Ինչպե՞ս է առաջանում էներգիան, ինչպե՞ս է այն փոխակերպվում մի ձևից մյուսը և ի՞նչ է տեղի ունենում էներգիայի հետ փակ համակարգում: Այս բոլոր հարցերին կարելի է պատասխանել թերմոդինամիկայի օրենքներով։ Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը այսօր ավելի մանրամասն կքննարկվի։
Օրենքներ առօրյա կյանքում
Օրենքները կարգավորում են առօրյա կյանքը: Ճանապարհային օրենքներն ասում են, որ դուք պետք է կանգ առեք կանգառի նշանների մոտ: Կառավարությունը պահանջում է իրենց աշխատավարձի մի մասը տալ նահանգին և դաշնային կառավարությանը։ Նույնիսկ գիտականները կիրառելի են առօրյա կյանքում։ Օրինակ, ձգողության օրենքը կանխատեսում է բավականին վատ արդյունք նրանց համար, ովքեր փորձում են թռչել: Գիտական օրենքների մեկ այլ խումբ, որոնք ազդում են առօրյա կյանքի վրա, թերմոդինամիկայի օրենքներն են: Այսպիսով, ահա մի քանի օրինակ՝ տեսնելու, թե ինչպես են դրանք ազդում առօրյա կյանքի վրա:
Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը
Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը ասում է, որ էներգիան չի կարող ստեղծվել կամ ոչնչացվել, բայց այն կարող է փոխակերպվել մի ձևից մյուսը: Սա երբեմն կոչվում է նաև էներգիայի պահպանման օրենք: Այսպիսով, ինչպես է դավերաբերում է առօրյա կյանքին? Դե, վերցրեք, օրինակ, համակարգիչը, որն այժմ օգտագործում եք։ Այն սնվում է էներգիայով, բայց որտեղի՞ց է գալիս այդ էներգիան: Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը մեզ ասում է, որ այս էներգիան չի կարող օդից գալ, ուստի այն եկել է ինչ-որ տեղից:
Դուք կարող եք հետևել այս էներգիային: Համակարգիչը սնուցվում է էլեկտրականությամբ, բայց որտեղի՞ց է գալիս հոսանքը: Ճիշտ է, էլեկտրակայանից կամ հիդրոէլեկտրակայանից։ Եթե դիտարկենք երկրորդը, ապա այն կապվելու է գետը հետ պահող ամբարտակի հետ։ Գետը կապ ունի կինետիկ էներգիայի հետ, ինչը նշանակում է, որ գետը հոսում է։ Պատնեշը այս կինետիկ էներգիան փոխակերպում է պոտենցիալ էներգիայի։
Ինչպե՞ս է աշխատում հիդրոէլեկտրակայանը: Ջուրն օգտագործվում է տուրբինի պտտման համար։ Երբ տուրբինը պտտվում է, շարժման մեջ է դրվում գեներատոր, որը էլեկտրաէներգիա կստեղծի։ Այս էլեկտրաէներգիան կարող է ամբողջությամբ փոխանցվել էլեկտրակայանից ձեր տուն լարերով, այնպես որ, երբ հոսանքի լարը միացնում եք էլեկտրական վարդակից, էլեկտրականությունը մտնում է ձեր համակարգիչը, որպեսզի այն կարողանա աշխատել:
Ինչ է տեղի ունեցել այստեղ: Արդեն կար էներգիայի որոշակի քանակ, որը կապված էր գետի ջրի հետ՝ որպես կինետիկ էներգիա։ Հետո այն վերածվեց պոտենցիալ էներգիայի։ Ապա ամբարտակը վերցրեց այդ պոտենցիալ էներգիան և վերածեց այն էլեկտրականության, որն այնուհետև կարող էր մտնել ձեր տուն և սնուցել ձեր համակարգիչը:
Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը
Ուսումնասիրելով այս օրենքը՝ կարելի է հասկանալ, թե ինչպես է աշխատում էներգիան և ինչու է ամեն ինչ շարժվում դեպիհնարավոր քաոս և անկարգություն. Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը կոչվում է նաև էնտրոպիայի օրենք։ Երբևէ մտածե՞լ եք, թե ինչպես է առաջացել տիեզերքը: Համաձայն Մեծ պայթյունի տեսության՝ ամեն ինչի ծնվելուց առաջ հսկայական էներգիա է հավաքվել։ Տիեզերքը հայտնվել է Մեծ պայթյունից հետո։ Այս ամենը լավ է, բայց ի՞նչ էներգիա էր դա։ Ժամանակի սկզբում տիեզերքի ողջ էներգիան պարունակվում էր մեկ համեմատաբար փոքր վայրում: Այս ինտենսիվ կոնցենտրացիան ներկայացնում էր պոտենցիալ էներգիայի հսկայական քանակություն: Ժամանակի ընթացքում այն տարածվեց մեր տիեզերքի հսկայական տարածության վրա:
Շատ ավելի փոքր մասշտաբով ամբարտակի մոտ պահվող ջրի ջրամբարը պարունակում է պոտենցիալ էներգիա, քանի որ դրա գտնվելու վայրը թույլ է տալիս այն հոսել պատնեշի միջով: Յուրաքանչյուր դեպքում կուտակված էներգիան, ազատվելուց հետո, տարածվում է և դա անում է առանց որևէ ջանք գործադրելու: Այլ կերպ ասած, պոտենցիալ էներգիայի արտազատումը ինքնաբուխ գործընթաց է, որը տեղի է ունենում առանց լրացուցիչ ռեսուրսների անհրաժեշտության: Երբ էներգիան բաշխվում է, դրա մի մասը վերածվում է օգտակար էներգիայի և կատարում որոշակի աշխատանք։ Մնացածը վերածվում է անօգտագործելիի՝ պարզապես ջերմության:
Տիեզերքը շարունակում է ընդարձակվել, այն ավելի ու ավելի քիչ օգտագործելի էներգիա է պարունակում: Եթե քիչ օգտակար է, ապա ավելի քիչ աշխատանք կարելի է անել: Քանի որ ջուրը հոսում է պատնեշով, այն նաև պարունակում է ավելի քիչ օգտակար էներգիա։ Ժամանակի ընթացքում օգտագործելի էներգիայի այս նվազումը կոչվում է էնտրոպիա, որտեղ էնտրոպիան էհամակարգում չօգտագործված էներգիայի քանակությունը, և համակարգը պարզապես օբյեկտների հավաքածու է, որոնք կազմում են ամբողջը:
Էնտրոպիան կարելի է անվանել նաև որպես պատահականության կամ քաոսի քանակություն առանց կազմակերպությունում: Քանի որ օգտագործելի էներգիան ժամանակի ընթացքում նվազում է, անկազմակերպությունն ու քաոսը մեծանում են: Այսպիսով, երբ կուտակված պոտենցիալ էներգիան ազատվում է, այս ամենը չի վերածվում օգտակար էներգիայի: Բոլոր համակարգերը ժամանակի ընթացքում զգում են էնտրոպիայի այս աճը: Սա շատ կարևոր է հասկանալ, և այս երևույթը կոչվում է թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենք:
Էնտրոպիա. շանս կամ թերություն
