Об этом нам говорит второй закон термодинамики.

Что говорит нам второй закон термодинамики?

Об этом нам говорит второй закон термодинамики.

Термодинамика занимается изучением тепла и энергии. В его основе лежат законы, описывающие ход энергии в системе, будь то атом, ураган или черная дыра.

Первый закон термодинамики описывает, как энергия не может быть выполнена или разрушена, она может быть только перенесена из одной формы в иную. С другой стороны, второй закон термодинамики, возможно, лучше известен и даже глубже, так как он описывает пределы действия Вселенной.

Этот закон говорит о неэффективности, вырождении и упадке. Это говорит нам про то, что все, что мы делаем, по собственной природе неэкономно и что во Вселенной происходят необратимые процессы. Он указывает нам направление времени и говорит про то, что наша Галактика имеет неописуемо мрачную и безлюдную судьбу..

Не обращая внимания на эти несколько разрушительные идеи, идеи термодинамики сформировались во время величайшего технологического оптимизма — в эру промышленной революции. В середине 19 столетия физики и инженеры построили паровые машины для механизации труда и транспорта и задумались, как их сделать более сильными и продуктивными..

Многие ученые и инженеры, также Рудольф Классиус, Джеймс Джоуль и лорд Кельвин, внесли свою лепту в развитие термодинамики, но отцом этой дисциплины был французский физик Сади Карно. В первой половине 20-ых годов XIX века он опубликовал «Обзор движущей силы тепла» (Reflexions sur la puissance motrice du feu), работу, в которой изложил ключевые принципы, к которым он пришёл, наблюдая ход энергии внутри мотора и связь между потреблением тепла и полезной энергетикой. работай.

Второй закон термодинамики можно объяснить несколькими вариантами, и Самый аскетический из них заключается в том, что тепло по настоящему переходит от более тёплого тела к намного холодному. В основе этого лежит свойство термодинамики, называемое энтропией — в уравнениях на рисунке его обозначение — «S» — мера количества беспорядка в системе.

Это можно показать несколькими вариантами, к примеру, разместив молекулы — водяные молекулы в кубике льда находятся в намного высоком порядке, чем после их нагрева в газе. Водяные молекулы в кубике льда находятся внутри четко определенной решётки, тогда как в газе они плавают непредсказуемо. Подобным образом, энтропия кубика льда меньше энтропии газа. Точно также энтропия тарелки выше, когда она находится на полу кусками, чем когда она находится в раковине полностью..

Более формальное определение энтропии в случае движения тепла внутри системы дается в первом уравнении. Бесконечно небольшое изменение энтропии системы (dS) было рассчитано путем измерения количества тепла, которое поступает в замкнутую систему (?Q), которое потом было поделено на общую температуру (T) в точке, где случилась передача тепла..

Второе уравнение — это способ описания второго начала термодинамики в отношении к энтропии. Формула говорит, что энтропия изолированной природной системы всегда имеет тенденцию оставаться неизменной или увеличиваться — иначе говоря энергия во Вселенной понемногу двигается к беспорядку. Наше первое описание второго закона вытекает из данного уравнения: тепло не может неожиданно течь от холодного объекта (невысокая энтропия) к тёплому объекту (высокая энтропия) в замкнутой системе, так как это нарушило бы уравнение. (Холодильники, кажется, нарушают данное правило, так как они могут замораживать вещи до намного более невысоких температур, чем окружающий их воздух. Но холодильники не нарушают второй закон термодинамики, так как они не изолированные системы — есть у них постоянный поток электричества, который качает тепло внутри. если бы он был отключен от источника питания, он по настоящему вернулся бы к тепловому равновесию с пространством.)

Эта формула указывает направление времени; тогда как любой иной знаменитый нам физический закон будет одинаковым независимо от того, идет ли время вперед или назад, это ошибочно для второго закона термодинамики. Кастрюля с бурлящей водой навряд ли когда-либо превратится в кубик льда, как бы долго вы ни стояли на источнике тепла. Неисправная пластина никогда не соберётся по новому, потому как это уменьшит энтропию системы, нарушив другой закон термодинамики. Карно подчеркнул, что некоторые процессы необратимы..

Карно изучал паровые машины, которые работают на сгорании топлива, чтобы подогреть цилиндр, который содержит пар, который потом становится шире и сжимает поршень, который потом делает что-то полезное. Часть энергии, извлеченной из топлива, делает что-то полезное, что именуется работой, а остальная часть теряется (и хаотично), которую мы называем теплом. Карно показал, что теоретический самый большой КПД паровой машины можно предсказать, померяв температурную разницу пара внутри цилиндра и воздуха около него, который в термодинамике именуется горячим и холодным резервуарами системы..

Тепловые двигатели работают, так как тепло по настоящему переходит из тёплых мест в холодные. Если бы не было холодного бака, к которому можно было бы двигаться, не было бы потока тепла и мотор не работал бы. Ни один тепловой мотор не может быть успешным на 100 процентов, так как в холодном резервуаре всегда выше безусловного нуля..

По этой причине наиболее разработанные двигатели греют пар (либо другой газ) до максимально предполагаемой температуры, а потом выпускают отработанные газы при минимально предполагаемой температуре. Современные паровые двигатели могут достигать КПД до 60%, а двигатели работающие на дизельном топливе в автомобилях имеют КПД около 50%. Двигатели на бензине внутреннего сгорания тратят гораздо выше энергии из топлива.

Неэффективность считается частью любой системы, использующей энергию, и ее можно описать термодинамически. Эта потеря энергии значит, что общий кавардак во Вселенной — ее энтропия — на протяжении какого-то времени будет становиться больше, но в определенный момент достигнет предела. В данный момент в невообразимо далеком будущем энергия Вселенной будет одинаково распределена и будет бесполезна для всех макроскопических целей. Космологи называют это «тепловой смертью» Вселенной, неизбежным следствием безудержного марша энтропии..

По материалам Источник

Похожие записи