როგორ წარმოიქმნება ენერგია, როგორ გარდაიქმნება ის ერთი ფორმიდან მეორეში და რა ემართება ენერგიას დახურულ სისტემაში? ყველა ამ კითხვაზე პასუხის გაცემა შესაძლებელია თერმოდინამიკის კანონებით. თერმოდინამიკის მეორე კანონი დღეს უფრო დეტალურად იქნება განხილული.
კანონები ყოველდღიურ ცხოვრებაში
კანონები მართავენ ყოველდღიურ ცხოვრებას. საგზაო კანონები ამბობენ, რომ გაჩერების ნიშნებზე უნდა გაჩერდეთ. მთავრობა მათი ხელფასის ნაწილის შტატსა და ფედერალურ მთავრობას გადაცემას ითხოვს. მეცნიერულიც კი გამოიყენება ყოველდღიურ ცხოვრებაში. მაგალითად, გრავიტაციის კანონი პროგნოზირებს საკმაოდ ცუდ შედეგს მათთვის, ვინც ფრენას ცდილობს. სამეცნიერო კანონების კიდევ ერთი ნაკრები, რომელიც გავლენას ახდენს ყოველდღიურ ცხოვრებაზე, არის თერმოდინამიკის კანონები. ასე რომ, აქ მოცემულია რამდენიმე მაგალითი, რათა ნახოთ, თუ როგორ მოქმედებს ისინი ყოველდღიურ ცხოვრებაზე.
თერმოდინამიკის პირველი კანონი
თერმოდინამიკის პირველი კანონი ამბობს, რომ ენერგია არ შეიძლება შეიქმნას ან განადგურდეს, მაგრამ ის შეიძლება გარდაიქმნას ერთი ფორმიდან მეორეში. ამას ზოგჯერ მოიხსენიებენ როგორც ენერგიის შენარჩუნების კანონს. ისე როგორ არისეხება ყოველდღიურ ცხოვრებას? მაგალითად, აიღეთ კომპიუტერი, რომელსაც ახლა იყენებთ. ის ენერგიით იკვებება, მაგრამ საიდან მოდის ეს ენერგია? თერმოდინამიკის პირველი კანონი გვეუბნება, რომ ეს ენერგია ჰაერიდან ვერ მოდის, ამიტომ ის სადღაც მოვიდა.
შეგიძლიათ თვალყური ადევნოთ ამ ენერგიას. კომპიუტერი იკვებება ელექტროენერგიით, მაგრამ საიდან მოდის ელექტროენერგია? ასეა, ელექტროსადგურიდან ან ჰიდროელექტროსადგურიდან. თუ მეორეს გავითვალისწინებთ, მაშინ ის დაკავშირებული იქნება კაშხლთან, რომელიც აკავებს მდ. მდინარეს აქვს კავშირი კინეტიკურ ენერგიასთან, რაც ნიშნავს, რომ მდინარე მიედინება. კაშხალი გარდაქმნის ამ კინეტიკურ ენერგიას პოტენციურ ენერგიად.
როგორ მუშაობს ჰიდროელექტროსადგური? წყალი გამოიყენება ტურბინის დასაბრუნებლად. როდესაც ტურბინა ბრუნავს, მოძრაობს გენერატორი, რომელიც გამოიმუშავებს ელექტროენერგიას. ეს ელექტროენერგია შეიძლება მთლიანად გატარდეს სადენებით ელექტროსადგურიდან თქვენს სახლამდე, ასე რომ, როდესაც დენის კაბელს აერთებთ დენის განყოფილებაში, ელექტროენერგია შედის თქვენს კომპიუტერში, რათა მან იმუშაოს.
რა მოხდა აქ? უკვე არსებობდა ენერგიის გარკვეული რაოდენობა, რომელიც ასოცირდება მდინარეში წყალთან, როგორც კინეტიკური ენერგია. შემდეგ ის გადაიქცა პოტენციურ ენერგიად. შემდეგ კაშხალმა აიღო ეს პოტენციური ენერგია და გადააქცია ის ელექტროენერგიად, რომელიც შემდეგ შევიდოდა თქვენს სახლში და ამუშავებდა თქვენს კომპიუტერს.