Ինչպես կարող եք կռահել, երկրորդ օրենքը հետևում է առաջինին, որը սովորաբար կոչվում է էներգիայի պահպանման օրենք, և ասում է, որ էներգիան չի կարող ստեղծվել և չի կարող ոչնչացվել: Այսինքն՝ տիեզերքում կամ ցանկացած համակարգում էներգիայի քանակը հաստատուն է։ Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը սովորաբար կոչվում է էնտրոպիայի օրենք, և այն պնդում է, որ ժամանակի ընթացքում էներգիան դառնում է ավելի քիչ օգտակար, և դրա որակը նվազում է ժամանակի ընթացքում: Էնտրոպիան պատահականության կամ թերությունների աստիճանն է, որն ունի համակարգը: Եթե համակարգը շատ անկարգ է, ապա այն ունի մեծ էնտրոպիա։ Եթե համակարգում շատ անսարքություններ կան, ապա էնտրոպիան ցածր է։
Պարզ բառերով, թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը ասում է, որ համակարգի էնտրոպիան չի կարող նվազել ժամանակի ընթացքում: Սա նշանակում է, որ բնության մեջ ամեն ինչ կարգուկանոնից անցնում է անկարգության։ Եվ դա անշրջելի է: Համակարգը երբեքինքնին ավելի կարգուկանոն կդառնա: Այսինքն՝ բնության մեջ համակարգի էնտրոպիան միշտ մեծանում է։ Դրա մասին մտածելու ձևերից մեկը ձեր տունն է: Եթե դուք երբեք չեք մաքրում և փոշեկուլով մաքրում այն, ապա շուտով ձեզ սարսափելի խառնաշփոթ է սպասվում: Էնտրոպիան մեծացել է։ Այն նվազեցնելու համար անհրաժեշտ է էներգիա օգտագործել փոշեկուլի և շվաբր օգտագործելու համար՝ մակերեսը փոշուց մաքրելու համար։ Տունն ինքն իրեն չի մաքրվի։
Ո՞րն է թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը: Պարզ բառերով ձևակերպումն ասում է, որ երբ էներգիան փոխվում է մի ձևից մյուսը, նյութը կա՛մ շարժվում է ազատ, կա՛մ էնտրոպիան (անկարգությունը) փակ համակարգում մեծանում է: Ջերմաստիճանի, ճնշման և խտության տարբերությունները ժամանակի ընթացքում հակված են հորիզոնական մակարդակի վրա: Ձգողության պատճառով խտությունը և ճնշումը ուղղահայաց չեն հավասարվում: Ներքևում խտությունը և ճնշումը ավելի մեծ կլինեն, քան վերևում: Էնտրոպիան նյութի և էներգիայի տարածման չափանիշ է, որտեղ էլ որ այն հասանելի լինի: Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի ամենատարածված ձևակերպումը հիմնականում կապված է Ռուդոլֆ Կլաուզիուսի հետ, ով ասում էր.
Անհնար է կառուցել այնպիսի սարք, որն այլ ազդեցություն չի թողնում, քան ջերմության փոխանցումը ավելի ցածր ջերմաստիճան ունեցող մարմնից դեպի ավելի բարձր ջերմաստիճան ունեցող մարմին:
Այսինքն՝ ամեն ինչ փորձում է ժամանակի ընթացքում պահպանել նույն ջերմաստիճանը։ Կան թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի բազմաթիվ ձևակերպումներ, որոնք օգտագործում են տարբեր տերմիններ, բայց դրանք բոլորը նույն բանն են նշանակում: Կլաուզիուսի մեկ այլ հայտարարություն.
Ջերմությունն ինքնին չէսառը մարմնից գնալով ավելի տաք մարմնի։
Երկրորդ օրենքը վերաբերում է միայն խոշոր համակարգերին: Դա վերաբերում է համակարգի հավանական վարքագծին, որտեղ չկա էներգիա կամ նյութ: Որքան մեծ է համակարգը, այնքան ավելի հավանական է երկրորդ օրենքը:
Օրենքի մեկ այլ ձևակերպում.
