พลังงานเกิดขึ้นได้อย่างไร พลังงานจากรูปแบบหนึ่งไปสู่อีกรูปแบบหนึ่งเป็นอย่างไร และเกิดอะไรขึ้นกับพลังงานในระบบปิด? คำถามทั้งหมดนี้สามารถตอบได้ตามกฎของอุณหพลศาสตร์ กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์จะถูกกล่าวถึงในรายละเอียดเพิ่มเติมในวันนี้
กฎหมายในชีวิตประจำวัน
กฎหมายใช้ชีวิตประจำวัน กฎหมายจราจรระบุว่าคุณต้องหยุดที่ป้ายหยุด รัฐบาลต้องการให้ส่วนหนึ่งของเงินเดือนแก่รัฐและรัฐบาลกลาง แม้แต่วิทยาศาสตร์ก็ประยุกต์ใช้ในชีวิตประจำวันได้ ตัวอย่างเช่น กฎแห่งแรงโน้มถ่วงทำนายผลลัพธ์ที่ค่อนข้างแย่สำหรับผู้ที่พยายามจะบิน กฎทางวิทยาศาสตร์อีกชุดหนึ่งที่ส่งผลต่อชีวิตประจำวันคือกฎของอุณหพลศาสตร์ ต่อไปนี้คือตัวอย่างบางส่วนเพื่อดูว่าสิ่งเหล่านี้ส่งผลต่อชีวิตประจำวันอย่างไร
กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์
กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์กล่าวว่าพลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ แต่สามารถเปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งเป็นอีกรูปแบบหนึ่งได้ บางครั้งเรียกว่ากฎการอนุรักษ์พลังงาน แล้วมันยังไงล่ะใช้กับชีวิตประจำวัน? ตัวอย่างเช่น คอมพิวเตอร์ที่คุณใช้อยู่ตอนนี้ มันกินพลังงาน แต่พลังงานนี้มาจากไหน? กฎข้อที่หนึ่งของเทอร์โมไดนามิกส์บอกเราว่าพลังงานนี้ไม่สามารถมาจากอากาศ มันจึงมาจากที่ไหนสักแห่ง
คุณสามารถติดตามพลังงานนี้ได้ คอมพิวเตอร์ใช้พลังงานจากไฟฟ้า แต่ไฟฟ้ามาจากไหน? ถูกต้อง จากโรงไฟฟ้าหรือโรงไฟฟ้าพลังน้ำ หากพิจารณาอย่างที่สองแล้ว ก็จะมีความเกี่ยวข้องกับเขื่อนกั้นแม่น้ำ แม่น้ำมีความเกี่ยวข้องกับพลังงานจลน์ซึ่งหมายความว่าแม่น้ำกำลังไหล เขื่อนแปลงพลังงานจลน์นี้เป็นพลังงานศักย์
โรงไฟฟ้าพลังน้ำทำงานอย่างไร? น้ำใช้หมุนกังหัน เมื่อกังหันหมุน เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะถูกตั้งให้เคลื่อนที่ซึ่งจะผลิตกระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้านี้สามารถทำงานเป็นสายไฟทั้งหมดจากโรงไฟฟ้าไปยังบ้านของคุณ ดังนั้นเมื่อคุณเสียบสายไฟเข้ากับเต้ารับไฟฟ้า ไฟฟ้าจะเข้าสู่คอมพิวเตอร์ของคุณเพื่อให้ทำงานได้
เกิดอะไรขึ้นที่นี่? มีพลังงานจำนวนหนึ่งที่เกี่ยวข้องกับน้ำในแม่น้ำเป็นพลังงานจลน์อยู่แล้ว แล้วกลายเป็นพลังงานศักย์ จากนั้นเขื่อนก็นำพลังงานศักย์นั้นมาเปลี่ยนเป็นไฟฟ้า ซึ่งสามารถเข้าไปในบ้านของคุณและจ่ายไฟให้กับคอมพิวเตอร์ของคุณ
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์
โดยการศึกษากฎหมายนี้ เราสามารถเข้าใจว่าพลังงานทำงานอย่างไร และทำไมทุกอย่างถึงเคลื่อนเข้าหาความสับสนวุ่นวายและความผิดปกติที่เป็นไปได้ กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์เรียกอีกอย่างว่ากฎของเอนโทรปี คุณเคยสงสัยหรือไม่ว่าจักรวาลเกิดขึ้นได้อย่างไร? ตามทฤษฎีบิ๊กแบง ก่อนที่ทุกสิ่งจะเกิด พลังงานจำนวนมหาศาลรวมตัวกัน จักรวาลปรากฏขึ้นหลังบิ๊กแบง ทั้งหมดนี้เป็นสิ่งที่ดี แต่มันเป็นพลังงานแบบไหน? ในตอนต้น พลังงานทั้งหมดในเอกภพถูกรวมไว้ในที่ที่ค่อนข้างเล็กแห่งเดียว ความเข้มข้นที่เข้มข้นนี้แสดงถึงจำนวนมหาศาลที่เรียกว่าพลังงานศักย์ เมื่อเวลาผ่านไป มันแผ่ขยายไปทั่วจักรวาลอันกว้างใหญ่ของเรา
