Hoe wordt energie opgewekt, hoe wordt het van de ene vorm in de andere omgezet en wat gebeurt er met energie in een gesloten systeem? Al deze vragen kunnen worden beantwoord door de wetten van de thermodynamica. De tweede wet van de thermodynamica zal vandaag in meer detail worden besproken.
Wetten in het dagelijks leven
Wetten beheersen het dagelijks leven. Wegenwetten zeggen dat je moet stoppen bij stopborden. De regering eist een deel van hun salaris af te staan aan de staat en de federale overheid. Zelfs wetenschappelijke zijn van toepassing op het dagelijks leven. De wet van de zwaartekracht voorspelt bijvoorbeeld een nogal slechte uitkomst voor degenen die proberen te vliegen. Een andere reeks wetenschappelijke wetten die het dagelijks leven beïnvloeden, zijn de wetten van de thermodynamica. Dus hier zijn enkele voorbeelden om te zien hoe ze het dagelijks leven beïnvloeden.
De eerste wet van de thermodynamica
De eerste wet van de thermodynamica stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd, maar wel van de ene vorm in de andere kan worden omgezet. Dit wordt ook wel de wet van behoud van energie genoemd. Dus hoe is hetvan toepassing op het dagelijks leven? Welnu, neem bijvoorbeeld de computer die u nu gebruikt. Het voedt zich met energie, maar waar komt deze energie vandaan? De eerste wet van de thermodynamica vertelt ons dat deze energie niet uit de lucht kan komen, dus het kwam ergens vandaan.
Je kunt deze energie traceren. De computer wordt aangedreven door elektriciteit, maar waar komt de elektriciteit vandaan? Dat klopt, van een elektriciteitscentrale of waterkrachtcentrale. Als we het tweede beschouwen, wordt het geassocieerd met een dam die de rivier tegenhoudt. De rivier heeft een verbinding met kinetische energie, wat betekent dat de rivier stroomt. De dam zet deze kinetische energie om in potentiële energie.
Hoe werkt een waterkrachtcentrale? Water wordt gebruikt om de turbine te laten draaien. Wanneer de turbine draait, wordt een generator in beweging gezet, die elektriciteit opwekt. Deze elektriciteit kan volledig in draden van de energiecentrale naar uw huis worden geleid, zodat wanneer u het netsnoer in een stopcontact steekt, de elektriciteit uw computer binnenkomt zodat deze kan werken.
Wat is hier gebeurd? Er was al een bepaalde hoeveelheid energie die werd geassocieerd met het water in de rivier als kinetische energie. Toen veranderde het in potentiële energie. De dam nam vervolgens die potentiële energie en zette het om in elektriciteit, die vervolgens je huis binnen kon komen en je computer van stroom kon voorzien.
De tweede wet van de thermodynamica
Door deze wet te bestuderen, kan men begrijpen hoe energie werkt en waarom alles in de richting gaat vanmogelijke chaos en wanorde. De tweede wet van de thermodynamica wordt ook wel de wet van entropie genoemd. Heb je je ooit afgevraagd hoe het universum is ontstaan? Volgens de oerkn altheorie verzamelde zich voordat alles was geboren een enorme hoeveelheid energie. Het heelal verscheen na de oerknal. Dit is allemaal goed, maar wat voor soort energie was het? In het begin der tijden bevond alle energie in het universum zich op één relatief kleine plaats. Deze intense concentratie vertegenwoordigde een enorme hoeveelheid van wat potentiële energie wordt genoemd. Na verloop van tijd verspreidde het zich over de enorme uitgestrektheid van ons universum.
Op een veel kleinere schaal bevat het waterreservoir dat door de dam wordt vastgehouden potentiële energie, omdat het door zijn ligging door de dam kan stromen. In elk geval verspreidt de opgeslagen energie, eenmaal vrijgekomen, zich zonder enige inspanning. Met andere woorden, het vrijkomen van potentiële energie is een spontaan proces dat plaatsvindt zonder dat er extra middelen nodig zijn. Terwijl energie wordt gedistribueerd, wordt een deel ervan omgezet in bruikbare energie en verricht het wat werk. De rest wordt omgezet in onbruikbaar, kortweg warmte genoemd.
Terwijl het heelal blijft uitdijen, bevat het steeds minder bruikbare energie. Als er minder bruikbaar is, kan er minder werk worden gedaan. Doordat het water door de dam stroomt, bevat het ook minder bruikbare energie. Deze afname van bruikbare energie in de loop van de tijd wordt entropie genoemd, waarbij entropie isde hoeveelheid ongebruikte energie in het systeem, en het systeem is slechts een verzameling objecten die het geheel vormen.
Entropie kan ook worden aangeduid als de hoeveelheid willekeur of chaos in een organisatie zonder organisatie. Naarmate de bruikbare energie in de loop van de tijd afneemt, nemen desorganisatie en chaos toe. Dus als de geaccumuleerde potentiële energie vrijkomt, wordt dit niet allemaal omgezet in bruikbare energie. Alle systemen ervaren deze toename in entropie in de tijd. Dit is erg belangrijk om te begrijpen en dit fenomeen wordt de tweede wet van de thermodynamica genoemd.
