Wie entsteht Energie, wie wird sie von einer Form in eine andere umgewandelt und was passiert mit Energie in einem geschlossenen System? All diese Fragen können durch die Gesetze der Thermodynamik beantwortet werden. Auf den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik wird heute ausführlicher eingegangen.
Gesetze im Alltag
Gesetze bestimmen das tägliche Leben. Die Straßenverkehrsordnung schreibt vor, dass Sie an Stoppschildern anh alten müssen. Die Regierung fordert, einen Teil ihres Geh alts an Land und Bund abzugeben. Sogar wissenschaftliche sind auf den Alltag anwendbar. Zum Beispiel sagt das Gesetz der Schwerkraft für diejenigen, die versuchen zu fliegen, ein ziemlich schlechtes Ergebnis voraus. Eine weitere Reihe wissenschaftlicher Gesetze, die das tägliche Leben beeinflussen, sind die Gesetze der Thermodynamik. Hier sind einige Beispiele, um zu sehen, wie sie sich auf das tägliche Leben auswirken.
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet, aber von einer Form in eine andere umgewandelt werden kann. Dies wird manchmal auch als Energieerh altungssatz bezeichnet. Also wie ist esgilt für den Alltag? Nun, nehmen Sie zum Beispiel den Computer, den Sie jetzt benutzen. Es ernährt sich von Energie, aber woher kommt diese Energie? Der erste Hauptsatz der Thermodynamik sagt uns, dass diese Energie nicht aus der Luft kommen kann, also kommt sie von irgendwo her.
Du kannst diese Energie verfolgen. Der Computer wird mit Strom betrieben, aber woher kommt der Strom? Richtig, aus einem Kraftwerk oder Wasserkraftwerk. Wenn wir den zweiten betrachten, dann wird er mit einem Damm in Verbindung gebracht, der den Fluss zurückhält. Der Fluss hat eine Verbindung mit kinetischer Energie, was bedeutet, dass der Fluss fließt. Der Damm wandelt diese kinetische Energie in potentielle Energie um.
Wie funktioniert ein Wasserkraftwerk? Wasser wird verwendet, um die Turbine zu drehen. Wenn sich die Turbine dreht, wird ein Generator in Gang gesetzt, der Strom erzeugt. Dieser Strom kann vollständig in Kabeln vom Kraftwerk zu Ihnen nach Hause geleitet werden, so dass, wenn Sie das Netzkabel in eine Steckdose stecken, der Strom in Ihren Computer gelangt, damit er funktionieren kann.
Was ist hier passiert? Es gab bereits eine gewisse Energie, die mit dem Wasser im Fluss als kinetische Energie verbunden war. Dann verwandelte es sich in potentielle Energie. Der Damm nahm dann diese potenzielle Energie und wandelte sie in Strom um, der dann in Ihr Zuhause eindringen und Ihren Computer mit Strom versorgen könnte.
Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
Indem man dieses Gesetz studiert, kann man verstehen, wie Energie funktioniert und warum sich alles in Richtung bewegtmögliches Chaos und Unordnung. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wird auch Entropiesatz genannt. Haben Sie sich jemals gefragt, wie das Universum entstanden ist? Nach der Urknalltheorie sammelte sich eine riesige Menge an Energie, bevor alles geboren wurde. Das Universum erschien nach dem Urknall. All das ist gut, aber was für eine Energie war das? Zu Beginn der Zeit war die gesamte Energie des Universums an einem relativ kleinen Ort enth alten. Diese intensive Konzentration stellte eine riesige Menge dessen dar, was potentielle Energie genannt wird. Im Laufe der Zeit breitete es sich in den Weiten unseres Universums aus.
