Kierunek procesów w przyrodzie

Czy ciało może spontanicznie wymieniać energię wewnętrzną na mechaniczną i odwrotnie?
Czy zawsze każdy z tych procesów jest możliwy? Okazuje się, że nie, bo przyroda nieustannie dąży do stanu nieuporządkowania…

1. W którą stronę zachodzi wymiana energii?

  • W procesach przebiegających w przyrodzie w sposób spontaniczny energia, w postaci ciepła, przekazywana jest zawsze od ciała cieplejszego do ciała zimniejszego. Niemożliwe jest spontaniczne przekazanie energii w przeciwną stronę.
  • Podobnie, w sposób spontaniczny i nieodwracalny, odbywa się zamiana energii mechanicznej w wewnętrzną, a nie zdarza się nigdy, aby bez ingerencji z zewnątrz zachodził proces odwrotny.

Skojarz na przykładzie!
Zauważ, że ogromna energia wewnętrzna, zawarta chociażby w wodach morskich, nie może być bezpośrednio użyta np. do oświetlenia. Energia ta nie może bowiem spontanicznie przepłynąć z chłodnego oceanu do gorącego włókna żarówki.

Potarcie o siebie zziębniętych dłoni jest zamianą energii mechanicznej na wewnętrzną. Nigdy jednak nie zauważysz, aby energia wewnętrzna Twoich dłoni zamieniła się spontanicznie w ich energię mechaniczną! Podobnie jak energia wewnętrzna powietrza w upalny dzień nie będzie nigdy spontanicznie zamieniała się w energię mechaniczną silnika samochodu!

2. Jak brzmi druga zasada termodynamiki?

Ta zasada termodynamiki ma kilka różnych sformułowań. Wszystkie one sprowadzają się jednak do stwierdzenia, że możliwy jest tylko jeden kierunek zachodzenia spontanicznych procesów w przyrodzie.

  • Niemożliwy jest proces całkowitej zamiany energii pobranej w formie ciepła na pracę mechaniczną.
  • Pobrane ciepło można zamienić w pracę tylko w takim procesie, w którym istnieje przepływ ciepła.
  • Niemożliwy jest przepływ energii w formie ciepła od ciała o niższej do ciała o wyższej temperaturze.

3. Co to jest silnik cieplny?

Silnik cieplny to urządzenie, które jest w stanie zamienić część posiadanej energii wewnętrznej na energię mechaniczną. Proces ten może zachodzić tylko wtedy, gdy jednocześnie zapewnimy przepływ energii od ciała o wyższej temperaturze (T1) do ciała o temperaturze niższej (T2) (rys. 1.).

Skojarz na przykładzie!
W silniku samochodowym źródłem ciepła są gorące gazy, które powstają podczas zapłonu paliwa w cylindrze. Gazy te wykonują pracę, przesuwając tłok. Nadwyżka energii przedostaje się na zewnątrz przez chłodnicę i rurę wydechową.

4. Co to jest sprawność silnika?

Całkowita zamiana energii wewnętrznej na pracę mechaniczną nie zdarza się nigdy! Oznacza to, że każdy silnik zamienia tylko część posiadanej energii wewnętrznej na pracę mechaniczną, oddając pozostałą nadwyżkę do chłodnicy. Stosunek pracy mechanicznej (W), jaką wykonuje silnik, do energii pobranej przez silnik na sposób ciepła (Q), nazywamy sprawnością (η ) i zapisujemy:

5. Jak obliczyć sprawność idealną?

Okazuje się, że maksymalna ilość energii pobranej przez silnik jako ciepło jest zawsze proporcjonalna do różnicy temperatur, jaka panuje między źródłem ciepła (T1) a chłodnicą (T2). Idealną sprawność można więc zapisać równością:

Skojarz na przykładzie!
Jeśli źródło ciepła turbiny parowej ma temperaturę 400 K, a chłodnica ma temperaturę 300 K, to sprawność idealną tej turbiny, w takich warunkach, możesz wyliczyć następująco:

Dlatego też w turbinach parowych, stosowanych w elektrowniach, para jest ogrzewana do bardzo wysokich temperatur. Im wyższa temperatura, tym większa jest sprawność silnika lub turbiny. W każdym z silników, spalinowych czy parowych, istnieje jednak pewna wartość tarcia, która sprawia, że rzeczywista sprawność jest dużo mniejsza.