Entropie: kans of defect
Zoals je misschien al geraden had, volgt de tweede wet de eerste, gewoonlijk de wet van behoud van energie genoemd, en stelt dat energie niet kan worden gecreëerd en niet kan worden vernietigd. Met andere woorden, de hoeveelheid energie in het universum of een willekeurig systeem is constant. De tweede wet van de thermodynamica wordt gewoonlijk de wet van entropie genoemd en stelt dat naarmate de tijd verstrijkt, energie minder nuttig wordt en de kwaliteit ervan in de loop van de tijd afneemt. Entropie is de mate van willekeur of defecten die een systeem heeft. Als het systeem erg ongeordend is, heeft het een grote entropie. Als er veel fouten in het systeem zijn, is de entropie laag.
In eenvoudige bewoordingen stelt de tweede wet van de thermodynamica dat de entropie van een systeem in de loop van de tijd niet kan afnemen. Dit betekent dat in de natuur dingen van een staat van orde naar een staat van wanorde gaan. En het is onomkeerbaar. Het systeem nooitzal vanzelf ordelijker worden. Met andere woorden, in de natuur neemt de entropie van een systeem altijd toe. Een manier om erover na te denken is je huis. Als je het nooit schoonmaakt en stofzuigt, krijg je al snel een vreselijke puinhoop. Entropie is toegenomen! Om het te verminderen, is het noodzakelijk om energie te gebruiken om een stofzuiger en een dweil te gebruiken om het oppervlak van stof te reinigen. Het huis maakt zichzelf niet schoon.
Wat is de tweede wet van de thermodynamica? De formulering zegt in eenvoudige bewoordingen dat wanneer energie van de ene vorm in de andere verandert, materie ofwel vrij beweegt, ofwel de entropie (stoornis) in een gesloten systeem toeneemt. Verschillen in temperatuur, druk en dichtheid hebben de neiging om in de loop van de tijd horizontaal af te vlakken. Door de zwaartekracht zijn dichtheid en druk verticaal niet gelijk. De dichtheid en druk aan de onderkant zal groter zijn dan aan de bovenkant. Entropie is een maat voor de verspreiding van materie en energie overal waar het toegang heeft. De meest voorkomende formulering van de tweede wet van de thermodynamica wordt voornamelijk geassocieerd met Rudolf Clausius, die zei:
Het is onmogelijk om een apparaat te bouwen dat geen ander effect heeft dan de overdracht van warmte van een lichaam met een lagere temperatuur naar een lichaam met een hogere temperatuur.
Met andere woorden, alles probeert in de loop van de tijd dezelfde temperatuur te behouden. Er zijn veel formuleringen van de tweede wet van de thermodynamica die verschillende termen gebruiken, maar ze betekenen allemaal hetzelfde. Nog een Clausius-verklaring:
Warmte zelf is dat nietvan een koud naar een heter lichaam gaan.
De tweede wet is alleen van toepassing op grote systemen. Het betreft het waarschijnlijke gedrag van een systeem waarin geen energie of materie is. Hoe groter het systeem, hoe waarschijnlijker de tweede wet is.
Een andere formulering van de wet:
Totale entropie neemt altijd toe in een spontaan proces.
De toename in entropie ΔS tijdens het proces moet groter zijn dan of gelijk zijn aan de verhouding van de hoeveelheid warmte Q die aan het systeem wordt overgedragen tot de temperatuur T waarbij warmte wordt overgedragen. Formule van de tweede wet van de thermodynamica:
Thermodynamisch systeem
In algemene zin stelt de formulering van de tweede wet van de thermodynamica in eenvoudige bewoordingen dat temperatuurverschillen tussen systemen die met elkaar in contact staan de neiging hebben om gelijk te worden en dat werk kan worden verkregen uit deze niet-evenwichtsverschillen. Maar in dit geval is er een verlies aan thermische energie en neemt de entropie toe. Verschillen in druk, dichtheid en temperatuur in een geïsoleerd systeem hebben de neiging om gelijk te worden als ze de kans krijgen; dichtheid en druk, maar niet de temperatuur, zijn afhankelijk van de zwaartekracht. Een warmtemotor is een mechanisch apparaat dat nuttig werk levert vanwege het temperatuurverschil tussen twee lichamen.
Een thermodynamisch systeem is een systeem dat interageert en energie uitwisselt met het gebied eromheen. Uitwisseling en overdracht moeten op minimaal twee manieren plaatsvinden. Een manier zou warmteoverdracht moeten zijn. Als eenhet thermodynamische systeem "is in evenwicht", het kan zijn staat of status niet veranderen zonder interactie met de omgeving. Simpel gezegd, als je in balans bent, ben je een "gelukkig systeem", daar kun je niets aan doen. Als je iets wilt doen, moet je contact hebben met de buitenwereld.
