Nishati huzalishwa vipi, inabadilishwa vipi kutoka fomu moja hadi nyingine, na nini hutokea kwa nishati katika mfumo funge? Maswali haya yote yanaweza kujibiwa na sheria za thermodynamics. Sheria ya pili ya thermodynamics itajadiliwa kwa undani zaidi leo.
Sheria katika maisha ya kila siku
Sheria hutawala maisha ya kila siku. Sheria za barabarani zinasema lazima usimame kwenye alama za kusimama. Serikali inadai kutoa sehemu ya mishahara yao kwa serikali na serikali ya shirikisho. Hata zile za kisayansi zinatumika kwa maisha ya kila siku. Kwa mfano, sheria ya uvutano inatabiri matokeo mabaya kwa wale wanaojaribu kuruka. Seti nyingine ya sheria za kisayansi zinazoathiri maisha ya kila siku ni sheria za thermodynamics. Kwa hivyo hii hapa ni baadhi ya mifano kuona jinsi inavyoathiri maisha ya kila siku.
Sheria ya Kwanza ya Thermodynamics
Sheria ya kwanza ya thermodynamics inasema kwamba nishati haiwezi kuundwa au kuharibiwa, lakini inaweza kubadilishwa kutoka fomu moja hadi nyingine. Hii pia wakati mwingine inajulikana kama sheria ya uhifadhi wa nishati. Hivyo ni jinsi ganiinatumika kwa maisha ya kila siku? Naam, chukua, kwa mfano, kompyuta unayotumia sasa. Inalisha nishati, lakini nishati hii inatoka wapi? Sheria ya kwanza ya thermodynamics inatuambia kuwa nishati hii haikuweza kutoka angani, kwa hivyo ilitoka mahali fulani.
Unaweza kufuatilia nishati hii. Kompyuta inaendeshwa na umeme, lakini umeme unatoka wapi? Hiyo ni kweli, kutoka kwa kituo cha nguvu au kituo cha umeme wa maji. Ikiwa tutazingatia ya pili, basi itahusishwa na bwawa ambalo linashikilia mto. Mto huo una uhusiano na nishati ya kinetic, ambayo ina maana kwamba mto unapita. Bwawa hubadilisha nishati hii ya kinetiki kuwa nishati inayoweza kutokea.
Je, mtambo wa kufua umeme unafanya kazi vipi? Maji hutumiwa kugeuza turbine. Wakati turbine inapozunguka, jenereta imewekwa katika mwendo, ambayo itaunda umeme. Umeme huu unaweza kuendeshwa kabisa katika nyaya kutoka kwa kituo cha kuzalisha umeme hadi nyumbani kwako ili unapochomeka kebo ya umeme kwenye sehemu ya umeme, umeme uingie kwenye kompyuta yako ili iweze kufanya kazi.
Ni nini kimetokea hapa? Tayari kulikuwa na kiasi fulani cha nishati ambacho kilihusishwa na maji katika mto kama nishati ya kinetic. Kisha ikageuka kuwa nishati inayowezekana. Kisha bwawa lilichukua nishati hiyo inayoweza kutokea na kuigeuza kuwa umeme, ambao ungeweza kuingia nyumbani kwako na kuwasha kompyuta yako.
Sheria ya Pili ya Thermodynamics
Kwa kusoma sheria hii, mtu anaweza kuelewa jinsi nishati inavyofanya kazi na kwa nini kila kitu kinaelekeamachafuko na machafuko yanayowezekana. Sheria ya pili ya thermodynamics pia inaitwa sheria ya entropy. Je, umewahi kujiuliza jinsi ulimwengu ulivyotokea? Kwa mujibu wa Nadharia ya Big Bang, kabla ya kila kitu kuzaliwa, kiasi kikubwa cha nishati kilikusanyika pamoja. Ulimwengu ulionekana baada ya Big Bang. Yote hii ni nzuri, lakini ni nishati ya aina gani? Mwanzoni mwa wakati, nishati zote katika ulimwengu ziliwekwa katika sehemu moja ndogo. Mkusanyiko huu mkali uliwakilisha kiasi kikubwa cha kile kinachoitwa nishati inayowezekana. Baada ya muda, ilienea katika anga kubwa la ulimwengu wetu.
