.
Сіз бұл энергияны қадағалай аласыз. Компьютер электр қуатымен жұмыс істейді, бірақ электр энергиясы қайдан келеді? Бұл дұрыс, электр станциясынан немесе су электр станциясынан. Егер екіншісін қарастырсақ, онда ол өзенді ұстап тұратын бөгетпен байланысты болады. Өзеннің кинетикалық энергиямен байланысы бар, бұл өзеннің ағып жатқанын білдіреді. Бөгет бұл кинетикалық энергияны потенциалдық энергияға айналдырады.
Су электр станциясы қалай жұмыс істейді? Турбинаны айналдыру үшін су пайдаланылады. Турбина айналу кезінде электр энергиясын жасайтын генератор қозғалысқа келтіріледі. Бұл электр қуатын толығымен электр станциясынан үйге дейінгі сымдар арқылы қосуға болады, осылайша қуат сымын электр розеткасына қосқанда, электр тогы компьютерге еніп, ол жұмыс істей алады.
Мұнда не болды? Өзендегі сумен кинетикалық энергия ретінде байланысты болатын белгілі бір энергия мөлшері болды. Содан кейін ол потенциалдық энергияға айналды. Содан кейін бөгет сол әлеуетті энергияны алып, оны электр энергиясына айналдырды, ол үйіңізге кіріп, компьютеріңізді қуаттай алады.
Термодинамиканың екінші заңы
Осы заңды зерделеу арқылы энергияның қалай жұмыс істейтінін және бәрі неге қарай жылжитынын түсінуге боладымүмкін хаос пен тәртіпсіздік. Термодинамиканың екінші заңын энтропия заңы деп те атайды. Сіз ғаламның қалай пайда болғанын ойлап көрдіңіз бе? Үлкен жарылыс теориясына сәйкес, бәрі туылғанға дейін үлкен энергия жиналады. Ғалам Үлкен жарылыстан кейін пайда болды. Мұның бәрі жақсы, бірақ бұл қандай энергия болды? Уақыттың басында ғаламдағы барлық энергия салыстырмалы түрде кішкентай бір жерде болды. Бұл интенсивті концентрация потенциалдық энергия деп аталатын үлкен мөлшерді көрсетті. Уақыт өте келе ол біздің ғаламның бүкіл кеңдігіне тарады.
Әлдеқайда кішірек масштабта бөгет ұстайтын су қоймасы потенциалды энергияны қамтиды, өйткені оның орналасуы бөгет арқылы ағуға мүмкіндік береді. Әрбір жағдайда жинақталған энергия босатылғаннан кейін таралады және оны ешқандай күш жұмсамай жасайды. Басқаша айтқанда, потенциалдық энергияның бөлінуі қосымша ресурстарды қажет етпей-ақ болатын өздігінен жүретін процесс. Энергия бөліну кезінде оның бір бөлігі пайдалы энергияға айналады және кейбір жұмыстарды орындайды. Қалғаны жарамсыз күйге айналады, жай жылу деп аталады.
Ғалам кеңейген сайын оның құрамында қолдануға болатын энергия азайып барады. Пайдасы аз болса, аз жұмыс істеуге болады. Су бөгет арқылы өтетіндіктен, оның құрамында пайдалы энергия да аз болады. Уақыт өте келе қолданылатын энергияның бұл төмендеуі энтропия деп аталады, мұнда энтропияжүйеде пайдаланылмаған энергия мөлшері, ал жүйе тек тұтасты құрайтын нысандардың жиынтығы ғана.
Энтропияны ұйымсыз ұйымдағы кездейсоқтық немесе хаос шамасы деп те атауға болады. Қолданылатын энергия уақыт өте азайған сайын ұйымдаспаушылық пен хаос күшейеді. Осылайша, жинақталған потенциалдық энергия босатылғандықтан, мұның бәрі пайдалы энергияға айналмайды. Уақыт өте келе барлық жүйелер энтропияның мұндай өсуін сезінеді. Мұны түсіну өте маңызды және бұл құбылыс термодинамиканың екінші заңы деп аталады.
Энтропия: кездейсоқтық немесе ақау
Сіз болжағандай, екінші заң әдетте энергияның сақталу заңы деп аталатын бірінші заңға бағынады және энергияны құруға және жоюға болмайтынын айтады. Басқаша айтқанда, ғаламдағы немесе кез келген жүйедегі энергия мөлшері тұрақты. Термодинамиканың екінші заңы әдетте энтропия заңы деп аталады және ол уақыт өткен сайын энергияның пайдалылығы азаяды және уақыт өте оның сапасы төмендейді деп тұжырымдайды. Энтропия – жүйенің кездейсоқтық немесе ақаулық дәрежесі. Егер жүйе өте ретсіз болса, онда оның үлкен энтропиясы болады. Жүйеде көптеген ақаулар болса, энтропия төмен болады.
