איך נוצרת אנרגיה, איך היא מומרת מצורה אחת לאחרת, ומה קורה לאנרגיה במערכת סגורה? על כל השאלות הללו ניתן לענות על ידי חוקי התרמודינמיקה. החוק השני של התרמודינמיקה יידון בפירוט רב יותר היום.
חוקים בחיי היומיום
חוקים שולטים בחיי היומיום. חוקי הכבישים אומרים שאתה חייב לעצור בתמרורים. הממשלה דורשת לתת חלק ממשכורתם למדינה ולממשלה הפדרלית. אפילו אלה מדעיים ישימים לחיי היומיום. לדוגמה, חוק הכבידה מנבא תוצאה גרועה למדי למי שמנסה לעוף. קבוצה נוספת של חוקים מדעיים המשפיעים על חיי היומיום הם חוקי התרמודינמיקה. אז הנה כמה דוגמאות כדי לראות כיצד הן משפיעות על חיי היומיום.
החוק הראשון של התרמודינמיקה
החוק הראשון של התרמודינמיקה קובע שלא ניתן ליצור או להרוס אנרגיה, אך ניתן להפוך אותה מצורה אחת לאחרת. זה מכונה לפעמים גם חוק שימור האנרגיה. אז איך זהחל על חיי היומיום? ובכן, קח, למשל, את המחשב שאתה משתמש בו כעת. הוא ניזון מאנרגיה, אבל מאיפה האנרגיה הזו מגיעה? החוק הראשון של התרמודינמיקה אומר לנו שהאנרגיה הזו לא יכולה להגיע מהאוויר, אז היא הגיעה מאיפשהו.
אתה יכול לעקוב אחר האנרגיה הזו. המחשב מופעל באמצעות חשמל, אך מאיפה מגיע החשמל? נכון, מתחנת כוח או תחנת כוח הידרואלקטרית. אם ניקח בחשבון את השני, אז זה יהיה קשור לסכר המעכב את הנהר. לנהר יש קשר עם אנרגיה קינטית, כלומר הנהר זורם. הסכר הופך את האנרגיה הקינטית הזו לאנרגיה פוטנציאלית.
איך פועלת תחנת כוח הידרואלקטרית? מים משמשים לסובב הטורבינה. כאשר הטורבינה מסתובבת, מופעל גנרטור שייצור חשמל. ניתן להפעיל את החשמל הזה כולו בחוטים מתחנת הכוח לביתך, כך שכאשר אתה מחבר את כבל החשמל לשקע חשמל, החשמל נכנס למחשב שלך כדי שהוא יוכל לעבוד.
מה קרה כאן? כבר הייתה כמות מסוימת של אנרגיה שהייתה קשורה למים בנהר כאנרגיה קינטית. ואז זה הפך לאנרגיה פוטנציאלית. לאחר מכן הסכר לקח את האנרגיה הפוטנציאלית הזו והפך אותה לחשמל, שיוכל להיכנס לביתך ולהפעיל את המחשב שלך.
החוק השני של התרמודינמיקה
על ידי לימוד החוק הזה, אפשר להבין איך האנרגיה פועלת ומדוע הכל מתקדם לעברכאוס ואי סדר אפשריים. החוק השני של התרמודינמיקה נקרא גם חוק האנטרופיה. האם תהיתם פעם איך היקום נוצר? לפי תיאוריית המפץ הגדול, לפני שהכל נולד, כמות עצומה של אנרגיה נאספה יחד. היקום הופיע לאחר המפץ הגדול. כל זה טוב, אבל איזו אנרגיה זו הייתה? בראשית הזמן, כל האנרגיה ביקום הייתה מוכלת במקום אחד קטן יחסית. הריכוז האינטנסיבי הזה ייצג כמות עצומה של מה שנקרא אנרגיה פוטנציאלית. עם הזמן, הוא התפשט ברחבי המרחב העצום של היקום שלנו.