Ընդհանուր էնտրոպիան միշտ աճում է ինքնաբուխ գործընթացում:
Գործընթացի ընթացքում ΔS էնտրոպիայի աճը պետք է գերազանցի կամ հավասար լինի համակարգին փոխանցվող Q ջերմության քանակի և T ջերմաստիճանի հարաբերությանը, որով փոխանցվում է ջերմությունը։ Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի բանաձևը՝
Ջերմոդինամիկական համակարգ
Ընդհանուր իմաստով, թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի ձևակերպումը պարզ բառերով ասում է, որ միմյանց հետ շփվող համակարգերի միջև ջերմաստիճանի տարբերությունները հակված են հավասարվելու, և որ աշխատանքը կարող է ստացվել այս ոչ հավասարակշռված տարբերություններից: Բայց այս դեպքում տեղի է ունենում ջերմային էներգիայի կորուստ, իսկ էնտրոպիան մեծանում է։ Մեկուսացված համակարգում ճնշման, խտության և ջերմաստիճանի տարբերությունները հակված են հավասարվելու, եթե հնարավորություն տրվի. խտությունը և ճնշումը, բայց ոչ ջերմաստիճանը, կախված են գրավիտացիայից: Ջերմային շարժիչը մեխանիկական սարք է, որն օգտակար աշխատանք է ապահովում երկու մարմինների միջև ջերմաստիճանի տարբերության պատճառով:
Ջերմոդինամիկական համակարգն այն համակարգն է, որը փոխազդում և էներգիա է փոխանակում իր շրջակա տարածքի հետ: Փոխանակումը և փոխանցումը պետք է տեղի ունենան առնվազն երկու եղանակով. Ճանապարհներից մեկը պետք է լինի ջերմության փոխանցումը: Եթեթերմոդինամիկական համակարգը «հավասարակշռության մեջ է», այն չի կարող փոխել իր վիճակը կամ կարգավիճակը՝ առանց շրջակա միջավայրի հետ փոխազդելու։ Պարզ ասած, եթե հավասարակշռության մեջ ես, դու «երջանիկ համակարգ» ես, ոչինչ չես կարող անել։ Եթե ցանկանում եք ինչ-որ բան անել, պետք է փոխազդեք արտաքին աշխարհի հետ:
Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը. գործընթացների անշրջելիությունը
Անհնար է ունենալ ցիկլային (կրկնվող) գործընթաց, որն ամբողջությամբ վերածում է ջերմությունը աշխատանքի: Անհնար է նաև ունենալ այնպիսի պրոցես, որը սառը առարկաներից ջերմությունը տեղափոխում է տաք առարկաներ՝ առանց աշխատանքի: Ռեակցիայի որոշ էներգիա միշտ կորչում է ջերմության պատճառով: Բացի այդ, համակարգը չի կարող իր ողջ էներգիան վերածել աշխատանքային էներգիայի: Օրենքի երկրորդ մասն ավելի ակնհայտ է..
Սառը մարմինը չի կարող տաքացնել տաք մարմինը: Ջերմությունը, բնականաբար, հակված է հոսել ավելի տաք տարածքներից ավելի սառը տարածքներ: Եթե ջերմությունը սառչողից դառնում է ավելի տաք, դա հակասում է «բնականին», ուստի համակարգը պետք է որոշակի աշխատանք կատարի դա իրականացնելու համար: Բնության մեջ պրոցեսների անշրջելիությունը թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքն է։ Սա թերեւս ամենահայտնի (գոնե գիտնականների շրջանում) և ամենակարևոր օրենքն է ողջ գիտության մեջ։ Նրա ձեւակերպումներից մեկը՝
Տիեզերքի էնտրոպիան ձգտում է առավելագույնին:
Այլ կերպ ասած, էնտրոպիան կա՛մ մնում է նույնը, կա՛մ մեծանում, Տիեզերքի էնտրոպիան երբեք չի կարող նվազել: Խնդիրն այն է, որ դա միշտ էճիշտ. Եթե դուք վերցնեք օծանելիքի շիշը և ցողեք այն սենյակում, ապա շուտով բուրավետ ատոմները կլցնեն ամբողջ տարածությունը, և այս գործընթացը անշրջելի է։
Հարաբերությունները թերմոդինամիկայի մեջ