Қарапайым тілмен айтсақ, термодинамиканың екінші заңы жүйенің энтропиясы уақыт өте келе төмендей алмайтынын айтады. Бұл табиғатта заттардың реттелген күйден тәртіпсіздік күйіне ауысатынын білдіреді. Және бұл қайтымсыз. Жүйе ешқашанөздігінен реттелген болады. Басқаша айтқанда, табиғатта жүйенің энтропиясы әрқашан артады. Бұл туралы ойлаудың бір жолы - сіздің үйіңіз. Егер сіз оны ешқашан тазалап, шаңсорғышпен тазаламасаңыз, жақын арада сізде қорқынышты тәртіпсіздік болады. Энтропия өсті! Оны азайту үшін шаңсорғышты және бетін шаңнан тазарту үшін швабраны пайдалану үшін энергияны пайдалану қажет. Үй өзін-өзі тазаламайды.
Термодинамиканың екінші заңы дегеніміз не? Қарапайым сөзбен айтқанда, энергия бір түрден екінші түрге ауысқанда материя не еркін қозғалады, не тұйық жүйедегі энтропия (тәртіпсіздік) артады. Температурадағы, қысымдағы және тығыздықтағы айырмашылықтар уақыт өте келе көлденең деңгейге дейін төмендейді. Гравитацияның әсерінен тығыздық пен қысым вертикаль бойынша теңеспейді. Төменгі жағындағы тығыздық пен қысым жоғарыдан жоғары болады. Энтропия - бұл заттардың және энергияның қол жетімді жерде таралуының өлшемі. Термодинамиканың екінші заңының ең көп тараған тұжырымы негізінен Рудольф Клаузиуспен байланысты, ол былай деді:
Температурасы төмен денеден температурасы жоғары денеге жылуды беруден басқа әсер етпейтін құрылғы жасау мүмкін емес.
Басқаша айтқанда, уақыт өте келе бәрі бірдей температураны сақтауға тырысады. Термодинамиканың екінші заңының әртүрлі терминдерді қолданатын көптеген тұжырымдары бар, бірақ олардың барлығы бірдей мағынаны білдіреді. Клаузиустың тағы бір мәлімдемесі:
Жылудың өзі емессуықтан ыстық денеге өту.
Екінші заң тек үлкен жүйелерге қатысты. Бұл энергия немесе зат жоқ жүйенің ықтимал әрекетіне қатысты. Жүйе неғұрлым үлкен болса, екінші заң соғұрлым ықтимал.
Заңның басқа редакциясы:
Толық энтропия әрқашан өздігінен жүретін процессте артады.
Процесс барысында ΔS энтропияның артуы жүйеге берілген Q жылу мөлшерінің жылу тасымалданатын T температурасына қатынасынан асуы немесе оған тең болуы керек. Термодинамиканың екінші заңының формуласы:
Термодинамикалық жүйе
Жалпы мағынада термодинамиканың екінші заңын қарапайым түрде тұжырымдау бір-бірімен жанасатын жүйелер арасындағы температуралық айырмашылықтар теңестіруге бейім екенін және жұмысты осы тепе-теңдік емес айырмашылықтардан алуға болатынын айтады. Бірақ бұл жағдайда жылу энергиясының жоғалуы орын алады, ал энтропия артады. Оқшауланған жүйедегі қысым, тығыздық және температурадағы айырмашылықтар мүмкіндік болса, теңестіруге бейім; тығыздық пен қысым, бірақ температура емес, ауырлық күшіне байланысты. Жылу қозғалтқышы – екі дене арасындағы температура айырмашылығына байланысты пайдалы жұмысты қамтамасыз ететін механикалық құрылғы.
Термодинамикалық жүйе – айналасындағы аймақпен әрекеттесіп, энергия алмасатын жүйе. Айырбастау және аудару кемінде екі жолмен жүзеге асуы керек. Оның бір жолы жылу беру болуы керек. Егер атермодинамикалық жүйе «тепе-теңдікте» болса, ол қоршаған ортамен әрекеттеспей өз күйін немесе күйін өзгерте алмайды. Қарапайым тілмен айтқанда, егер сіз тепе-теңдікте болсаңыз, сіз «бақытты жүйе»сіз, ештеңе істей алмайсыз. Бірдеңе жасағыңыз келсе, сыртқы әлеммен әрекеттесуіңіз керек.
Термодинамиканың екінші заңы: процестердің қайтымсыздығы
Жылуды толығымен жұмысқа айналдыратын циклдік (қайталанатын) процестің болуы мүмкін емес. Сондай-ақ жұмысты қолданбай, жылуды суық заттардан жылы заттарға беретін процестің болуы мүмкін емес. Реакциядағы энергияның бір бөлігі әрқашан жылуға жоғалады. Сондай-ақ жүйе өзінің барлық энергиясын жұмыс энергиясына айналдыра алмайды. Заңның екінші бөлігі айқынырақ.
