كيف يتم توليد الطاقة ، وكيف يتم تحويلها من شكل إلى آخر ، وماذا يحدث للطاقة في نظام مغلق؟ يمكن الإجابة على كل هذه الأسئلة بقوانين الديناميكا الحرارية. سيتم مناقشة القانون الثاني للديناميكا الحرارية بمزيد من التفصيل اليوم.
قوانين في الحياة اليومية
قوانين تحكم الحياة اليومية. تنص قوانين الطرق على التوقف عند لافتات التوقف. تطالب الحكومة بمنح جزء من رواتبهم للدولة والحكومة الفيدرالية. حتى تلك العلمية قابلة للتطبيق في الحياة اليومية. على سبيل المثال ، يتنبأ قانون الجاذبية بنتيجة سيئة إلى حد ما لأولئك الذين يحاولون الطيران. مجموعة أخرى من القوانين العلمية التي تؤثر على الحياة اليومية هي قوانين الديناميكا الحرارية. لذا فهذه بعض الأمثلة لنرى كيف تؤثر على الحياة اليومية.
القانون الأول للديناميكا الحرارية
ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أنه لا يمكن إنشاء أو تدمير الطاقة ، ولكن يمكن تحويلها من شكل إلى آخر. يشار إلى هذا أيضًا أحيانًا باسم قانون الحفاظ على الطاقة. اذا كيف كانتينطبق على الحياة اليومية؟ حسنًا ، خذ ، على سبيل المثال ، الكمبيوتر الذي تستخدمه الآن. إنها تتغذى على الطاقة ، ولكن من أين تأتي هذه الطاقة؟ يخبرنا القانون الأول للديناميكا الحرارية أن هذه الطاقة لا يمكن أن تأتي من الهواء ، لذا فهي تأتي من مكان ما.
يمكنك تتبع هذه الطاقة. يعمل الكمبيوتر بالكهرباء ، ولكن من أين تأتي الكهرباء؟ هذا صحيح ، من محطة طاقة أو محطة طاقة كهرومائية. إذا أخذنا في الاعتبار الثاني ، فسيتم ربطه بسد يعيق النهر. يرتبط النهر بالطاقة الحركية ، مما يعني أن النهر يجري. يحول السد هذه الطاقة الحركية إلى طاقة كامنة.
كيف تعمل محطة الطاقة الكهرومائية؟ يستخدم الماء لتشغيل التوربين. عندما يدور التوربين ، يتم تشغيل المولد ، مما ينتج عنه كهرباء. يمكن تشغيل هذه الكهرباء بالكامل في الأسلاك من محطة توليد الكهرباء إلى منزلك بحيث عندما تقوم بتوصيل سلك الطاقة بمأخذ كهربائي ، تدخل الكهرباء إلى جهاز الكمبيوتر الخاص بك حتى يتمكن من العمل.
ماذا حدث هنا؟ كانت هناك بالفعل كمية معينة من الطاقة مرتبطة بالمياه في النهر كطاقة حركية. ثم تحولت إلى طاقة كامنة. ثم أخذ السد تلك الطاقة الكامنة وحوّلها إلى كهرباء ، والتي يمكن أن تدخل منزلك بعد ذلك وتعمل على تشغيل جهاز الكمبيوتر الخاص بك.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية
من خلال دراسة هذا القانون ، يمكن للمرء أن يفهم كيف تعمل الطاقة ولماذا يتحرك كل شيء نحوهالفوضى والفوضى المحتملة. يسمى القانون الثاني للديناميكا الحرارية أيضًا قانون الانتروبيا. هل تساءلت يومًا كيف نشأ الكون؟ وفقًا لنظرية الانفجار العظيم ، قبل ولادة كل شيء ، تجمعت كمية هائلة من الطاقة معًا. ظهر الكون بعد الانفجار العظيم. كل هذا جيد ، لكن أي نوع من الطاقة كانت؟ في بداية الزمن ، كانت كل الطاقة الموجودة في الكون محتواة في مكان واحد صغير نسبيًا. يمثل هذا التركيز المكثف كمية هائلة مما يسمى الطاقة الكامنة. بمرور الوقت ، انتشر في جميع أنحاء الامتداد الشاسع لكوننا.