ในระดับที่เล็กกว่ามาก อ่างเก็บน้ำที่เขื่อนกักเก็บน้ำไว้มีพลังงานศักย์ เนื่องจากตำแหน่งของมันทำให้สามารถไหลผ่านเขื่อนได้ ในแต่ละกรณี พลังงานที่เก็บไว้ เมื่อถูกปลดปล่อยออกมา จะกระจายออกไปและกระจายออกไปโดยไม่ต้องใช้ความพยายามใดๆ กล่าวอีกนัยหนึ่ง การปล่อยพลังงานศักย์เป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเองโดยไม่จำเป็นต้องใช้ทรัพยากรเพิ่มเติม เมื่อมีการกระจายพลังงาน พลังงานบางส่วนจะถูกแปลงเป็นพลังงานที่มีประโยชน์และทำงานบางอย่าง ส่วนที่เหลือจะถูกแปลงเป็นใช้ไม่ได้เรียกง่ายๆว่าความร้อน
ในขณะที่จักรวาลยังคงขยายตัว จักรวาลก็มีพลังงานที่ใช้งานได้น้อยลงเรื่อยๆ ถ้ามีประโยชน์น้อยกว่าก็ทำงานได้น้อยลง เนื่องจากน้ำไหลผ่านเขื่อนจึงมีพลังงานที่มีประโยชน์น้อยกว่า พลังงานที่ใช้งานได้ลดลงเมื่อเวลาผ่านไปนี้เรียกว่าเอนโทรปี โดยที่เอนโทรปีคือปริมาณพลังงานที่ไม่ได้ใช้ในระบบ และระบบเป็นเพียงชุดของวัตถุที่ประกอบขึ้นเป็นทั้งหมด
เอนโทรปีสามารถเรียกได้ว่าเป็นปริมาณของการสุ่มหรือความโกลาหลในองค์กรที่ไม่มีองค์กร เมื่อพลังงานที่ใช้ได้ลดลงเมื่อเวลาผ่านไป ความระส่ำระสายและความโกลาหลก็เพิ่มขึ้น ดังนั้น เมื่อมีการปลดปล่อยพลังงานศักย์ที่สะสม สิ่งเหล่านี้ไม่ได้ถูกแปลงเป็นพลังงานที่มีประโยชน์ทั้งหมด ระบบทั้งหมดประสบกับการเพิ่มขึ้นของเอนโทรปีเมื่อเวลาผ่านไป สิ่งนี้สำคัญมากที่ต้องเข้าใจ และปรากฏการณ์นี้เรียกว่ากฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์
เอนโทรปี: โอกาสหรือข้อบกพร่อง
อย่างที่คุณอาจเดาได้ กฎข้อที่สองเป็นไปตามกฎข้อแรก โดยทั่วไปจะเรียกว่ากฎการอนุรักษ์พลังงาน และระบุว่าพลังงานไม่สามารถสร้างขึ้นและไม่สามารถถูกทำลายได้ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ปริมาณพลังงานในจักรวาลหรือระบบใดๆ มีค่าคงที่ กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์มักเรียกว่ากฎของเอนโทรปี และถือได้ว่าเมื่อเวลาผ่านไป พลังงานจะมีประโยชน์น้อยลงและคุณภาพจะลดลงเมื่อเวลาผ่านไป เอนโทรปีคือระดับของการสุ่มหรือข้อบกพร่องที่ระบบมี หากระบบไม่เป็นระเบียบแสดงว่ามีเอนโทรปีขนาดใหญ่ หากระบบมีข้อบกพร่องมากมาย แสดงว่าเอนโทรปีต่ำ
พูดง่ายๆ กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ระบุว่าเอนโทรปีของระบบไม่สามารถลดลงได้เมื่อเวลาผ่านไป ซึ่งหมายความว่าในธรรมชาติสิ่งต่าง ๆ เปลี่ยนจากสภาวะที่เป็นระเบียบไปเป็นสภาวะที่ไม่เป็นระเบียบ และมันกลับไม่ได้ ระบบไม่เคยจะมีความเป็นระเบียบมากขึ้นด้วยตัวของมันเอง กล่าวอีกนัยหนึ่งโดยธรรมชาติแล้ว เอนโทรปีของระบบจะเพิ่มขึ้นเสมอ วิธีคิดอย่างหนึ่งก็คือบ้านของคุณ หากคุณไม่เคยทำความสะอาดและดูดฝุ่น อีกไม่นานคุณก็จะพบกับความยุ่งเหยิง เอนโทรปีเพิ่มขึ้น! เพื่อลดการใช้พลังงานจำเป็นต้องใช้เครื่องดูดฝุ่นและไม้ถูพื้นเพื่อทำความสะอาดพื้นผิวของฝุ่น บ้านไม่ทำความสะอาดเอง