Թերմոդինամիկայի օրենքները նկարագրում են ջերմային էներգիայի կամ ջերմության և էներգիայի այլ ձևերի միջև կապը և ինչպես է էներգիան ազդում նյութի վրա: Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը ասում է, որ էներգիան չի կարող ստեղծվել կամ ոչնչացվել. Տիեզերքում էներգիայի ընդհանուր քանակը մնում է անփոփոխ: Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը էներգիայի որակի մասին է։ Այն նշում է, որ էներգիայի փոխանցման կամ փոխակերպման հետ մեկտեղ ավելի ու ավելի շատ օգտագործելի էներգիա է կորչում: Երկրորդ օրենքը նաև նշում է, որ ցանկացած մեկուսացված համակարգի ավելի անկարգության բնական միտում կա:
Նույնիսկ երբ որոշակի վայրում կարգը մեծանում է, երբ հաշվի ես առնում ամբողջ համակարգը, ներառյալ շրջակա միջավայրը, միշտ էնտրոպիայի աճ է նկատվում։ Մեկ այլ օրինակում բյուրեղները կարող են առաջանալ աղի լուծույթից, երբ ջուրը գոլորշիացվում է: Բյուրեղները լուծույթում ավելի դասավորված են, քան աղի մոլեկուլները. սակայն, գոլորշիացված ջուրը շատ ավելի անկարգ է, քան հեղուկ ջուրը: Գործընթացը, որպես ամբողջություն, հանգեցնում է անկարգությունների զուտ աճի:
Աշխատանք և էներգիա
Երկրորդ օրենքը բացատրում է, որ անհնար է ջերմային էներգիան մեխանիկական էներգիայի վերածել 100 տոկոս արդյունավետությամբ։ Դրա հետ կարելի է օրինակ բերելավտոմեքենայով. Գազը տաքացնելու գործընթացից հետո մխոցը մղելու համար նրա ճնշումը բարձրացնելու համար գազի մեջ միշտ մնում է որոշակի ջերմություն, որը չի կարող օգտագործվել որևէ լրացուցիչ աշխատանք կատարելու համար: Այս թափոնային ջերմությունը պետք է հեռացվի՝ տեղափոխելով այն ռադիատորի մեջ: Մեքենայի շարժիչի դեպքում դա արվում է ծախսված վառելիքի և օդի խառնուրդը մթնոլորտ արտազատելով։
Բացի այդ, շարժվող մասերով ցանկացած սարք ստեղծում է շփում, որը մեխանիկական էներգիան վերածում է ջերմության, որը սովորաբար անօգտագործելի է և պետք է հեռացվի համակարգից՝ այն փոխանցելով ռադիատորին: Երբ տաք մարմինը և սառը մարմինը շփվում են միմյանց հետ, ջերմային էներգիան տաք մարմնից կհոսի դեպի սառը մարմին, մինչև նրանք հասնեն ջերմային հավասարակշռության: Այնուամենայնիվ, ջերմությունը երբեք այլ կերպ չի վերադառնա. Երկու մարմինների միջև ջերմաստիճանի տարբերությունը երբեք ինքնաբերաբար չի աճի: Ջերմությունը սառը մարմնից տաք մարմին տեղափոխելու համար անհրաժեշտ է աշխատանք կատարել էներգիայի արտաքին աղբյուրի միջոցով, ինչպիսին է ջերմային պոմպը:
Տիեզերքի ճակատագիրը
Երկրորդ օրենքը նույնպես կանխատեսում է տիեզերքի վերջը: Սա խանգարման վերջնական մակարդակն է, եթե ամենուր մշտական ջերմային հավասարակշռություն լինի, ոչ մի աշխատանք չի կարող կատարվել, և ամբողջ էներգիան կավարտվի որպես ատոմների և մոլեկուլների պատահական շարժում: Ժամանակակից տվյալների համաձայն՝ Մետագալակտիան ընդլայնվող ոչ ստացիոնար համակարգ է, և Տիեզերքի ջերմային մահվան մասին խոսք լինել չի կարող։ ջերմային մահջերմային հավասարակշռության վիճակ է, որի դեպքում դադարում են բոլոր գործընթացները։
Այս դիրքորոշումը սխալ է, քանի որ թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը վերաբերում է միայն փակ համակարգերին: Իսկ տիեզերքը, ինչպես գիտեք, անսահման է: Այնուամենայնիվ, հենց «Տիեզերքի ջերմային մահ» տերմինը երբեմն օգտագործվում է Տիեզերքի ապագա զարգացման սցենարը մատնանշելու համար, ըստ որի այն կշարունակի ընդարձակվել անսահմանության մեջ՝ դեպի տարածության խավար, մինչև այն վերածվի ցրված սառը փոշու։.