على نطاق أصغر بكثير ، يحتوي خزان المياه الذي يحتفظ به السد على طاقة كامنة ، لأن موقعه يسمح لها بالتدفق عبر السد. في كل حالة ، تنتشر الطاقة المخزنة بمجرد إطلاقها وتفعل ذلك دون بذل أي جهد. بمعنى آخر ، فإن إطلاق الطاقة الكامنة هو عملية عفوية تحدث دون الحاجة إلى موارد إضافية. عندما يتم توزيع الطاقة ، يتم تحويل بعضها إلى طاقة مفيدة ويقوم ببعض الأعمال. يتم تحويل الباقي إلى غير صالح للاستعمال ، ويطلق عليه ببساطة الحرارة.
مع استمرار الكون في التوسع ، يحتوي على طاقة أقل وأقل قابلية للاستخدام. إذا كان هناك فائدة أقل ، يمكن إنجاز عمل أقل. نظرًا لأن المياه تتدفق عبر السد ، فإنها تحتوي أيضًا على طاقة أقل فائدة. يسمى هذا النقص في الطاقة القابلة للاستخدام بمرور الوقت بالانتروبيا ، حيث يوجد الانتروبياكمية الطاقة غير المستخدمة في النظام ، والنظام هو مجرد مجموعة من الأشياء التي تشكل الكل.
يمكن أيضًا الإشارة إلى Entropy على أنها مقدار العشوائية أو الفوضى في منظمة بدون منظمة. مع انخفاض الطاقة القابلة للاستخدام بمرور الوقت ، يزداد الفوضى والفوضى. وهكذا ، عندما يتم إطلاق الطاقة الكامنة المتراكمة ، لا يتم تحويل كل هذا إلى طاقة مفيدة. تواجه جميع الأنظمة هذه الزيادة في الانتروبيا بمرور الوقت. هذا مهم جدا لفهمه وهذه الظاهرة تسمى القانون الثاني للديناميكا الحرارية.
إنتروبيا: فرصة أم عيب
كما قد تكون خمنت ، يتبع القانون الثاني القانون الأول ، الذي يشار إليه عمومًا باسم قانون الحفاظ على الطاقة ، وينص على أنه لا يمكن إنشاء الطاقة ولا يمكن تدميرها. بمعنى آخر ، كمية الطاقة في الكون أو أي نظام ثابتة. يشار إلى القانون الثاني للديناميكا الحرارية باسم قانون الانتروبيا ، وهو يرى أنه مع مرور الوقت ، تصبح الطاقة أقل فائدة وتتناقص جودتها بمرور الوقت. الانتروبيا هي درجة العشوائية أو العيوب الموجودة في النظام. إذا كان النظام مضطربًا للغاية ، فسيكون لديه إنتروبيا كبيرة. إذا كان هناك العديد من الأخطاء في النظام ، فإن الإنتروبيا تكون منخفضة.
بعبارات بسيطة ، ينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن إنتروبيا النظام لا يمكن أن تنخفض بمرور الوقت. هذا يعني أن الأشياء في الطبيعة تنتقل من حالة النظام إلى حالة الفوضى. ولا رجوع فيه. النظام أبداسيصبح أكثر تنظيما من تلقاء نفسه. بعبارة أخرى ، في الطبيعة ، تزداد إنتروبيا النظام دائمًا. طريقة واحدة للتفكير في الأمر هو منزلك. إذا لم تقم بتنظيفه وتنظيفه بالمكنسة الكهربائية ، فسرعان ما ستواجه فوضى رهيبة. زاد الانتروبيا! لتقليلها ، من الضروري استخدام الطاقة لاستخدام مكنسة كهربائية وممسحة لتنظيف سطح الغبار. البيت لن ينظف نفسه
ما هو القانون الثاني للديناميكا الحرارية؟ تنص الصيغة بكلمات بسيطة على أنه عندما تتغير الطاقة من شكل إلى آخر ، فإن المادة إما تتحرك بحرية ، أو يزيد الانتروبيا (الاضطراب) في نظام مغلق. تميل الاختلافات في درجة الحرارة والضغط والكثافة إلى الاستقرار أفقيًا بمرور الوقت. بسبب الجاذبية والكثافة والضغط لا تتساوى عموديًا. ستكون الكثافة والضغط في الأسفل أكبر من الأعلى. الانتروبيا هو مقياس لانتشار المادة والطاقة أينما كان الوصول إليها. ترتبط الصياغة الأكثر شيوعًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية بشكل أساسي بـ Rudolf Clausius ، الذي قال:
من المستحيل إنشاء جهاز لا ينتج عنه تأثير آخر غير انتقال الحرارة من جسم ذي درجة حرارة منخفضة إلى جسم ذي درجة حرارة أعلى.