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์คืออะไร? สูตรในคำง่ายๆ กล่าวว่าเมื่อพลังงานเปลี่ยนจากรูปแบบหนึ่งไปสู่อีกรูปแบบหนึ่ง สสารจะเคลื่อนที่อย่างอิสระ หรือเอนโทรปี (ความผิดปกติ) ในระบบปิดเพิ่มขึ้น ความแตกต่างของอุณหภูมิ ความดัน และความหนาแน่นมักจะลดลงในแนวนอนเมื่อเวลาผ่านไป เนื่องจากแรงโน้มถ่วง ความหนาแน่น และแรงดันไม่เท่ากันในแนวตั้ง ความหนาแน่นและความดันที่ด้านล่างจะมากกว่าที่ด้านบน เอนโทรปีเป็นตัววัดการแพร่กระจายของสสารและพลังงานทุกที่ที่เข้าถึงได้ สูตรที่พบบ่อยที่สุดของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับรูดอล์ฟ เคลาเซียส ซึ่งกล่าวว่า:
มันเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างอุปกรณ์ที่ไม่ก่อให้เกิดผลกระทบอื่นนอกจากการถ่ายเทความร้อนจากร่างกายที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าไปยังร่างกายที่มีอุณหภูมิสูงกว่า
กล่าวอีกนัยหนึ่งทุกอย่างพยายามรักษาอุณหภูมิให้เท่าเดิมเมื่อเวลาผ่านไป มีกฎข้อที่สองของเทอร์โมไดนามิกส์หลายสูตรที่ใช้คำศัพท์ต่างกัน แต่ทั้งหมดมีความหมายเหมือนกัน คำสั่งของ Clausius อื่น:
ความร้อนตัวเองไม่ใช่จากความหนาวเย็นกลายเป็นร่างกายที่ร้อนขึ้น
กฎข้อที่สองใช้กับระบบขนาดใหญ่เท่านั้น มันเกี่ยวข้องกับพฤติกรรมที่เป็นไปได้ของระบบที่ไม่มีพลังงานหรือสสาร ยิ่งระบบใหญ่เท่าไหร่ กฎข้อที่สองก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น
อีกคำหนึ่งของกฎหมาย:
เอนโทรปีทั้งหมดจะเพิ่มขึ้นเองตามธรรมชาติ
การเพิ่มขึ้นของเอนโทรปี ΔS ในระหว่างกระบวนการต้องเกินหรือเท่ากับอัตราส่วนของปริมาณความร้อน Q ที่ถ่ายโอนไปยังระบบไปยังอุณหภูมิ T ที่ความร้อนถูกถ่ายเท สูตรของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์:
ระบบอุณหพลศาสตร์
ในความหมายทั่วไป การกำหนดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ในเงื่อนไขง่ายๆ ระบุว่าความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างระบบที่สัมผัสกันมีแนวโน้มที่จะเท่ากัน และสามารถได้งานจากความแตกต่างที่ไม่สมดุลเหล่านี้ แต่ในกรณีนี้ มีการสูญเสียพลังงานความร้อน และเอนโทรปีเพิ่มขึ้น ความแตกต่างของความดัน ความหนาแน่น และอุณหภูมิในระบบที่แยกได้มีแนวโน้มที่จะเท่ากันหากได้รับโอกาส ความหนาแน่นและความดัน แต่ไม่ใช่อุณหภูมิ ขึ้นอยู่กับแรงโน้มถ่วง ฮีทเอ็นจิ้นเป็นอุปกรณ์กลไกที่ให้การทำงานที่มีประโยชน์เนื่องจากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างสองร่าง
ระบบอุณหพลศาสตร์เป็นระบบที่โต้ตอบและแลกเปลี่ยนพลังงานกับพื้นที่โดยรอบ การแลกเปลี่ยนและการโอนจะต้องเกิดขึ้นอย่างน้อยสองวิธี วิธีหนึ่งควรถ่ายเทความร้อน ถ้าระบบอุณหพลศาสตร์ "อยู่ในสมดุล" ไม่สามารถเปลี่ยนสถานะหรือสถานะได้โดยไม่โต้ตอบกับสิ่งแวดล้อม พูดง่ายๆ ก็คือ ถ้าคุณอยู่ในภาวะสมดุล คุณคือ "ระบบแห่งความสุข" ไม่มีอะไรที่คุณสามารถทำได้ อยากทำอะไรก็ต้องมีปฏิสัมพันธ์กับโลกภายนอก