Kwa kiwango kidogo zaidi, hifadhi ya maji inayoshikiliwa na bwawa ina uwezo wa nishati, kwa kuwa eneo lake huruhusu kutiririka kupitia bwawa hilo. Katika kila kesi, nishati iliyohifadhiwa, mara moja iliyotolewa, inaenea na hufanya hivyo bila jitihada yoyote kufanywa. Kwa maneno mengine, kutolewa kwa nishati inayowezekana ni mchakato wa hiari ambao hufanyika bila hitaji la rasilimali za ziada. Nishati inaposambazwa, baadhi yake hubadilishwa kuwa nishati muhimu na hufanya kazi fulani. Zingine hubadilishwa kuwa zisizoweza kutumika, zinazoitwa kwa urahisi joto.
Ulimwengu unapoendelea kupanuka, una nishati kidogo inayoweza kutumika. Ikiwa manufaa kidogo inapatikana, kazi ndogo inaweza kufanywa. Kwa kuwa maji yanapita kwenye bwawa, pia yana nishati isiyofaa sana. Kupungua huku kwa nishati inayoweza kutumika kwa wakati kunaitwa entropy, ambapo entropy ikokiasi cha nishati isiyotumika katika mfumo, na mfumo ni mkusanyiko tu wa vitu vinavyounda kizima.
Entropy pia inaweza kurejelewa kama kiasi cha bahati nasibu au machafuko katika shirika bila shirika. Kadiri nishati inayoweza kutumika inavyopungua kadiri muda unavyopita, upotovu na machafuko huongezeka. Kwa hivyo, nishati inayoweza kukusanywa inapotolewa, sio yote haya yanabadilishwa kuwa nishati muhimu. Mifumo yote hupitia ongezeko hili la entropy baada ya muda. Hili ni muhimu sana kuelewa na jambo hili linaitwa sheria ya pili ya thermodynamics.
Entropy: nafasi au kasoro
Kama unavyoweza kukisia, sheria ya pili inafuata ya kwanza, inayojulikana kwa kawaida kama sheria ya uhifadhi wa nishati, na inasema kuwa nishati haiwezi kuundwa na haiwezi kuharibiwa. Kwa maneno mengine, kiasi cha nishati katika ulimwengu au mfumo wowote ni mara kwa mara. Sheria ya pili ya thermodynamics inajulikana kama sheria ya entropy, na inashikilia kwamba kadiri muda unavyopita, nishati inakuwa chini ya manufaa na ubora wake unapungua kwa muda. Entropy ni kiwango cha kubahatisha au kasoro ambazo mfumo unao. Ikiwa mfumo umeharibika sana, basi ina entropy kubwa. Ikiwa kuna hitilafu nyingi kwenye mfumo, basi entropy iko chini.
Kwa maneno rahisi, sheria ya pili ya thermodynamics inasema kwamba entropy ya mfumo haiwezi kupungua kwa muda. Hii ina maana kwamba katika asili mambo hutoka katika hali ya utaratibu hadi hali ya machafuko. Na haiwezi kutenduliwa. Mfumo kamweitakuwa na utaratibu zaidi peke yake. Kwa maneno mengine, kwa asili, entropy ya mfumo huongezeka kila wakati. Njia moja ya kufikiria ni nyumba yako. Ikiwa hautawahi kusafisha na kuifuta, basi hivi karibuni utakuwa na fujo mbaya. Entropy imeongezeka! Ili kuipunguza, ni muhimu kutumia nishati kutumia kifyonza na mop kusafisha uso wa vumbi. Nyumba haitajisafisha yenyewe.
Sheria ya pili ya thermodynamics ni ipi? Uundaji kwa maneno rahisi unasema kwamba wakati nishati inabadilika kutoka kwa fomu moja hadi nyingine, jambo ama huenda kwa uhuru, au entropy (matatizo) katika mfumo wa kufungwa huongezeka. Tofauti za halijoto, shinikizo, na msongamano huwa na viwango vya kushuka kwa mlalo baada ya muda. Kutokana na mvuto, msongamano na shinikizo havilingani kwa wima. Msongamano na shinikizo chini itakuwa kubwa zaidi kuliko juu. Entropy ni kipimo cha kuenea kwa jambo na nishati popote inapoweza kufikia. Uundaji wa kawaida wa sheria ya pili ya thermodynamics huhusishwa hasa na Rudolf Clausius, ambaye alisema:
Haiwezekani kutengeneza kifaa kisichotoa athari nyingine isipokuwa uhamishaji wa joto kutoka kwa mwili wenye halijoto ya chini kwenda kwa mwili wenye halijoto ya juu zaidi.