Суық дене жылы денені қыздыра алмайды. Жылу табиғи түрде жылырақ жерлерден салқын жерлерге ауысады. Егер жылу салқыннан жылыға ауысса, бұл «табиғи» нәрсеге қайшы келеді, сондықтан жүйе оны жүзеге асыру үшін біраз жұмыс істеуі керек. Табиғаттағы процестердің қайтымсыздығы термодинамиканың екінші бастамасы болып табылады. Бұл, бәлкім, барлық ғылымның ең танымал (кем дегенде ғалымдар арасында) және маңызды заңы. Оның тұжырымдарының бірі:
Әлемнің энтропиясы максимумға ұмтылады.
Басқаша айтқанда, энтропия не өзгеріссіз қалады, не үлкейеді, Әлемнің энтропиясы ешқашан төмендей алмайды. Мәселе мынада, бұл әрқашандұрыс. Егер сіз бір бөтелке парфюмерия алып, оны бөлмеге шашсаңыз, онда көп ұзамай хош иісті атомдар бүкіл кеңістікті толтырады және бұл процесс қайтымсыз болады.
Термодинамикадағы байланыстар
Термодинамика заңдары жылу энергиясы немесе жылу және энергияның басқа түрлері арасындағы байланысты және энергияның затқа қалай әсер ететінін сипаттайды. Термодинамиканың бірінші заңы энергияны құруға немесе жоюға болмайтынын айтады; ғаламдағы энергияның жалпы мөлшері өзгеріссіз қалады. Термодинамиканың екінші заңы энергияның сапасы туралы. Ол энергияның тасымалдануы немесе түрленуі кезінде көбірек қолдануға болатын энергия жоғалады деп айтылады. Екінші заңда сондай-ақ кез келген оқшауланған жүйенің тәртіпсіздікке айналуының табиғи үрдісі бар екені айтылады.
Тіпті белгілі бір жерде тәртіп артқанда, бүкіл жүйені, соның ішінде қоршаған ортаны есепке алғанда, әрқашан энтропияның өсуі байқалады. Басқа мысалда суды булағанда тұз ерітіндісінен кристалдар пайда болуы мүмкін. Кристаллдар ерітіндідегі тұз молекулаларына қарағанда реттелген; алайда буланған су сұйық суға қарағанда әлдеқайда тәртіпсіз. Жалпы алғанда процесс тәртіпсіздіктің таза өсуіне әкеледі.
Жұмыс және қуат
Екінші заң жылу энергиясын механикалық энергияға 100 пайыз тиімділікпен түрлендіру мүмкін еместігін түсіндіреді. -мен мысал келтіруге боладыкөлікпен. Поршеньді қозғау үшін оның қысымын жоғарылату үшін газды қыздыру процесінен кейін газда әрқашан қандай да бір қосымша жұмыстарды орындауға болмайтын біраз жылу қалады. Бұл қалдық жылуды радиаторға беру арқылы тастау керек. Автокөлік қозғалтқышы жағдайында бұл пайдаланылған отын мен ауа қоспасын атмосфераға шығару арқылы жасалады.
Сонымен қатар, қозғалатын бөліктері бар кез келген құрылғы механикалық энергияны жылуға түрлендіретін үйкеліс тудырады, әдетте оны пайдалануға жарамсыз және оны радиаторға беру арқылы жүйеден алып тастау керек. Ыстық дене мен суық дене бір-бірімен жанасқанда жылу энергиясы жылулық тепе-теңдікке жеткенше ыстық денеден суық денеге өтеді. Дегенмен, жылу ешқашан басқа жолмен оралмайды; екі дене арасындағы температура айырмашылығы ешқашан өздігінен өспейді. Жылуды суық денеден ыстық денеге жылжыту үшін жылу сорғысы сияқты сыртқы қуат көзінің жұмысы қажет.
Ғалам тағдыры
Екінші заң да ғаламның соңын болжайды. Бұл тәртіпсіздіктің соңғы деңгейі, егер барлық жерде тұрақты жылулық тепе-теңдік болса, ешқандай жұмыс істеу мүмкін емес және барлық энергия атомдар мен молекулалардың кездейсоқ қозғалысы ретінде аяқталады. Заманауи деректерге сәйкес, Метагалактика кеңейіп келе жатқан стационарлық емес жүйе болып табылады және Ғаламның жылу өлімі туралы айтуға болмайды. ыстық өлімбарлық процестер тоқтайтын жылулық тепе-теңдік күйі.
Бұл позиция қате, өйткені термодинамиканың екінші заңы тек тұйық жүйелерге қатысты. Ал ғалам, өздеріңіз білетіндей, шексіз. Дегенмен, кейде «Әлемнің жылу өлімі» терминінің өзі Ғаламның болашақ дамуының сценарийіне сілтеме жасау үшін қолданылады, оған сәйкес ол шашыраңқы суық шаңға айналғанша ғарыштың қараңғылығына дейін шексіздікке дейін кеңейе береді..