בקנה מידה קטן בהרבה, מאגר המים שמחזיק הסכר מכיל אנרגיה פוטנציאלית, שכן מיקומו מאפשר לו לזרום דרך הסכר. בכל אחד מהמקרים, האנרגיה האצורה, לאחר שהשתחררה, מתפשטת ועושה זאת ללא כל מאמץ. במילים אחרות, שחרור אנרגיה פוטנציאלית הוא תהליך ספונטני המתרחש ללא צורך במשאבים נוספים. כאשר האנרגיה מתפזרת, חלק ממנה מומר לאנרגיה שימושית ומבצע עבודה מסוימת. השאר הופך לבלתי שמיש, הנקרא פשוט חום.
ככל שהיקום ממשיך להתרחב, הוא מכיל פחות ופחות אנרגיה שמישה. אם פחות שימושי זמין, אפשר לעשות פחות עבודה. מכיוון שהמים זורמים דרך הסכר, הם מכילים גם פחות אנרגיה שימושית. ירידה זו באנרגיה שמיש לאורך זמן נקראת אנטרופיה, כאשר אנטרופיה היאכמות האנרגיה הבלתי מנוצלת במערכת, והמערכת היא רק אוסף של עצמים המרכיבים את השלם.
אנטרופיה יכולה להיקרא גם ככמות האקראיות או הכאוס בארגון ללא ארגון. ככל שאנרגיה שמיש יורדת עם הזמן, חוסר הארגון והכאוס גוברים. לפיכך, ככל שהאנרגיה הפוטנציאלית המצטברת משתחררת, לא כל זה הופך לאנרגיה שימושית. כל המערכות חוות עלייה זו באנטרופיה לאורך זמן. חשוב מאוד להבין זאת ותופעה זו נקראת החוק השני של התרמודינמיקה.
אנטרופיה: סיכוי או פגם
כפי שאפשר לנחש, החוק השני עוקב אחר החוק הראשון, המכונה בדרך כלל חוק שימור האנרגיה, וקובע שלא ניתן ליצור אנרגיה ולא ניתן להרוס אותה. במילים אחרות, כמות האנרגיה ביקום או בכל מערכת היא קבועה. החוק השני של התרמודינמיקה מכונה בדרך כלל חוק האנטרופיה, והוא גורס שככל שעובר הזמן, האנרגיה הופכת פחות שימושית ואיכותה פוחתת עם הזמן. אנטרופיה היא מידת האקראיות או הליקויים שיש למערכת. אם המערכת מאוד לא מסודרת, אז יש לה אנטרופיה גדולה. אם יש הרבה תקלות במערכת, אז האנטרופיה נמוכה.
במונחים פשוטים, החוק השני של התרמודינמיקה קובע שהאנטרופיה של מערכת לא יכולה לרדת עם הזמן. זה אומר שבטבע הדברים עוברים ממצב של סדר למצב של אי סדר. וזה בלתי הפיך. המערכת אף פעםיהפוך מסודר יותר מעצמו. במילים אחרות, בטבע, האנטרופיה של מערכת תמיד גדלה. דרך אחת לחשוב על זה היא הבית שלך. אם אף פעם לא תנקה ותשאב אותו, אז די בקרוב יהיה לך בלגן נוראי. האנטרופיה עלתה! כדי להפחית אותו, יש צורך להשתמש באנרגיה כדי להשתמש בשואב אבק ובמגב כדי לנקות את פני השטח מאבק. הבית לא ינקה את עצמו.
מהו החוק השני של התרמודינמיקה? הניסוח במילים פשוטות אומר שכאשר אנרגיה משתנה מצורה אחת לאחרת, החומר נע בחופשיות, או שהאנטרופיה (הפרעה) במערכת סגורה גדלה. הבדלי טמפרטורה, לחץ וצפיפות נוטים להתיישר אופקית עם הזמן. עקב כוח המשיכה, הצפיפות והלחץ אינם משתווים אנכית. הצפיפות והלחץ בתחתית יהיו גדולים יותר מאשר בחלק העליון. אנטרופיה היא מדד להתפשטות החומר והאנרגיה בכל מקום שיש לו גישה. הניסוח הנפוץ ביותר של החוק השני של התרמודינמיקה קשור בעיקר לרודולף קלאוזיוס, שאמר:
אי אפשר לבנות מכשיר שלא מייצר אפקט אחר מאשר העברת חום מגוף עם טמפרטורה נמוכה יותר לגוף עם טמפרטורה גבוהה יותר.