De tweede wet van de thermodynamica: de onomkeerbaarheid van processen
Het is onmogelijk om een cyclisch (herhalend) proces te hebben dat warmte volledig omzet in arbeid. Het is ook onmogelijk om een proces te hebben dat warmte van koude objecten naar warme objecten overdraagt zonder arbeid te gebruiken. Bij een reactie gaat altijd wat energie verloren aan warmte. Ook kan het systeem niet al zijn energie omzetten in werkenergie. Het tweede deel van de wet ligt meer voor de hand.
Een koud lichaam kan een warm lichaam niet verwarmen. Warmte heeft van nature de neiging om van warmere naar koelere gebieden te stromen. Als warmte van koeler naar warmer gaat, is dat in strijd met wat "natuurlijk" is, dus het systeem moet wat werk doen om het te laten gebeuren. De onomkeerbaarheid van processen in de natuur is de tweede wet van de thermodynamica. Dit is misschien wel de meest bekende (althans onder wetenschappers) en belangrijke wet van alle wetenschap. Een van zijn formuleringen:
De entropie van het heelal neigt naar het maximum.
Met andere woorden, entropie blijft ofwel hetzelfde of wordt groter, de entropie van het heelal kan nooit afnemen. Het probleem is dat het altijd isRechtsaf. Als je een fles parfum neemt en deze in een kamer spuit, dan zullen de geurige atomen al snel de hele ruimte vullen, en dit proces is onomkeerbaar.
Relaties in de thermodynamica
De wetten van de thermodynamica beschrijven de relatie tussen thermische energie of warmte en andere vormen van energie, en hoe energie de materie beïnvloedt. De eerste wet van de thermodynamica stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd; de totale hoeveelheid energie in het heelal blijft onveranderd. De tweede wet van de thermodynamica gaat over de kwaliteit van energie. Het stelt dat naarmate energie wordt overgedragen of omgezet, er steeds meer bruikbare energie verloren gaat. De tweede wet stelt ook dat er een natuurlijke neiging is voor elk geïsoleerd systeem om meer wanordelijk te worden.
Zelfs als de orde op een bepaalde plaats toeneemt, als je rekening houdt met het hele systeem, inclusief de omgeving, is er altijd een toename in entropie. In een ander voorbeeld kunnen zich kristallen vormen uit een zoutoplossing wanneer water wordt verdampt. Kristallen zijn meer geordend dan zoutmoleculen in oplossing; verdampt water is echter veel meer ongeordend dan vloeibaar water. Het proces als geheel resulteert in een netto toename van wanorde.
Werk en energie
De tweede wet legt uit dat het onmogelijk is om thermische energie om te zetten in mechanische energie met 100 procent efficiëntie. Een voorbeeld kan worden gegeven metmet de auto. Na het proces van verwarming van het gas om de druk te verhogen om de zuiger aan te drijven, blijft er altijd wat warmte in het gas achter die niet kan worden gebruikt om extra werk uit te voeren. Deze restwarmte moet worden afgevoerd door deze over te brengen naar een radiator. In het geval van een automotor wordt dit gedaan door het mengsel van verbruikte brandstof en lucht in de atmosfeer te extraheren.
Bovendien creëert elk apparaat met bewegende delen wrijving die mechanische energie omzet in warmte, wat meestal onbruikbaar is en uit het systeem moet worden verwijderd door het over te brengen naar een radiator. Wanneer een heet lichaam en een koud lichaam met elkaar in contact zijn, zal thermische energie van het hete lichaam naar het koude lichaam stromen totdat ze thermisch evenwicht bereiken. De warmte zal echter nooit de andere kant op terugkeren; het temperatuurverschil tussen twee lichamen zal nooit spontaan toenemen. Om warmte van een koud lichaam naar een heet lichaam te verplaatsen, moet een externe energiebron, zoals een warmtepomp, werk doen.
Het lot van het heelal
De tweede wet voorspelt ook het einde van het universum. Dit is het ultieme niveau van wanorde, als er overal constant thermisch evenwicht is, kan er geen werk worden gedaan en zal alle energie eindigen als de willekeurige beweging van atomen en moleculen. Volgens moderne gegevens is de Metagalaxy een uitdijend niet-stationair systeem en kan er geen sprake zijn van de hittedood van het heelal. hitte doodis een toestand van thermisch evenwicht waarbij alle processen stoppen.
Dit standpunt is onjuist, aangezien de tweede wet van de thermodynamica alleen van toepassing is op gesloten systemen. En het universum is, zoals je weet, grenzeloos. De term 'hittedood van het heelal' wordt echter soms gebruikt om te verwijzen naar een scenario voor de toekomstige ontwikkeling van het heelal, volgens welke het tot in het oneindige zal blijven uitdijen in de duisternis van de ruimte totdat het verandert in verstrooid koud stof.
