Come viene generata l'energia, come viene convertita da una forma all' altra e cosa succede all'energia in un sistema chiuso? A tutte queste domande si può rispondere con le leggi della termodinamica. La seconda legge della termodinamica sarà discussa più dettagliatamente oggi.
Leggi nella vita di tutti i giorni
Le leggi governano la vita quotidiana. Le leggi stradali dicono che devi fermarti ai segnali di stop. Il governo chiede di dare parte del loro stipendio allo stato e al governo federale. Anche quelli scientifici sono applicabili alla vita di tutti i giorni. Ad esempio, la legge di gravità prevede un esito piuttosto scarso per coloro che provano a volare. Un altro insieme di leggi scientifiche che influenzano la vita quotidiana sono le leggi della termodinamica. Quindi ecco alcuni esempi per vedere come influenzano la vita quotidiana.
La prima legge della termodinamica
La prima legge della termodinamica afferma che l'energia non può essere creata o distrutta, ma può essere trasformata da una forma all' altra. Questo è anche a volte indicato come la legge di conservazione dell'energia. Quindi com'èvale per la vita di tutti i giorni? Bene, prendi, ad esempio, il computer che stai utilizzando ora. Si nutre di energia, ma da dove viene questa energia? La prima legge della termodinamica ci dice che questa energia non poteva provenire dall'aria, quindi veniva da qualche parte.
Puoi tracciare questa energia. Il computer è alimentato dall'elettricità, ma da dove viene l'elettricità? Esatto, da una centrale elettrica o da una centrale idroelettrica. Se consideriamo il secondo, sarà associato a una diga che trattiene il fiume. Il fiume ha una connessione con l'energia cinetica, il che significa che il fiume scorre. La diga converte questa energia cinetica in energia potenziale.
Come funziona una centrale idroelettrica? L'acqua viene utilizzata per far girare la turbina. Quando la turbina ruota, viene messo in moto un generatore che creerà elettricità. Questa elettricità può essere eseguita interamente in cavi dalla centrale elettrica a casa tua in modo che quando colleghi il cavo di alimentazione a una presa elettrica, l'elettricità entri nel tuo computer in modo che possa funzionare.
Cosa è successo qui? C'era già una certa quantità di energia che era associata all'acqua del fiume come energia cinetica. Poi si è trasformato in energia potenziale. La diga ha quindi preso quell'energia potenziale e l'ha trasformata in elettricità, che potrebbe quindi entrare nella tua casa e alimentare il tuo computer.
La seconda legge della termodinamica
Studiando questa legge, si può capire come funziona l'energia e perché tutto si avvicinapossibile caos e disordine. La seconda legge della termodinamica è anche chiamata legge dell'entropia. Ti sei mai chiesto come è nato l'universo? Secondo la teoria del Big Bang, prima che tutto nascesse, un'enorme quantità di energia si raccoglieva. L'Universo è apparso dopo il Big Bang. Tutto questo va bene, ma che tipo di energia era? All'inizio del tempo, tutta l'energia dell'universo era contenuta in un luogo relativamente piccolo. Questa intensa concentrazione rappresentava un'enorme quantità di quella che viene chiamata energia potenziale. Nel corso del tempo, si è diffuso in tutta la vasta distesa del nostro universo.
Su scala molto più piccola, il serbatoio d'acqua trattenuto dalla diga contiene energia potenziale, poiché la sua posizione le consente di fluire attraverso la diga. In ogni caso, l'energia immagazzinata, una volta rilasciata, si disperde e lo fa senza alcuno sforzo. In altre parole, il rilascio di energia potenziale è un processo spontaneo che avviene senza la necessità di risorse aggiuntive. Man mano che l'energia viene distribuita, parte di essa viene convertita in energia utile e svolge un certo lavoro. Il resto viene convertito in inutilizzabile, chiamato semplicemente calore.
Mentre l'universo continua ad espandersi, contiene sempre meno energia utilizzabile. Se è disponibile meno utile, si può fare meno lavoro. Poiché l'acqua scorre attraverso la diga, contiene anche meno energia utile. Questa diminuzione dell'energia utilizzabile nel tempo è chiamata entropia, dove si trova entropiala quantità di energia inutilizzata nel sistema, e il sistema è solo una raccolta di oggetti che compongono il tutto.