In einem viel kleineren Maßstab enthält das Wasserreservoir des Damms potenzielle Energie, da es aufgrund seiner Lage durch den Damm fließen kann. In jedem Fall breitet sich die gespeicherte Energie, einmal freigesetzt, aus und zwar ohne jede Anstrengung. Mit anderen Worten, die Freisetzung potentieller Energie ist ein spontaner Prozess, der ohne die Notwendigkeit zusätzlicher Ressourcen erfolgt. Bei der Energieverteilung wird ein Teil davon in Nutzenergie umgewandelt und verrichtet einen Teil der Arbeit. Der Rest wird in unbrauchbare umgewandelt, einfach Wärme genannt.
Während sich das Universum weiter ausdehnt, enthält es immer weniger nutzbare Energie. Wenn weniger Nützliches verfügbar ist, kann weniger Arbeit geleistet werden. Da das Wasser durch den Damm fließt, enthält es auch weniger nutzbare Energie. Diese Abnahme der nutzbaren Energie im Laufe der Zeit wird als Entropie bezeichnet, wobei Entropie istdie Menge ungenutzter Energie im System, und das System ist nur eine Ansammlung von Objekten, die das Ganze ausmachen.
Entropie kann auch als das Maß an Zufälligkeit oder Chaos in einer Organisation ohne Organisation bezeichnet werden. Wenn die nutzbare Energie mit der Zeit abnimmt, nehmen Desorganisation und Chaos zu. Wenn also die angesammelte potenzielle Energie freigesetzt wird, wird nicht alles davon in nutzbare Energie umgewandelt. Alle Systeme erfahren diesen Anstieg der Entropie im Laufe der Zeit. Dies ist sehr wichtig zu verstehen und dieses Phänomen wird als zweiter Hauptsatz der Thermodynamik bezeichnet.
Entropie: Zufall oder Defekt
Wie Sie vielleicht erraten haben, folgt das zweite Gesetz dem ersten, allgemein als Energieerh altungssatz bezeichnet, und besagt, dass Energie nicht erzeugt und nicht zerstört werden kann. Mit anderen Worten, die Energiemenge im Universum oder in jedem System ist konstant. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik wird allgemein als Entropiegesetz bezeichnet und besagt, dass Energie mit der Zeit weniger nützlich und ihre Qualität mit der Zeit abnimmt. Entropie ist der Grad an Zufälligkeit oder Defekten, die ein System hat. Wenn das System sehr ungeordnet ist, dann hat es eine große Entropie. Wenn es viele Fehler im System gibt, dann ist die Entropie niedrig.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt vereinfacht ausgedrückt, dass die Entropie eines Systems mit der Zeit nicht abnehmen kann. Das bedeutet, dass die Dinge in der Natur von einem Zustand der Ordnung in einen Zustand der Unordnung übergehen. Und es ist irreversibel. Das System niewird von selbst geordneter. Mit anderen Worten, in der Natur nimmt die Entropie eines Systems immer zu. Eine Möglichkeit, darüber nachzudenken, ist Ihr Zuhause. Wenn Sie es nie reinigen und saugen, dann werden Sie ziemlich bald ein schreckliches Durcheinander haben. Die Entropie hat zugenommen! Um es zu reduzieren, ist es notwendig, Energie zu verwenden, um einen Staubsauger und einen Mopp zu verwenden, um die Oberfläche von Staub zu reinigen. Das Haus putzt sich nicht selbst.
Was ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik? Die Formulierung in einfachen Worten besagt, dass wenn Energie von einer Form in eine andere wechselt, sich Materie entweder frei bewegt oder die Entropie (Unordnung) in einem geschlossenen System zunimmt. Temperatur-, Druck- und Dichteunterschiede gleichen sich im Laufe der Zeit horizontal aus. Aufgrund der Schwerkraft gleichen sich Dichte und Druck vertikal nicht aus. Die Dichte und der Druck unten sind größer als oben. Entropie ist ein Maß für die Ausbreitung von Materie und Energie, wo immer sie Zugang haben. Die häufigste Formulierung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik wird hauptsächlich mit Rudolf Clausius in Verbindung gebracht, der sagte:
Es ist unmöglich, ein Gerät zu bauen, das keine andere Wirkung hat als die Übertragung von Wärme von einem Körper mit niedrigerer Temperatur auf einen Körper mit höherer Temperatur.