Kwa maneno mengine, kila kitu hujaribu kudumisha halijoto sawa baada ya muda. Kuna uundaji mwingi wa sheria ya pili ya thermodynamics ambayo hutumia maneno tofauti, lakini yote yanamaanisha kitu kimoja. Taarifa nyingine ya Clausius:
Joto lenyewe siokutoka kwenye baridi hadi kwenye mwili wa joto zaidi.
Sheria ya pili inatumika kwa mifumo mikubwa pekee. Inahusu tabia inayowezekana ya mfumo ambao hakuna nishati au jambo. Kadiri mfumo unavyokuwa mkubwa, ndivyo uwezekano wa sheria ya pili unavyoongezeka.
Neno lingine la sheria:
Jumla ya entropy kila mara huongezeka katika mchakato wa moja kwa moja.
Ongezeko la entropy ΔS wakati wa mchakato lazima lizidi au liwe sawa na uwiano wa kiasi cha joto Q kinachohamishwa kwenye mfumo hadi halijoto T ambapo joto huhamishiwa. Mfumo wa sheria ya pili ya thermodynamics:
Mfumo wa Thermodynamic
Kwa maana ya jumla, uundaji wa sheria ya pili ya thermodynamics kwa maneno rahisi husema kwamba tofauti za joto kati ya mifumo inayowasiliana na kila mmoja huwa na usawa na kwamba kazi inaweza kupatikana kutokana na tofauti hizi zisizo za usawa. Lakini katika kesi hii, kuna hasara ya nishati ya joto, na ongezeko la entropy. Tofauti za shinikizo, msongamano, na halijoto katika mfumo uliotengwa huwa na usawa ikipewa fursa; wiani na shinikizo, lakini si joto, hutegemea mvuto. Injini ya kuongeza joto ni kifaa cha mitambo ambacho hutoa kazi muhimu kutokana na tofauti ya halijoto kati ya miili miwili.
Mfumo wa halijoto ni ule unaotangamana na kubadilishana nishati na eneo linalouzunguka. Kubadilishana na kuhamisha lazima kutokea kwa angalau njia mbili. Njia moja inapaswa kuwa uhamishaji wa joto. Ikiwa amfumo wa thermodynamic "iko katika usawa", haiwezi kubadilisha hali yake au hali bila kuingiliana na mazingira. Kwa ufupi, ikiwa uko katika usawa, wewe ni "mfumo wa furaha", hakuna kitu unachoweza kufanya. Ikiwa unataka kufanya jambo, lazima utangamane na ulimwengu wa nje.
Sheria ya pili ya thermodynamics: kutoweza kutenduliwa kwa michakato
Haiwezekani kuwa na mchakato wa mzunguko (unaorudiwa) ambao hubadilisha joto kabisa kuwa kazi. Pia haiwezekani kuwa na mchakato wa kuhamisha joto kutoka kwa vitu baridi hadi vitu vya joto bila kutumia kazi. Nishati fulani katika majibu hupotea kila wakati kwa joto. Pia, mfumo hauwezi kubadilisha nishati yake yote kuwa nishati ya kazi. Sehemu ya pili ya sheria ni dhahiri zaidi.
Mwili baridi hauwezi kupasha mwili joto. Joto kawaida hutiririka kutoka maeneo yenye joto hadi baridi. Joto likitoka kwenye hali ya ubaridi hadi joto zaidi ni kinyume na kile ambacho ni "asili" kwa hivyo mfumo lazima ufanye kazi fulani ili kutendeka. Kutoweza kubadilika kwa michakato katika asili ni sheria ya pili ya thermodynamics. Hii labda ni maarufu zaidi (angalau kati ya wanasayansi) na sheria muhimu ya sayansi yote. Moja ya uundaji wake:
Entropy ya Ulimwengu huwa ya juu zaidi.