במילים אחרות, הכל מנסה לשמור על אותה טמפרטורה לאורך זמן. ישנם ניסוחים רבים של החוק השני של התרמודינמיקה המשתמשים במונחים שונים, אבל כולם אומרים אותו דבר. עוד הצהרה של קלאוזיוס:
החום עצמו לאעובר מגוף קר לגוף חם יותר.
החוק השני חל רק על מערכות גדולות. זה נוגע להתנהגות סבירה של מערכת שבה אין אנרגיה או חומר. ככל שהמערכת גדולה יותר, כך גדל הסיכוי שהחוק השני הוא.
נוסח אחר של החוק:
האנטרופיה הכוללת תמיד גדלה בתהליך ספונטני.
העלייה באנטרופיה ΔS במהלך התהליך חייבת לחרוג או להיות שווה ליחס בין כמות החום Q המועברת למערכת לטמפרטורה T שבה מועבר החום. נוסחת החוק השני של התרמודינמיקה:
מערכת תרמודינמית
במובן כללי, הניסוח של החוק השני של התרמודינמיקה במונחים פשוטים קובע שהפרשי טמפרטורה בין מערכות במגע זו עם זו נוטים להשתוות וניתן להשיג עבודה מהבדלים שאינם שיווי משקל אלו. אבל במקרה זה, יש אובדן של אנרגיה תרמית, והאנטרופיה עולה. הבדלי לחץ, צפיפות וטמפרטורה במערכת מבודדת נוטים להשתוות אם ניתנת ההזדמנות; צפיפות ולחץ, אך לא טמפרטורה, תלויים בכוח הכבידה. מנוע חום הוא מכשיר מכני המספק עבודה שימושית בשל הפרש הטמפרטורה בין שני גופים.
מערכת תרמודינמית היא מערכת שמקיימת אינטראקציה ומחליפה אנרגיה עם האזור שמסביב לה. החלפה והעברה חייבים להתרחש בשתי דרכים לפחות. דרך אחת צריכה להיות העברת חום. אםהמערכת התרמודינמית "נמצאת בשיווי משקל", היא לא יכולה לשנות את מצבה או מעמדה מבלי ליצור אינטראקציה עם הסביבה. במילים פשוטות, אם אתה באיזון, אתה "מערכת מאושרת", אין מה לעשות. אם אתה רוצה לעשות משהו, אתה חייב ליצור אינטראקציה עם העולם החיצון.
החוק השני של התרמודינמיקה: אי-הפיכותם של תהליכים
אי אפשר לקיים תהליך מחזורי (חוזר) שממיר לחלוטין חום לעבודה. אי אפשר גם תהליך שמעביר חום מחפצים קרים לחפצים חמים ללא שימוש בעבודה. אנרגיה מסוימת בתגובה אובדת תמיד לחום. כמו כן, המערכת אינה יכולה להמיר את כל האנרגיה שלה לאנרגיית עבודה. החלק השני של החוק ברור יותר.
גוף קר לא יכול לחמם גוף חם. חום נוטה באופן טבעי לזרום מאזורים חמים לאזורים קרירים יותר. אם החום עובר מקריר לחמם יותר זה מנוגד למה ש"טבעי" ולכן המערכת צריכה לעשות קצת עבודה כדי שזה יקרה. הבלתי הפיך של תהליכים בטבע הוא החוק השני של התרמודינמיקה. זה אולי החוק המפורסם ביותר (לפחות בקרב מדענים) והחשוב מכל המדע. אחד מהניסוחים שלו:
האנטרופיה של היקום נוטה למקסימום.