L'entropia può anche essere definita come la quantità di casualità o caos in un'organizzazione senza organizzazione. Man mano che l'energia utilizzabile diminuisce nel tempo, aumentano la disorganizzazione e il caos. Pertanto, quando l'energia potenziale accumulata viene rilasciata, non tutta questa viene convertita in energia utile. Tutti i sistemi sperimentano questo aumento di entropia nel tempo. Questo è molto importante da capire e questo fenomeno è chiamato la seconda legge della termodinamica.
Entropia: caso o difetto
Come avrai intuito, la seconda legge segue la prima, comunemente chiamata legge di conservazione dell'energia, e afferma che l'energia non può essere creata e non può essere distrutta. In altre parole, la quantità di energia nell'universo o in qualsiasi sistema è costante. La seconda legge della termodinamica è comunemente chiamata legge dell'entropia e sostiene che con il passare del tempo l'energia diventa meno utile e la sua qualità diminuisce nel tempo. L'entropia è il grado di casualità o di difetti che ha un sistema. Se il sistema è molto disordinato, allora ha una grande entropia. Se ci sono molti guasti nel sistema, l'entropia è bassa.
In parole povere, la seconda legge della termodinamica afferma che l'entropia di un sistema non può diminuire nel tempo. Ciò significa che in natura le cose passano da uno stato di ordine a uno stato di disordine. Ed è irreversibile. Il sistema maidiventerà più ordinato da solo. In altre parole, in natura, l'entropia di un sistema aumenta sempre. Un modo per pensarci è la tua casa. Se non lo pulisci e non aspiri mai, molto presto avrai un pasticcio terribile. L'entropia è aumentata! Per ridurlo, è necessario utilizzare l'energia per utilizzare un aspirapolvere e un mocio per pulire la superficie della polvere. La casa non si pulisce da sola.
Qual è la seconda legge della termodinamica? La formulazione in parole semplici dice che quando l'energia cambia da una forma all' altra, la materia o si muove liberamente o aumenta l'entropia (disordine) in un sistema chiuso. Le differenze di temperatura, pressione e densità tendono a stabilizzarsi orizzontalmente nel tempo. A causa della gravità, densità e pressione non si equalizzano verticalmente. La densità e la pressione in basso saranno maggiori che in alto. L'entropia è una misura della diffusione della materia e dell'energia ovunque essa abbia accesso. La formulazione più comune della seconda legge della termodinamica è principalmente associata a Rudolf Clausius, che disse:
È impossibile costruire un dispositivo che non produca un altro effetto se non il trasferimento di calore da un corpo con una temperatura più bassa a un corpo con una temperatura più alta.
In altre parole, tutto cerca di mantenere la stessa temperatura nel tempo. Esistono molte formulazioni della seconda legge della termodinamica che utilizzano termini diversi, ma significano tutte la stessa cosa. Un' altra affermazione di Clausius:
Il calore stesso non lo èpassando da un corpo freddo a uno più caldo.
La seconda legge si applica solo ai grandi sistemi. Riguarda il comportamento probabile di un sistema in cui non c'è energia o materia. Più grande è il sistema, più è probabile che sia la seconda legge.
Un' altra formulazione della legge:
L'entropia totale aumenta sempre in un processo spontaneo.
L'aumento di entropia ΔS nel corso del processo deve superare o essere uguale al rapporto tra la quantità di calore Q trasferita al sistema e la temperatura T alla quale il calore viene trasferito. Formula della seconda legge della termodinamica:
Sistema termodinamico
In senso generale, la formulazione del secondo principio della termodinamica in termini semplici afferma che le differenze di temperatura tra sistemi in contatto tra loro tendono ad equalizzare e che da queste differenze di non equilibrio si può ricavare lavoro. Ma in questo caso c'è una perdita di energia termica e l'entropia aumenta. Le differenze di pressione, densità e temperatura in un sistema isolato tendono a equalizzare se ne viene data l'opportunità; densità e pressione, ma non temperatura, dipendono dalla gravità. Un motore termico è un dispositivo meccanico che fornisce un lavoro utile a causa della differenza di temperatura tra due corpi.
Un sistema termodinamico è un sistema che interagisce e scambia energia con l'area circostante. Lo scambio e il trasferimento devono avvenire in almeno due modi. Un modo dovrebbe essere il trasferimento di calore. Se unil sistema termodinamico "è in equilibrio", non può cambiare il suo stato o stato senza interagire con l'ambiente. In poche parole, se sei in equilibrio, sei un "sistema felice", non c'è niente che tu possa fare. Se vuoi fare qualcosa, devi interagire con il mondo esterno.