თერმოდინამიკის მეორე კანონი
ამ კანონის შესწავლით, შეგიძლიათ გაიგოთ, როგორ მუშაობს ენერგია და რატომ მიდის ყველაფერიშესაძლო ქაოსი და არეულობა. თერმოდინამიკის მეორე კანონს ასევე უწოდებენ ენტროპიის კანონს. ოდესმე გიფიქრიათ, როგორ გაჩნდა სამყარო? დიდი აფეთქების თეორიის თანახმად, სანამ ყველაფერი დაიბადებოდა, უზარმაზარი ენერგია შეიკრიბა. სამყარო დიდი აფეთქების შემდეგ გაჩნდა. ეს ყველაფერი კარგია, მაგრამ როგორი ენერგია იყო? დროის დასაწყისში სამყაროს მთელი ენერგია ერთ შედარებით პატარა ადგილას იყო მოთავსებული. ეს ინტენსიური კონცენტრაცია წარმოადგენდა უზარმაზარ რაოდენობას რასაც პოტენციური ენერგია ჰქვია. დროთა განმავლობაში ის გავრცელდა ჩვენი სამყაროს უზარმაზარ სივრცეში.
ბევრად უფრო მცირე მასშტაბით, კაშხლის მიერ შენახული წყლის რეზერვუარი შეიცავს პოტენციურ ენერგიას, რადგან მისი მდებარეობა საშუალებას აძლევს მას კაშხალში გადინება. თითოეულ შემთხვევაში, შენახული ენერგია, გათავისუფლების შემდეგ, ვრცელდება და ამას აკეთებს ყოველგვარი ძალისხმევის გარეშე. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, პოტენციური ენერგიის გამოყოფა არის სპონტანური პროცესი, რომელიც ხდება დამატებითი რესურსების საჭიროების გარეშე. როდესაც ენერგია ნაწილდება, მისი ნაწილი გარდაიქმნება სასარგებლო ენერგიად და ასრულებს გარკვეულ სამუშაოს. დანარჩენი გარდაიქმნება გამოუყენებლად, რომელსაც უბრალოდ სითბოს უწოდებენ.
როგორც სამყარო აგრძელებს გაფართოებას, ის სულ უფრო ნაკლებ გამოსაყენებელ ენერგიას შეიცავს. თუ ნაკლებად სასარგებლოა ხელმისაწვდომი, ნაკლები სამუშაო შეიძლება გაკეთდეს. ვინაიდან წყალი კაშხალში მიედინება, ის ასევე შეიცავს ნაკლებ სასარგებლო ენერგიას. გამოყენებადი ენერგიის ამ შემცირებას დროთა განმავლობაში ეწოდება ენტროპია, სადაც არის ენტროპიასისტემაში გამოუყენებელი ენერგიის რაოდენობა და სისტემა მხოლოდ ობიექტების ერთობლიობაა, რომლებიც მთლიანობას ქმნიან.
ენტროპია ასევე შეიძლება ეწოდოს შემთხვევითობის ან ქაოსის ოდენობას ორგანიზაციაში ორგანიზაციის გარეშე. როდესაც გამოსაყენებელი ენერგია დროთა განმავლობაში მცირდება, დეორგანიზაცია და ქაოსი იზრდება. ამრიგად, დაგროვილი პოტენციური ენერგიის გამოთავისუფლებისას ეს ყველაფერი არ გარდაიქმნება სასარგებლო ენერგიად. ყველა სისტემა განიცდის ენტროპიის ამ ზრდას დროთა განმავლობაში. ამის გაგება ძალიან მნიშვნელოვანია და ამ ფენომენს თერმოდინამიკის მეორე კანონი ეწოდება.
ენტროპია: შანსი ან დეფექტი
როგორც ალბათ მიხვდით, მეორე კანონი მიჰყვება პირველს, რომელსაც ჩვეულებრივ უწოდებენ ენერგიის შენარჩუნების კანონს და ამბობს, რომ ენერგია არ შეიძლება შეიქმნას და არ შეიძლება განადგურდეს. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, სამყაროში ან ნებისმიერ სისტემაში ენერგიის რაოდენობა მუდმივია. თერმოდინამიკის მეორე კანონს ჩვეულებრივ მოიხსენიებენ, როგორც ენტროპიის კანონს და ის ამტკიცებს, რომ რაც დრო გადის ენერგია ნაკლებად სასარგებლო ხდება და მისი ხარისხი დროთა განმავლობაში მცირდება. ენტროპია არის სისტემას შემთხვევითობის ან დეფექტების ხარისხი. თუ სისტემა ძალიან მოუწესრიგებელია, მაშინ მას აქვს დიდი ენტროპია. თუ სისტემაში ბევრი ხარვეზია, მაშინ ენტროპია დაბალია.