بمعنى آخر ، يحاول كل شيء الحفاظ على نفس درجة الحرارة بمرور الوقت. هناك العديد من الصيغ للقانون الثاني للديناميكا الحرارية التي تستخدم مصطلحات مختلفة ، لكنها تعني جميعها نفس الشيء. بيان Clausius آخر:
الحرارة نفسها ليست كذلكالانتقال من الجسم البارد إلى الجسد الأكثر سخونة
القانون الثاني ينطبق فقط على الأنظمة الكبيرة. يتعلق الأمر بالسلوك المحتمل لنظام لا توجد فيه طاقة أو مادة. كلما كان النظام أكبر ، زادت احتمالية القانون الثاني.
صياغة أخرى للقانون:
إجمالي الانتروبيا يزيد دائمًا في عملية عفوية.
الزيادة في الانتروبيا ΔS أثناء سير العملية يجب أن تتجاوز أو تساوي نسبة كمية الحرارة Q المنقولة إلى النظام إلى درجة الحرارة T التي تنتقل فيها الحرارة. صيغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية:
نظام ديناميكي حراري
بشكل عام ، تنص صياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية بعبارات بسيطة على أن الفروق في درجات الحرارة بين الأنظمة التي تلامس بعضها البعض تميل إلى التكافؤ ويمكن الحصول على هذا العمل من هذه الاختلافات غير المتوازنة. لكن في هذه الحالة ، هناك فقدان للطاقة الحرارية ، وتزداد الإنتروبيا. تميل الفروق في الضغط والكثافة ودرجة الحرارة في النظام المعزول إلى التكافؤ إذا أتيحت لها الفرصة ؛ تعتمد الكثافة والضغط ، ولكن ليس درجة الحرارة ، على الجاذبية. المحرك الحراري هو جهاز ميكانيكي يوفر عملاً مفيداً بسبب اختلاف درجات الحرارة بين جسمين.
النظام الديناميكي الحراري هو النظام الذي يتفاعل ويتبادل الطاقة مع المنطقة المحيطة به. يجب أن يتم التبادل والتحويل بطريقتين على الأقل. طريقة واحدة يجب أن تكون نقل الحرارة. اذا كانالنظام الديناميكي الحراري "في حالة توازن" ، لا يمكنه تغيير حالته أو حالته دون التفاعل مع البيئة. ببساطة ، إذا كنت في حالة توازن ، فأنت "نظام سعيد" ، ولا يمكنك فعل أي شيء. إذا أردت أن تفعل شيئًا ما ، فعليك التفاعل مع العالم الخارجي.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية: عدم رجوع العمليات
من المستحيل أن تكون هناك عملية دورية (متكررة) تحول الحرارة بالكامل إلى عمل. من المستحيل أيضًا إجراء عملية تنقل الحرارة من الأجسام الباردة إلى الأشياء الدافئة دون استخدام الشغل. يتم دائمًا فقدان بعض الطاقة في التفاعل بسبب الحرارة. أيضًا ، لا يمكن للنظام تحويل كل طاقته إلى طاقة عمل. الجزء الثاني من القانون أكثر وضوحا
لا يستطيع الجسم البارد أن يسخن الجسم الدافئ. تميل الحرارة بشكل طبيعي إلى التدفق من المناطق الأكثر دفئًا إلى المناطق الأكثر برودة. إذا انتقلت الحرارة من المبرد إلى الأكثر دفئًا ، فهذا مخالف لما هو "طبيعي" لذلك يتعين على النظام القيام ببعض الأعمال لتحقيق ذلك. إن عدم رجوع العمليات في الطبيعة هو القانون الثاني للديناميكا الحرارية. ربما يكون هذا هو القانون الأكثر شهرة (على الأقل بين العلماء) والأهم من كل العلوم. ومن صياغاته:
تميل إنتروبيا الكون إلى الحد الأقصى
بمعنى آخر ، إما أن تظل الانتروبيا كما هي أو تكبر ، لا يمكن أن تنخفض إنتروبيا الكون أبدًا. المشكلة هي أنه دائمًاحق. إذا أخذت زجاجة عطر ورشتها في غرفة ، فسرعان ما ستملأ ذرات العطر الفراغ بأكمله ، وهذه العملية لا رجوع فيها.