Mit anderen Worten, alles versucht, im Laufe der Zeit die gleiche Temperatur zu h alten. Es gibt viele Formulierungen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, die unterschiedliche Begriffe verwenden, aber alle dasselbe bedeuten. Noch eine Clausius-Aussage:
Hitze selbst ist es nichtvon einem k alten zu einem heißeren Körper wechseln.
Der zweite Hauptsatz gilt nur für große Systeme. Es betrifft das wahrscheinliche Verh alten eines Systems, in dem es keine Energie oder Materie gibt. Je größer das System, desto wahrscheinlicher ist das zweite Gesetz.
Anderer Gesetzeswortlaut:
Die Gesamtentropie nimmt bei einem spontanen Vorgang immer zu.
Die Entropiezunahme ΔS im Verlauf des Prozesses muss größer oder gleich dem Verhältnis der dem System zugeführten Wärmemenge Q zur Temperatur T sein, bei der die Wärme übertragen wird. Formel des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik:
Thermodynamisches System
Im Allgemeinen besagt die Formulierung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik in einfachen Worten, dass Temperaturunterschiede zwischen Systemen, die miteinander in Kontakt stehen, dazu neigen, sich auszugleichen, und dass aus diesen Ungleichgewichtsunterschieden Arbeit gewonnen werden kann. In diesem Fall geht jedoch Wärmeenergie verloren und die Entropie steigt. Druck-, Dichte- und Temperaturunterschiede in einem isolierten System gleichen sich bei Gelegenheit aus; Dichte und Druck, aber nicht die Temperatur, hängen von der Schwerkraft ab. Eine Wärmekraftmaschine ist ein mechanisches Gerät, das aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen zwei Körpern nützliche Arbeit leistet.
Ein thermodynamisches System interagiert und tauscht Energie mit der Umgebung aus. Austausch und Übertragung müssen auf mindestens zwei Wegen erfolgen. Ein Weg sollte die Wärmeübertragung sein. Wenn einDas thermodynamische System "befindet sich im Gleichgewicht", es kann seinen Zustand oder Status nicht ändern, ohne mit der Umgebung in Wechselwirkung zu treten. Einfach gesagt, wenn Sie im Gleichgewicht sind, sind Sie ein "glückliches System", da können Sie nichts tun. Wenn du etwas tun willst, musst du mit der Außenwelt interagieren.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik: die Irreversibilität von Prozessen
Es ist unmöglich, einen zyklischen (sich wiederholenden) Prozess zu haben, der Wärme vollständig in Arbeit umwandelt. Es ist auch unmöglich, einen Prozess zu haben, der Wärme von k alten Objekten auf warme Objekte überträgt, ohne Arbeit zu leisten. Bei einer Reaktion geht immer etwas Energie durch Wärme verloren. Außerdem kann das System nicht seine gesamte Energie in Arbeitsenergie umwandeln. Der zweite Teil des Gesetzes ist offensichtlicher.
Ein k alter Körper kann einen warmen Körper nicht erwärmen. Wärme neigt von Natur aus dazu, von wärmeren zu kühleren Bereichen zu fließen. Wenn Wärme von kühler zu wärmer geht, widerspricht dies dem, was "natürlich" ist, also muss das System einige Arbeit leisten, um dies zu erreichen. Die Irreversibilität von Vorgängen in der Natur ist der zweite Hauptsatz der Thermodynamik. Dies ist vielleicht das bekannteste (zumindest unter Wissenschaftlern) und wichtigste Gesetz aller Wissenschaften. Eine seiner Formulierungen:
Die Entropie des Universums tendiert zum Maximum.
Mit anderen Worten, die Entropie bleibt entweder gleich oder wird größer, die Entropie des Universums kann niemals abnehmen. Das Problem ist, dass es immer so istRechts. Wenn Sie eine Parfümflasche nehmen und sie in einen Raum sprühen, werden die duftenden Atome bald den gesamten Raum füllen, und dieser Vorgang ist irreversibel.