במילים אחרות, האנטרופיה נשארת זהה או גדלה, האנטרופיה של היקום לעולם לא יכולה לרדת. הבעיה היא שזה תמידימין. אם אתה לוקח בקבוק בושם ומרסס אותו בחדר, אז בקרוב האטומים הריחניים ימלאו את כל החלל, והתהליך הזה הוא בלתי הפיך.
יחסים בתרמודינמיקה
חוקי התרמודינמיקה מתארים את הקשר בין אנרגיה תרמית או חום וצורות אחרות של אנרגיה, וכיצד אנרגיה משפיעה על החומר. החוק הראשון של התרמודינמיקה קובע שלא ניתן ליצור או להרוס אנרגיה; כמות האנרגיה הכוללת ביקום נשארת ללא שינוי. החוק השני של התרמודינמיקה הוא על איכות האנרגיה. הוא קובע שככל שאנרגיה מועברת או מומרת, יותר ויותר אנרגיה שמיש אובדת. החוק השני גם קובע שקיימת נטייה טבעית לכל מערכת מבודדת להיות יותר מופרעת.
גם כשהסדר עולה במקום מסוים, כשלוקחים בחשבון את כל המערכת, כולל הסביבה, תמיד יש עלייה באנטרופיה. בדוגמה אחרת, גבישים עשויים להיווצר מתמיסת מלח כאשר המים מתאדים. גבישים מסודרים יותר ממולקולות מלח בתמיסה; עם זאת, מים שהתאדו הם הרבה יותר מסודרים ממים נוזליים. התהליך כולו מביא לעלייה נטו באי סדר.
עבודה ואנרגיה
החוק השני מסביר שאי אפשר להמיר אנרגיה תרמית לאנרגיה מכנית ביעילות של 100 אחוז. ניתן לתת דוגמה עםבמכונית. לאחר תהליך חימום הגז כדי להגביר את הלחץ שלו להנעת הבוכנה, תמיד נשאר בגז קצת חום שלא ניתן להשתמש בו לביצוע עבודה נוספת. יש להשליך את פסולת החום הזה על ידי העברתו לרדיאטור. במקרה של מנוע של מכונית, הדבר נעשה על ידי מיצוי תערובת הדלק והאוויר המושקע לאטמוספירה.
בנוסף, כל מכשיר עם חלקים נעים יוצר חיכוך הממיר אנרגיה מכנית לחום, שבדרך כלל אינו שמיש ויש להוציאו מהמערכת על ידי העברתו לרדיאטור. כאשר גוף חם וגוף קר נמצאים במגע זה עם זה, תזרום אנרגיה תרמית מהגוף החם לגוף הקר עד שיגיעו לשיווי משקל תרמי. עם זאת, החום לעולם לא יחזור לכיוון השני; הפרש הטמפרטורה בין שני גופים לעולם לא יגדל באופן ספונטני. העברת חום מגוף קר לגוף חם דורשת עבודה על ידי מקור אנרגיה חיצוני כגון משאבת חום.
גורל היקום
החוק השני גם מנבא את סוף היקום. זוהי הרמה האולטימטיבית של אי-סדר, אם יש שיווי משקל תרמי קבוע בכל מקום, לא ניתן לעשות עבודה וכל האנרגיה תיגמר כתנועה אקראית של אטומים ומולקולות. לפי נתונים מודרניים, המטגלקסיה היא מערכת לא נייחת מתרחבת, ואי אפשר לדבר על מוות בחום של היקום. מוות בחוםהוא מצב של שיווי משקל תרמי שבו כל התהליכים נעצרים.
עמדה זו שגויה, מכיוון שהחוק השני של התרמודינמיקה חל רק על מערכות סגורות. והיקום, כידוע, הוא בלתי מוגבל. עם זאת, עצם המונח "מוות בחום של היקום" משמש לעתים כדי להתייחס לתרחיש להתפתחות העתידית של היקום, לפיו הוא ימשיך להתרחב עד אינסוף אל תוך חשכת החלל עד שיהפוך לאבק קר מפוזר..