العلاقات في الديناميكا الحرارية
تصف قوانين الديناميكا الحرارية العلاقة بين الطاقة الحرارية أو الحرارة وأشكال الطاقة الأخرى ، وكيف تؤثر الطاقة على المادة. ينص القانون الأول للديناميكا الحرارية على أنه لا يمكن إنشاء أو تدمير الطاقة ؛ يبقى المقدار الإجمالي للطاقة في الكون دون تغيير. يتعلق القانون الثاني للديناميكا الحرارية بجودة الطاقة. تنص على أنه مع نقل الطاقة أو تحويلها ، يتم فقد المزيد والمزيد من الطاقة القابلة للاستخدام. ينص القانون الثاني أيضًا على وجود ميل طبيعي لأي نظام منعزل ليصبح أكثر اضطرابًا.
حتى عندما يزداد الطلب في مكان معين ، عندما تأخذ في الاعتبار النظام بأكمله ، بما في ذلك البيئة ، هناك دائمًا زيادة في الانتروبيا. في مثال آخر ، قد تتشكل البلورات من محلول ملحي عندما يتبخر الماء. تكون البلورات مرتبة أكثر من جزيئات الملح في المحلول ؛ ومع ذلك ، فإن الماء المتبخر أكثر اضطرابًا من الماء السائل. تؤدي العملية ككل إلى زيادة صافية في الفوضى
العمل والطاقة
يوضح القانون الثاني أنه من المستحيل تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية بكفاءة 100٪. يمكن إعطاء مثال معبواسطة السيارة. بعد عملية تسخين الغاز لزيادة ضغطه لدفع المكبس ، هناك دائمًا بعض الحرارة المتبقية في الغاز والتي لا يمكن استخدامها لأداء أي عمل إضافي. يجب التخلص من هذه الحرارة المهدرة عن طريق نقلها إلى المبرد. في حالة محرك السيارة يتم ذلك عن طريق استخراج الوقود المستهلك وخليط الهواء في الغلاف الجوي.
بالإضافة إلى ذلك ، فإن أي جهاز به أجزاء متحركة يخلق احتكاكًا يحول الطاقة الميكانيكية إلى حرارة ، والتي عادة ما تكون غير قابلة للاستخدام ويجب إزالتها من النظام بنقلها إلى المبرد. عندما يتلامس جسم ساخن وجسم بارد مع بعضهما البعض ، ستتدفق الطاقة الحرارية من الجسم الساخن إلى الجسم البارد حتى يصلوا إلى التوازن الحراري. ومع ذلك ، فإن الحرارة لن تعود في الاتجاه الآخر ؛ لن يزداد فرق درجة الحرارة بين جسمين تلقائيًا. يتطلب نقل الحرارة من الجسم البارد إلى الجسم الساخن العمل من خلال مصدر طاقة خارجي مثل مضخة الحرارة.
مصير الكون
يتنبأ القانون الثاني أيضًا بنهاية الكون. هذا هو المستوى النهائي للاضطراب ، إذا كان هناك توازن حراري ثابت في كل مكان ، فلا يمكن القيام بأي عمل وستنتهي كل الطاقة كحركة عشوائية للذرات والجزيئات. وفقًا للبيانات الحديثة ، فإن Metagalaxy هو نظام موسع غير ثابت ، ولا يمكن الحديث عن الموت الحراري للكون. الموت الحراريهي حالة توازن حراري تتوقف عندها جميع العمليات.
هذا الموقف خاطئ ، لأن القانون الثاني للديناميكا الحرارية ينطبق فقط على الأنظمة المغلقة. والكون ، كما تعلم ، لا حدود له. ومع ذلك ، فإن مصطلح "الموت الحراري للكون" يستخدم أحيانًا للإشارة إلى سيناريو التطور المستقبلي للكون ، والذي وفقًا له سيستمر في التوسع إلى اللانهاية في ظلام الفضاء حتى يتحول إلى غبار بارد متناثر