Beziehungen in der Thermodynamik
Die Gesetze der Thermodynamik beschreiben die Beziehung zwischen thermischer Energie oder Wärme und anderen Energieformen und wie Energie Materie beeinflusst. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann; Die Gesamtmenge an Energie im Universum bleibt unverändert. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik befasst sich mit der Qualität von Energie. Es besagt, dass bei der Übertragung oder Umwandlung von Energie immer mehr nutzbare Energie verloren geht. Der zweite Hauptsatz besagt auch, dass jedes isolierte System eine natürliche Tendenz hat, noch ungeordneter zu werden.
Auch wenn die Ordnung an einem bestimmten Ort zunimmt, wenn Sie das gesamte System einschließlich der Umgebung berücksichtigen, gibt es immer eine Zunahme der Entropie. In einem anderen Beispiel können sich Kristalle aus einer Salzlösung bilden, wenn Wasser verdampft wird. Kristalle sind in Lösung geordneter als Salzmoleküle; verdunstetes Wasser ist jedoch viel ungeordneter als flüssiges Wasser. Der Prozess als Ganzes führt zu einer Nettozunahme der Unordnung.
Arbeit und Energie
Der zweite Hauptsatz erklärt, dass es unmöglich ist, thermische Energie mit 100-prozentiger Effizienz in mechanische Energie umzuwandeln. Ein Beispiel kann mit angegeben werdenmit dem Auto. Nach dem Prozess des Erhitzens des Gases, um seinen Druck zum Antrieb des Kolbens zu erhöhen, verbleibt immer etwas Wärme im Gas, die nicht verwendet werden kann, um zusätzliche Arbeit zu verrichten. Diese Abwärme muss abgeführt werden, indem sie auf einen Heizkörper übertragen wird. Im Falle eines Automotors geschieht dies durch Absaugen des abgebrannten Brennstoff-Luft-Gemisches in die Atmosphäre.
Darüber hinaus erzeugt jedes Gerät mit beweglichen Teilen Reibung, die mechanische Energie in Wärme umwandelt, die normalerweise nicht nutzbar ist und durch Übertragung auf einen Heizkörper aus dem System entfernt werden muss. Wenn ein heißer Körper und ein k alter Körper miteinander in Kontakt kommen, fließt Wärmeenergie vom heißen Körper zum k alten Körper, bis sie ein thermisches Gleichgewicht erreichen. Die Wärme wird jedoch niemals in die andere Richtung zurückkehren; die Temperaturdifferenz zwischen zwei Körpern wird niemals spontan zunehmen. Um Wärme von einem k alten Körper zu einem heißen Körper zu bewegen, muss Arbeit von einer externen Energiequelle wie einer Wärmepumpe verrichtet werden.
Das Schicksal des Universums
Der zweite Hauptsatz sagt auch das Ende des Universums voraus. Dies ist die ultimative Ebene der Unordnung, wenn überall ein konstantes thermisches Gleichgewicht herrscht, kann keine Arbeit verrichtet werden und alle Energie wird als zufällige Bewegung von Atomen und Molekülen enden. Nach modernen Daten ist die Metagalaxie ein expandierendes nicht stationäres System, und vom Hitzetod des Universums kann keine Rede sein. Wärmetodist ein Zustand des thermischen Gleichgewichts, bei dem alle Prozesse aufhören.
Diese Position ist falsch, da der zweite Hauptsatz der Thermodynamik nur für geschlossene Systeme gilt. Und das Universum ist, wie Sie wissen, grenzenlos. Allerdings wird manchmal schon der Begriff „Hitzetod des Universums“verwendet, um ein Szenario für die zukünftige Entwicklung des Universums zu bezeichnen, wonach es sich bis ins Unendliche in die Dunkelheit des Weltraums ausdehnen wird, bis es sich in verstreuten k alten Staub verwandelt.