6. Jak rozkładają się straty energii w silniku samochodowym?

Sprawność silnika samochodowego wynosi około 26%. Ta energia mechaniczna jest zużywana głównie na pokonanie tarcia kół o podłoże oraz pokonywanie oporu powietrza. Tylko niewielka część energii silnika zużyta jest na przyspieszenie samochodu:

7. Co to znaczy, że energia się rozprasza?

Zauważ, że spontaniczna wymiana energii w przyrodzie odbywa się zawsze w taką stronę, że energia staje się coraz mniej użyteczna. W ostateczności rozprasza się w otoczeniu, czyli staje się jego energią wewnętrzną. W tej postaci nie umiemy jej już dalej wykorzystać. Podczas spalania benzyny w silniku samochodowym przeważająca część energii rozprasza się do otoczenia. Jednak nawet ta część, która jest wykorzystana na wykonanie pracy i ruch samochodu, jest w końcu zamieniana w energię wewnętrzną otoczenia podczas tarcia o podłoże i działania hamulców.

Skojarz na przykładzie!
Gdy pchasz pudło po chropowatej powierzchni, to praca, jaką wykonujesz, zamienia się w ostatecznym rachunku w energię wewnętrzną podłoża i pudła, przyczyniając się do jego ogrzania. Inaczej mówiąc, energia kinetyczna (uporządkowana) zamienia się w nieuporządkowaną (wewnętrzną) pudła i podłoża (rys. 2.).

8. Co to jest entropia?

Ciągłe rozpraszanie energii we wszystkich procesach oznacza, że energia bardziej zorganizowana (użyteczna) dąży do tego, aby przekształcić się w formę mniej zorganizowaną, bardziej chaotyczną (nieużyteczną). Podobnie jest na Twoim biurku: porządek, wcześniej czy później, zamieni się w nieporządek. Nazwiesz tak stan, w którym książki będą leżały na nim chaotycznie i przypadkowo…
Miarą nieuporządkowania jest w fizyce wielkość nazywana entropią. Druga zasada dynamiki może być więc również zapisana jako zasada ciągłego wzrostu entropii:

W przyrodzie zachodzą samorzutnie tylko takie procesy, podczas których entropia wzrasta.

Skojarz na przykładzie!
Gdy ułożysz stos monet, a ktoś, przechodząc obok, trąci je, to monety się rozsypią. W ten sposób przejdą one od stanu większego uporządkowania w stan bardziej nieuporządkowany. Nie zdarzy się jednak sytuacja odwrotna i monety nie uporządkują się samorzutnie, bez Twojej pomocy (rys. 3.).

Słoik wypełniony kolorowym gazem zawiera drobiny będące w pewnym uporządkowaniu, bo znajdujące się w obrębie słoika. Po otwarciu słoika drobiny te z łatwością rozprzestrzenią się w całym otoczeniu. Przejdą w stan większego nieuporządkowania. Nie można oczekiwać, że wrócą do słoika samorzutnie i odtworzą stan bardziej uporządkowany, w jakim się znajdowały (rys. 4.).

Jakie procesy są najbardziej prawdopodobne?

We wszystkich zjawiskach przyrody istnieje tendencja do przechodzenia od stanów mniej prawdopodobnych do stanów bardziej prawdopodobnych. W procesach zachodzących spontanicznie zawsze następuje wyrównywanie się różnic: ciśnienia, temperatury, gęstości itp. Takie wyrównywanie różnic prowadzi do coraz większego nieuporządkowania drobin, czyli do wzrostu entropii. Gdy w grę wchodzą ogromne ilości drobin, każdy stan ich przypadkowego uporządkowania jest niezwykle mało prawdopodobny. Podobnie jak po tasowaniu talii kart nie oczekujemy, że ułożą się one przypadkowo w jakikolwiek uporządkowany sposób. Najbardziej prawdopodobny jest więc w przyrodzie stan nieuporządkowania i chaosu.

Tagged
PODYSKUTUJ: