Com es genera l'energia, com es converteix d'una forma a una altra i què passa amb l'energia en un sistema tancat? Totes aquestes preguntes es poden respondre mitjançant les lleis de la termodinàmica. La segona llei de la termodinàmica es parlarà amb més detall avui.
Lleis a la vida quotidiana
Les lleis regeixen la vida quotidiana. Les lleis de carreteres diuen que cal aturar-se als senyals de stop. El govern exigeix donar part del seu sou a l'estat i al govern federal. Fins i tot els científics són aplicables a la vida quotidiana. Per exemple, la llei de la gravetat prediu un resultat bastant pobre per a aquells que intenten volar. Un altre conjunt de lleis científiques que afecten la vida quotidiana són les lleis de la termodinàmica. Així que aquí teniu alguns exemples per veure com afecten la vida diària.
La primera llei de la termodinàmica
La primera llei de la termodinàmica estableix que l'energia no es pot crear ni destruir, sinó que es pot transformar d'una forma a una altra. Això també es coneix de vegades com la llei de conservació de l'energia. Així que com éss'aplica a la vida quotidiana? Bé, prengui, per exemple, l'ordinador que utilitzeu ara. S'alimenta d'energia, però d'on ve aquesta energia? La primera llei de la termodinàmica ens diu que aquesta energia no podia provenir de l'aire, de manera que venia d'algun lloc.
Podeu rastrejar aquesta energia. L'ordinador funciona amb electricitat, però d'on prové l'electricitat? Així és, d'una central elèctrica o central hidroelèctrica. Si considerem el segon, s'associarà a una presa que frena el riu. El riu té una connexió amb l'energia cinètica, el que significa que el riu està corrent. La presa converteix aquesta energia cinètica en energia potencial.
Com funciona una central hidroelèctrica? L'aigua s'utilitza per fer girar la turbina. Quan la turbina gira, es posa en marxa un generador que generarà electricitat. Aquesta electricitat es pot fer servir completament per cables des de la central elèctrica fins a casa, de manera que quan connecteu el cable d'alimentació a una presa de corrent, l'electricitat entri a l'ordinador perquè pugui funcionar.
Què va passar aquí? Ja hi havia una certa quantitat d'energia que s'associava amb l'aigua del riu com a energia cinètica. Després es va convertir en energia potencial. Aleshores, la presa va agafar aquesta energia potencial i la va convertir en electricitat, que podria entrar a casa teva i alimentar el teu ordinador.
La segona llei de la termodinàmica
Estudiant aquesta llei, es pot entendre com funciona l'energia i per què tot avança cappossible caos i desordre. La segona llei de la termodinàmica també s'anomena llei de l'entropia. T'has preguntat mai com va néixer l'univers? Segons la teoria del Big Bang, abans que tot naixés, es va reunir una gran quantitat d'energia. L'Univers va aparèixer després del Big Bang. Tot això és bo, però quin tipus d'energia era? Al principi dels temps, tota l'energia de l'univers estava continguda en un lloc relativament petit. Aquesta concentració intensa representava una quantitat enorme del que s'anomena energia potencial. Amb el temps, es va estendre per la gran extensió del nostre univers.
A una escala molt més petita, el dipòsit d'aigua que té la presa conté energia potencial, ja que la seva ubicació li permet fluir a través de la presa. En cada cas, l'energia emmagatzemada, un cop alliberada, s'escampa i ho fa sense cap esforç. En altres paraules, l'alliberament d'energia potencial és un procés espontani que es produeix sense necessitat de recursos addicionals. A mesura que es distribueix l'energia, una part es converteix en energia útil i realitza una mica de treball. La resta es converteix en inutilitzable, simplement anomenada calor.
A mesura que l'univers continua expandint-se, conté cada cop menys energia utilitzable. Si hi ha menys útil disponible, es pot fer menys feina. Com que l'aigua travessa la presa, també conté menys energia útil. Aquesta disminució de l'energia utilitzable al llarg del temps s'anomena entropia, on és entropiala quantitat d'energia no utilitzada al sistema, i el sistema és només una col·lecció d'objectes que formen el conjunt.
L'entropia també es pot dir com la quantitat d'aleatorietat o caos en una organització sense organització. A mesura que l'energia utilitzable disminueix amb el temps, augmenta la desorganització i el caos. Així, a mesura que s'allibera l'energia potencial acumulada, no tot això es converteix en energia útil. Tots els sistemes experimenten aquest augment d'entropia al llarg del temps. Això és molt important d'entendre i aquest fenomen s'anomena segona llei de la termodinàmica.
Entropia: atzar o defecte
Com haureu endevinat, la segona llei segueix la primera, comunament coneguda com la llei de conservació de l'energia, i afirma que l'energia no es pot crear ni es pot destruir. En altres paraules, la quantitat d'energia a l'univers o qualsevol sistema és constant. La segona llei de la termodinàmica es coneix comunament com la llei de l'entropia, i sosté que a mesura que passa el temps, l'energia es torna menys útil i la seva qualitat disminueix amb el temps. L'entropia és el grau d'aleatorietat o defectes que té un sistema. Si el sistema està molt desordenat, llavors té una gran entropia. Si hi ha moltes fallades al sistema, aleshores l'entropia és baixa.
En termes simples, la segona llei de la termodinàmica estableix que l'entropia d'un sistema no pot disminuir amb el temps. Això vol dir que a la natura les coses passen d'un estat d'ordre a un estat de desordre. I és irreversible. El sistema maiserà més ordenat per si sol. En altres paraules, a la natura, l'entropia d'un sistema sempre augmenta. Una manera de pensar-ho és casa teva. Si mai el netegeu i l'aspireu, aviat tindreu un desastre terrible. L'entropia ha augmentat! Per reduir-lo, cal utilitzar energia per fer servir una aspiradora i una fregona per netejar la superfície de pols. La casa no es netejarà sola.
Quina és la segona llei de la termodinàmica? La formulació en paraules senzilles diu que quan l'energia canvia d'una forma a una altra, la matèria o bé es mou lliurement o augmenta l'entropia (desordre) en un sistema tancat. Les diferències de temperatura, pressió i densitat tendeixen a regular-se horitzontalment amb el temps. A causa de la gravetat, la densitat i la pressió no s'igualen verticalment. La densitat i la pressió a la part inferior seran més grans que a la part superior. L'entropia és una mesura de la propagació de la matèria i l'energia allà on tingui accés. La formulació més comuna de la segona llei de la termodinàmica s'associa principalment amb Rudolf Clausius, que va dir:
És impossible construir un dispositiu que no produeixi un altre efecte que la transferència de calor d'un cos amb una temperatura més baixa a un cos amb una temperatura més alta.
En altres paraules, tot intenta mantenir la mateixa temperatura al llarg del temps. Hi ha moltes formulacions de la segona llei de la termodinàmica que utilitzen termes diferents, però totes signifiquen el mateix. Una altra afirmació de Clausius:
La calor en si no ho éspassar d'un cos fred a un cos més calent.
La segona llei només s'aplica als sistemes grans. Es refereix al comportament probable d'un sistema en el qual no hi ha energia ni matèria. Com més gran és el sistema, més probable és la segona llei.
Una altra redacció de la llei:
L'entropia total sempre augmenta en un procés espontani.
L'augment de l'entropia ΔS durant el procés ha de superar o ser igual a la relació entre la quantitat de calor Q transferida al sistema i la temperatura T a la qual es transfereix la calor. Fórmula de la segona llei de la termodinàmica:
Sistema termodinàmic
En un sentit general, la formulació de la segona llei de la termodinàmica en termes simples estableix que les diferències de temperatura entre sistemes en contacte entre ells tendeixen a igualar-se i que es pot obtenir treball a partir d'aquestes diferències de no equilibri. Però en aquest cas, hi ha una pèrdua d'energia tèrmica, i l'entropia augmenta. Les diferències de pressió, densitat i temperatura en un sistema aïllat tendeixen a igualar-se si se'n tenen l'oportunitat; la densitat i la pressió, però no la temperatura, depenen de la gravetat. Un motor tèrmic és un dispositiu mecànic que proporciona un treball útil a causa de la diferència de temperatura entre dos cossos.
Un sistema termodinàmic és aquell que interactua i intercanvia energia amb l'àrea que l'envolta. L'intercanvi i la transferència s'han de produir com a mínim de dues maneres. Una forma hauria de ser la transferència de calor. Si ael sistema termodinàmic "està en equilibri", no pot canviar el seu estat o estat sense interactuar amb l'entorn. En poques paraules, si estàs en equilibri, ets un "sistema feliç", no pots fer res. Si vols fer alguna cosa, has d'interactuar amb el món exterior.