Kwa maneno mengine, entropy ama inakaa sawa au inakuwa kubwa zaidi, entropy ya Ulimwengu haiwezi kupungua. Tatizo ni kwamba siku zotehaki. Ukichukua chupa ya manukato na kuinyunyiza kwenye chumba, basi hivi karibuni atomi zenye harufu nzuri zitajaza nafasi nzima, na mchakato huu hauwezi kutenduliwa.
Mahusiano katika thermodynamics
Sheria za thermodynamics zinaelezea uhusiano kati ya nishati ya joto au joto na aina nyingine za nishati, na jinsi nishati huathiri mata. Sheria ya kwanza ya thermodynamics inasema kwamba nishati haiwezi kuundwa au kuharibiwa; jumla ya kiasi cha nishati katika ulimwengu bado haijabadilika. Sheria ya pili ya thermodynamics ni juu ya ubora wa nishati. Inasema kwamba nishati inapohamishwa au kubadilishwa, nishati zaidi na zaidi inayoweza kutumika inapotea. Sheria ya pili pia inaeleza kuwa kuna tabia ya asili kwa mfumo wowote uliojitenga kuharibika zaidi.
Hata agizo linapoongezeka mahali fulani, unapozingatia mfumo mzima, pamoja na mazingira, kunakuwa na ongezeko la entropy. Katika mfano mwingine, fuwele zinaweza kuunda kutoka kwa suluhisho la chumvi wakati maji yanavukizwa. Fuwele zimeagizwa zaidi kuliko molekuli za chumvi katika suluhisho; hata hivyo, maji ya uvukizi ni zaidi ya kuharibika kuliko maji kioevu. Mchakato unaochukuliwa kwa ujumla husababisha kuongezeka kwa machafuko.
Kazi na nguvu
Sheria ya pili inaeleza kuwa haiwezekani kubadilisha nishati ya joto kuwa nishati ya kimakenika kwa ufanisi wa asilimia 100. Mfano unaweza kutolewa nakwa gari. Baada ya mchakato wa kupokanzwa gesi ili kuongeza shinikizo lake la kuendesha pistoni, daima kuna joto la kushoto katika gesi ambayo haiwezi kutumika kufanya kazi yoyote ya ziada. Joto hili la taka lazima litupwe kwa kuhamisha kwa radiator. Kwa upande wa injini ya gari, hili hufanywa kwa kutoa mchanganyiko wa mafuta na hewa iliyotumika kwenye angahewa.
Aidha, kifaa chochote kilicho na sehemu zinazosogea hutengeneza msuguano unaobadilisha nishati ya mitambo kuwa joto, ambayo kwa kawaida haiwezi kutumika na lazima iondolewe kwenye mfumo kwa kuihamishia kwenye kidhibiti radiator. Wakati mwili wa moto na mwili wa baridi unawasiliana, nishati ya joto itatoka kwenye mwili wa moto hadi kwenye mwili wa baridi hadi kufikia usawa wa joto. Hata hivyo, joto halitarudi kwa njia nyingine; tofauti ya joto kati ya miili miwili haitaongezeka kamwe kwa hiari. Kuhamisha joto kutoka kwa mwili baridi hadi kwenye mwili moto kunahitaji kazi kufanywa na chanzo cha nje cha nishati kama vile pampu ya joto.
Hatma ya Ulimwengu
Sheria ya pili pia inatabiri mwisho wa ulimwengu. Hiki ndicho kiwango cha mwisho cha machafuko, ikiwa kuna usawa wa mafuta kila mahali, hakuna kazi inayoweza kufanywa na nishati yote itaishia kama mwendo wa nasibu wa atomi na molekuli. Kulingana na data ya kisasa, Metagalaxy ni mfumo wa kupanua usio wa stationary, na hawezi kuwa na mazungumzo ya kifo cha joto cha Ulimwengu. kifo cha jotoni hali ya usawa wa joto ambapo michakato yote huacha.
Nafasi hii ina makosa, kwa kuwa sheria ya pili ya thermodynamics inatumika tu kwa mifumo iliyofungwa. Na ulimwengu, kama unavyojua, hauna kikomo. Walakini, neno lenyewe "kifo cha joto cha Ulimwengu" wakati mwingine hutumiwa kurejelea hali ya maendeleo ya ulimwengu yajayo, kulingana na ambayo itaendelea kupanuka hadi kutokuwa na mwisho ndani ya giza la anga hadi igeuke kuwa vumbi baridi lililotawanyika..