მარტივი სიტყვებით, თერმოდინამიკის მეორე კანონი ამბობს, რომ სისტემის ენტროპია არ შეიძლება შემცირდეს დროთა განმავლობაში. ეს ნიშნავს, რომ ბუნებაში საგნები წესრიგის მდგომარეობიდან უწესრიგობის მდგომარეობაში გადადის. და შეუქცევადია. სისტემა არასოდესთავისთავად უფრო მოწესრიგებული გახდება. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ბუნებაში სისტემის ენტროპია ყოველთვის იზრდება. ამაზე ფიქრის ერთ-ერთი გზა თქვენი სახლია. თუ არასოდეს გაასუფთავებთ და მტვერსასრუტით არ გაასუფთავებთ მას, მაშინ ძალიან მალე საშინელი არეულობა გექნებათ. გაიზარდა ენტროპია! მის შესამცირებლად საჭიროა ენერგიის გამოყენება მტვერსასრუტისა და მტვრის ზედაპირის გასაწმენდად. სახლი თავისთავად არ იწმინდება.
რა არის თერმოდინამიკის მეორე კანონი? ფორმულირება მარტივი სიტყვებით ამბობს, რომ როდესაც ენერგია იცვლება ერთი ფორმიდან მეორეში, მატერია ან თავისუფლად მოძრაობს, ან ენტროპია (არეულობა) დახურულ სისტემაში იზრდება. ტემპერატურის, წნევის და სიმკვრივის განსხვავებები დროთა განმავლობაში ჰორიზონტალურად იკლებს. სიმძიმის გამო, სიმკვრივე და წნევა ვერტიკალურად არ ტოლდება. სიმკვრივე და წნევა ქვედა ნაწილში უფრო დიდი იქნება, ვიდრე ზედა. ენტროპია არის მატერიისა და ენერგიის გავრცელების საზომი იქ, სადაც მას აქვს წვდომა. თერმოდინამიკის მეორე კანონის ყველაზე გავრცელებული ფორმულირება ძირითადად დაკავშირებულია რუდოლფ კლაუზიუსთან, რომელმაც თქვა:
შეუძლებელია ისეთი მოწყობილობის შექმნა, რომელიც არ გამოიმუშავებს სხვა ეფექტს, ვიდრე სითბოს გადაცემა დაბალი ტემპერატურის მქონე სხეულიდან უფრო მაღალი ტემპერატურის მქონე სხეულზე.
სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ყველაფერი ცდილობს შეინარჩუნოს იგივე ტემპერატურა დროთა განმავლობაში. არსებობს თერმოდინამიკის მეორე კანონის მრავალი ფორმულირება, რომელიც იყენებს სხვადასხვა ტერმინებს, მაგრამ ისინი ყველა ერთსა და იმავეს ნიშნავს. კლაუსიუსის კიდევ ერთი განცხადება:
სითბო თავისთავად არ არისცივიდან ცხელ სხეულზე გადასვლა.
მეორე კანონი ვრცელდება მხოლოდ დიდ სისტემებზე. ეს ეხება სისტემის სავარაუდო ქცევას, რომელშიც არ არის ენერგია ან მატერია. რაც უფრო დიდია სისტემა, მით უფრო სავარაუდოა მეორე კანონი.
კანონის კიდევ ერთი ფორმულირება:
მთლიანი ენტროპია ყოველთვის იზრდება სპონტანურ პროცესში.