La segona llei de la termodinàmica: la irreversibilitat dels processos
És impossible tenir un procés cíclic (repetitiu) que converteixi completament la calor en treball. També és impossible tenir un procés que transfereixi calor d'objectes freds a objectes calents sense utilitzar treball. Una mica d'energia en una reacció sempre es perd a la calor. A més, el sistema no pot convertir tota la seva energia en energia de treball. La segona part de la llei és més evident.
Un cos fred no pot escalfar un cos calent. La calor tendeix a fluir naturalment de les zones més càlides a les més fresques. Si la calor passa de més fred a més càlid, és contrari al que és "natural", de manera que el sistema ha de treballar per fer-ho realitat. La irreversibilitat dels processos a la natura és la segona llei de la termodinàmica. Aquesta és potser la llei més famosa (almenys entre els científics) i important de tota la ciència. Una de les seves formulacions:
L'entropia de l'Univers tendeix al màxim.
En altres paraules, l'entropia es manté o es fa més gran, l'entropia de l'Univers mai pot disminuir. El problema és que sempre és aixídret. Si agafes una ampolla de perfum i la ruixes a una habitació, aviat els àtoms fragants ompliran tot l'espai i aquest procés és irreversible.
Relacions en termodinàmica
Les lleis de la termodinàmica descriuen la relació entre l'energia tèrmica o la calor i altres formes d'energia, i com l'energia afecta la matèria. La primera llei de la termodinàmica estableix que l'energia no es pot crear ni destruir; la quantitat total d'energia de l'univers es manté in alterada. La segona llei de la termodinàmica és sobre la qualitat de l'energia. Afirma que a mesura que es transfereix o es converteix l'energia, es perd cada cop més energia utilitzable. La segona llei també estableix que hi ha una tendència natural que qualsevol sistema aïllat es torni més desordenat.
Fins i tot quan l'ordre augmenta en un lloc determinat, quan es té en compte tot el sistema, inclòs l'entorn, sempre hi ha un augment de l'entropia. En un altre exemple, es poden formar cristalls a partir d'una solució de sal quan s'evapora l'aigua. Els cristalls estan més ordenats que les molècules de sal en solució; tanmateix, l'aigua evaporada està molt més desordenada que l'aigua líquida. El procés considerat com un tot provoca un augment net del trastorn.
Treball i energia
La segona llei explica que és impossible convertir l'energia tèrmica en energia mecànica amb una eficiència del 100%. Es pot posar un exemple amben cotxe. Després del procés d'escalfament del gas per augmentar la seva pressió per impulsar el pistó, sempre queda una mica de calor al gas que no es pot utilitzar per realitzar cap treball addicional. Aquesta calor residual s'ha de rebutjar transferint-la a un radiador. En el cas d'un motor d'automòbil, això es fa extraient el combustible gastat i la barreja d'aire a l'atmosfera.
A més, qualsevol dispositiu amb peces mòbils crea una fricció que converteix l'energia mecànica en calor, que normalment és inutilitzable i s'ha d'eliminar del sistema transferint-la a un radiador. Quan un cos calent i un cos fred estan en contacte l'un amb l' altre, l'energia tèrmica fluirà del cos calent al cos fred fins que arribin a l'equilibri tèrmic. Tanmateix, la calor no tornarà mai a l' altra banda; la diferència de temperatura entre dos cossos mai augmentarà espontàniament. Per moure la calor d'un cos fred a un cos calent, cal que treballi una font d'energia externa, com ara una bomba de calor.
El destí de l'univers
La segona llei també prediu la fi de l'univers. Aquest és l'últim nivell de desordre, si hi ha un equilibri tèrmic constant a tot arreu, no es pot fer cap treball i tota l'energia acabarà com el moviment aleatori d'àtoms i molècules. Segons dades modernes, la Metagalàxia és un sistema no estacionari en expansió, i no es pot parlar de la mort per calor de l'Univers. mort per calorés un estat d'equilibri tèrmic en què tots els processos s'aturen.
Aquesta posició és errònia, ja que la segona llei de la termodinàmica s'aplica només als sistemes tancats. I l'univers, com sabeu, és il·limitat. Tanmateix, el mateix terme "mort per calor de l'Univers" s'utilitza de vegades per referir-se a un escenari per al desenvolupament futur de l'Univers, segons el qual continuarà expandint-se fins a l'infinit a la foscor de l'espai fins que es converteixi en pols freda dispersa..