La seconda legge della termodinamica: l'irreversibilità dei processi
È impossibile avere un processo ciclico (ripetuto) che converta completamente il calore in lavoro. È anche impossibile avere un processo che trasferisca il calore da oggetti freddi a oggetti caldi senza utilizzare il lavoro. Parte dell'energia in una reazione viene sempre persa in calore. Inoltre, il sistema non può convertire tutta la sua energia in energia di lavoro. La seconda parte della legge è più ovvia.
Un corpo freddo non può riscaldare un corpo caldo. Il calore tende naturalmente a fluire dalle zone più calde a quelle più fresche. Se il calore passa da più freddo a più caldo è contrario a ciò che è "naturale", quindi il sistema deve fare un po' di lavoro per farlo accadere. L'irreversibilità dei processi in natura è la seconda legge della termodinamica. Questa è forse la legge più famosa (almeno tra gli scienziati) e importante di tutta la scienza. Una delle sue formulazioni:
L'entropia dell'Universo tende al massimo.
In altre parole, l'entropia o rimane la stessa o aumenta, l'entropia dell'Universo non può mai diminuire. Il problema è che è sempre cosìgiusto. Se prendi una bottiglia di profumo e la nebulizzi in una stanza, presto gli atomi profumati riempiranno l'intero spazio e questo processo è irreversibile.
Relazioni in termodinamica
Le leggi della termodinamica descrivono la relazione tra energia termica o calore e altre forme di energia, e come l'energia influisce sulla materia. La prima legge della termodinamica afferma che l'energia non può essere creata o distrutta; la quantità totale di energia nell'universo rimane invariata. Il secondo principio della termodinamica riguarda la qualità dell'energia. Afferma che quando l'energia viene trasferita o convertita, si perde sempre più energia utilizzabile. La seconda legge afferma anche che esiste una tendenza naturale per qualsiasi sistema isolato a diventare più disordinato.
Anche quando l'ordine aumenta in un determinato luogo, quando prendi in considerazione l'intero sistema, incluso l'ambiente, c'è sempre un aumento di entropia. In un altro esempio, i cristalli possono formarsi da una soluzione salina quando l'acqua viene evaporata. I cristalli sono più ordinati delle molecole di sale in soluzione; tuttavia, l'acqua evaporata è molto più disordinata dell'acqua liquida. Il processo nel suo insieme si traduce in un netto aumento del disordine.
Lavoro ed energia
La seconda legge spiega che è impossibile convertire l'energia termica in energia meccanica con un'efficienza del 100%. Si può fare un esempio conin macchina. Dopo il processo di riscaldamento del gas per aumentarne la pressione per azionare il pistone, nel gas rimane sempre del calore che non può essere utilizzato per eseguire alcun lavoro aggiuntivo. Questo calore di scarto deve essere sm altito trasferendolo a un radiatore. Nel caso del motore di un'auto, ciò avviene estraendo nell'atmosfera il combustibile esaurito e la miscela di aria.
Inoltre, qualsiasi dispositivo con parti in movimento crea attrito che converte l'energia meccanica in calore, che di solito è inutilizzabile e deve essere rimosso dall'impianto trasferendolo su un radiatore. Quando un corpo caldo e un corpo freddo sono in contatto tra loro, l'energia termica fluirà dal corpo caldo al corpo freddo fino a raggiungere l'equilibrio termico. Tuttavia, il caldo non tornerà mai dall' altra parte; la differenza di temperatura tra due corpi non aumenterà mai spontaneamente. Spostare il calore da un corpo freddo a un corpo caldo richiede che il lavoro venga svolto da una fonte di energia esterna come una pompa di calore.
Il destino dell'universo
La seconda legge prevede anche la fine dell'universo. Questo è l'ultimo livello di disordine, se c'è un equilibrio termico costante ovunque, nessun lavoro può essere svolto e tutta l'energia finirà come movimento casuale di atomi e molecole. Secondo i dati moderni, la Metagalaxy è un sistema in espansione non stazionario e non si può parlare della morte termica dell'Universo. morte termicaè uno stato di equilibrio termico in cui tutti i processi si fermano.
Questa posizione è errata, poiché la seconda legge della termodinamica si applica solo ai sistemi chiusi. E l'universo, come sai, è illimitato. Tuttavia, il termine stesso "morte termica dell'Universo" è talvolta usato per riferirsi a uno scenario per lo sviluppo futuro dell'Universo, secondo il quale continuerà ad espandersi all'infinito nell'oscurità dello spazio fino a trasformarsi in polvere fredda sparsa.