პროცესის მსვლელობისას ΔS ენტროპიის ზრდა უნდა აღემატებოდეს ან ტოლი იყოს სისტემაში გადაცემული Q სითბოს თანაფარდობა T ტემპერატურასთან, რომელზეც სითბო გადადის. თერმოდინამიკის მეორე კანონის ფორმულა:
თერმოდინამიკური სისტემა
ზოგადი გაგებით, თერმოდინამიკის მეორე კანონის ფორმულირება მარტივი სიტყვებით ამბობს, რომ ტემპერატურული განსხვავებები ერთმანეთთან კონტაქტში მყოფ სისტემებს შორის მიდრეკილია გათანაბრებისკენ და რომ სამუშაოს მიღება შესაძლებელია ამ არაბალანსური განსხვავებებიდან. მაგრამ ამ შემთხვევაში ხდება თერმული ენერგიის დაკარგვა და ენტროპია იზრდება. იზოლირებულ სისტემაში წნევის, სიმკვრივისა და ტემპერატურის განსხვავებები გათანაბრდება, თუ ამის შესაძლებლობა მიეცემათ; სიმკვრივე და წნევა, მაგრამ არა ტემპერატურა, დამოკიდებულია გრავიტაციაზე. სითბოს ძრავა არის მექანიკური მოწყობილობა, რომელიც უზრუნველყოფს სასარგებლო მუშაობას ორ სხეულს შორის ტემპერატურის სხვაობის გამო.
თერმოდინამიკური სისტემა არის ის, რომელიც ურთიერთქმედებს და ცვლის ენერგიას მის გარშემო არსებულ ფართობთან. გაცვლა და გადაცემა უნდა მოხდეს მინიმუმ ორი გზით. ერთი გზა უნდა იყოს სითბოს გადაცემა. Თუთერმოდინამიკური სისტემა "წონასწორობაშია", მას არ შეუძლია შეცვალოს თავისი მდგომარეობა ან სტატუსი გარემოსთან ურთიერთქმედების გარეშე. მარტივად რომ ვთქვათ, თუ წონასწორობაში ხართ, „ბედნიერი სისტემა“ხართ, ვერაფერს გააკეთებთ. თუ რაიმეს გაკეთება გინდა, უნდა იმოქმედო გარე სამყაროსთან.
თერმოდინამიკის მეორე კანონი: პროცესების შეუქცევადობა
შეუძლებელია გქონდეთ ციკლური (განმეორებადი) პროცესი, რომელიც მთლიანად გარდაქმნის სითბოს სამუშაოდ. ასევე შეუძლებელია ისეთი პროცესის არსებობა, რომელიც გადასცემს სითბოს ცივი საგნებიდან თბილ ობიექტებზე სამუშაოს გამოყენების გარეშე. რეაქციაში გარკვეული ენერგია ყოველთვის იკარგება სითბოს გამო. ასევე, სისტემას არ შეუძლია მთელი თავისი ენერგიის გარდაქმნა სამუშაო ენერგიად. კანონის მეორე ნაწილი უფრო აშკარაა.
ცივი სხეული ვერ ათბობს თბილ სხეულს. სითბო ბუნებრივად მიედინება თბილიდან უფრო გრილ ადგილებში. თუ სითბო გაციებიდან თბილზე გადადის, ეს ეწინააღმდეგება იმას, რაც "ბუნებრივია", ამიტომ სისტემამ უნდა გააკეთოს გარკვეული სამუშაო, რომ ეს მოხდეს. ბუნებაში მიმდინარე პროცესების შეუქცევადობა თერმოდინამიკის მეორე კანონია. ეს არის ალბათ ყველაზე ცნობილი (ყოველ შემთხვევაში მეცნიერთა შორის) და მნიშვნელოვანი კანონი ყველა მეცნიერებაში. მისი ერთ-ერთი ფორმულირება:
სამყაროს ენტროპია მიდრეკილია მაქსიმუმამდე.
სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ენტროპია ან რჩება იგივე, ან იზრდება, სამყაროს ენტროპია ვერასოდეს შემცირდება. პრობლემა ის არის, რომ ყოველთვის ასეაუფლება. თუ აიღებთ სუნამოს ბოთლს და შეასხურებთ ოთახში, მაშინ მალე სურნელოვანი ატომები მთელ სივრცეს შეავსებენ და ეს პროცესი შეუქცევადია.
ურთიერთობები თერმოდინამიკაში
თერმოდინამიკის კანონები აღწერს ურთიერთობას თერმული ენერგიის ან სითბოს და ენერგიის სხვა ფორმებს შორის და როგორ მოქმედებს ენერგია მატერიაზე. თერმოდინამიკის პირველი კანონი ამბობს, რომ ენერგიის შექმნა ან განადგურება შეუძლებელია; სამყაროში ენერგიის მთლიანი რაოდენობა უცვლელი რჩება. თერმოდინამიკის მეორე კანონი ეხება ენერგიის ხარისხს. მასში ნათქვამია, რომ ენერგიის გადაცემის ან გარდაქმნისას უფრო და უფრო მეტი გამოსაყენებელი ენერგია იკარგება. მეორე კანონი ასევე აცხადებს, რომ არსებობს ბუნებრივი ტენდენცია, რომ ნებისმიერი იზოლირებული სისტემა გახდეს უფრო მოუწესრიგებელი.
მაშინაც კი, როცა წესრიგი იზრდება გარკვეულ ადგილას, როდესაც მხედველობაში მიიღებთ მთელ სისტემას, მათ შორის გარემოს, ყოველთვის იზრდება ენტროპია. სხვა მაგალითში, კრისტალები შეიძლება წარმოიქმნას მარილის ხსნარიდან, როდესაც წყალი აორთქლდება. კრისტალები უფრო მოწესრიგებულია, ვიდრე მარილის მოლეკულები ხსნარში; თუმცა, აორთქლებული წყალი ბევრად უფრო მოუწესრიგებელია, ვიდრე თხევადი წყალი. მთლიანობაში მიღებული პროცესი იწვევს უწესრიგობის წმინდა ზრდას.
მუშაობა და ენერგია
მეორე კანონი განმარტავს, რომ შეუძლებელია თერმული ენერგიის გადაქცევა მექანიკურ ენერგიად 100 პროცენტიანი ეფექტურობით. მაგალითის მოყვანა შეიძლებამანქანით. გაზის გაცხელების პროცესის შემდეგ, რათა გაზარდოს მისი წნევა დგუშის მართვისთვის, გაზში ყოველთვის რჩება გარკვეული სითბო, რომელიც არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას რაიმე დამატებითი სამუშაოს შესასრულებლად. ეს ნარჩენი სითბო უნდა განადგურდეს რადიატორში გადატანით. მანქანის ძრავის შემთხვევაში, ეს ხდება დახარჯული საწვავის და ჰაერის ნარევის ატმოსფეროში მოპოვებით.
გარდა ამისა, ნებისმიერი მოწყობილობა მოძრავი ნაწილებით ქმნის ხახუნს, რომელიც გარდაქმნის მექანიკურ ენერგიას სითბოდ, რომელიც ჩვეულებრივ გამოუსადეგარია და უნდა მოიხსნას სისტემიდან რადიატორში გადატანით. როდესაც ცხელი სხეული და ცივი სხეული ერთმანეთთან კონტაქტშია, თერმული ენერგია ცხელი სხეულიდან ცივ სხეულში მიედინება მანამ, სანამ ისინი არ მიაღწევენ თერმულ წონასწორობას. თუმცა, სითბო არასოდეს დაბრუნდება სხვა გზით; ორ სხეულს შორის ტემპერატურის სხვაობა არასოდეს გაიზრდება სპონტანურად. სითბოს გადატანა ცივი სხეულიდან ცხელ სხეულზე მოითხოვს სამუშაოს შესრულებას გარე ენერგიის წყაროს მიერ, როგორიცაა სითბოს ტუმბო.
სამყაროს ბედი
მეორე კანონი ასევე პროგნოზირებს სამყაროს დასასრულს. ეს არის უწესრიგობის საბოლოო დონე, თუ ყველგან არის მუდმივი თერმული წონასწორობა, ვერანაირი სამუშაო ვერ შესრულდება და მთელი ენერგია დასრულდება ატომებისა და მოლეკულების შემთხვევით მოძრაობად. თანამედროვე მონაცემებით, მეტაგალაქტიკა გაფართოებული არასტაციონარული სისტემაა და სამყაროს სითბურ სიკვდილზე საუბარი არ შეიძლება. სითბოს სიკვდილიარის თერმული წონასწორობის მდგომარეობა, რომელშიც ყველა პროცესი ჩერდება.
ეს პოზიცია მცდარია, რადგან თერმოდინამიკის მეორე კანონი მოქმედებს მხოლოდ დახურულ სისტემებზე. და სამყარო, როგორც მოგეხსენებათ, უსაზღვროა. თუმცა, თავად ტერმინი "სამყაროს სითბური სიკვდილი" ზოგჯერ გამოიყენება სამყაროს მომავალი განვითარების სცენარის აღსანიშნავად, რომლის მიხედვითაც ის გააგრძელებს უსასრულობის გაფართოებას სივრცის სიბნელეში მანამ, სანამ არ გადაიქცევა გაფანტულ ცივ მტვრად..