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์: กระบวนการย้อนกลับไม่ได้
เป็นไปไม่ได้ที่จะมีกระบวนการแบบวนซ้ำ (ซ้ำ) ที่จะเปลี่ยนความร้อนให้กลายเป็นงานโดยสิ้นเชิง นอกจากนี้ยังเป็นไปไม่ได้ที่จะมีกระบวนการที่ถ่ายเทความร้อนจากวัตถุเย็นไปยังวัตถุอุ่นโดยไม่ต้องใช้งาน พลังงานบางอย่างในปฏิกิริยาจะสูญเสียไปกับความร้อนเสมอ อีกทั้งระบบไม่สามารถแปลงพลังงานทั้งหมดเป็นพลังงานงานได้ ส่วนที่สองของกฎหมายมีความชัดเจนมากขึ้น
ร่างกายที่เย็นไม่สามารถทำให้ร่างกายอบอุ่นได้ ความร้อนมักจะไหลจากบริเวณที่อุ่นกว่าไปยังที่เย็นกว่า หากความร้อนเปลี่ยนจากที่เย็นไปเป็นอุ่นขึ้น ตรงกันข้ามกับสิ่งที่ "เป็นธรรมชาติ" ดังนั้นระบบจึงต้องดำเนินการบางอย่างเพื่อให้เกิดขึ้น กระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ในธรรมชาติคือกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ นี่อาจเป็นกฎที่มีชื่อเสียงที่สุด (อย่างน้อยในหมู่นักวิทยาศาสตร์) และกฎหมายที่สำคัญของวิทยาศาสตร์ทั้งหมด หนึ่งในสูตรของเขา:
เอนโทรปีของจักรวาลมีแนวโน้มสูงสุด
กล่าวอีกนัยหนึ่ง เอนโทรปีจะเท่าเดิมหรือใหญ่ขึ้น เอนโทรปีของจักรวาลไม่มีวันลดลง ปัญหาคือมันเสมอขวา. หากคุณนำขวดน้ำหอมมาฉีดในห้อง อะตอมที่มีกลิ่นหอมจะเข้ามาเติมเต็มพื้นที่ทั้งหมดในไม่ช้า และกระบวนการนี้ไม่สามารถย้อนกลับได้
ความสัมพันธ์ทางอุณหพลศาสตร์
กฎของอุณหพลศาสตร์อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานความร้อนหรือความร้อนกับพลังงานรูปแบบอื่นๆ และผลกระทบของพลังงานที่มีต่อสสาร กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์กล่าวว่าพลังงานไม่สามารถสร้างหรือทำลายได้ ปริมาณพลังงานทั้งหมดในจักรวาลยังคงไม่เปลี่ยนแปลง กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์เกี่ยวกับคุณภาพของพลังงาน โดยระบุว่าเมื่อมีการถ่ายโอนหรือแปลงพลังงาน พลังงานที่ใช้งานได้จะสูญเสียมากขึ้นเรื่อยๆ กฎข้อที่สองยังระบุด้วยว่ามีแนวโน้มตามธรรมชาติที่ระบบที่แยกออกมาจะยุ่งเหยิงมากขึ้น
เมื่อคำสั่งซื้อเพิ่มขึ้นในที่ใดที่หนึ่ง เมื่อคุณคำนึงถึงทั้งระบบรวมถึงสิ่งแวดล้อมด้วย เอนโทรปีก็เพิ่มขึ้นอยู่เสมอ ในอีกตัวอย่างหนึ่ง ผลึกอาจก่อตัวขึ้นจากสารละลายเกลือเมื่อน้ำระเหย ผลึกมีลำดับมากกว่าโมเลกุลของเกลือในสารละลาย อย่างไรก็ตามน้ำระเหยมีความไม่เป็นระเบียบมากกว่าน้ำที่เป็นของเหลว กระบวนการโดยรวมส่งผลให้เกิดความไม่เป็นระเบียบเพิ่มขึ้นสุทธิ
งานและพลังงาน
กฎข้อที่สองอธิบายว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานกลอย่างมีประสิทธิภาพ 100 เปอร์เซ็นต์ ตัวอย่างสามารถให้ด้วยโดยรถยนต์ หลังจากกระบวนการให้ความร้อนกับแก๊สเพื่อเพิ่มแรงดันในการขับเคลื่อนลูกสูบ จะมีความร้อนเหลืออยู่ในแก๊สเสมอซึ่งไม่สามารถใช้งานได้เพิ่มเติม ต้องทิ้งความร้อนเหลือทิ้งนี้โดยถ่ายโอนไปยังหม้อน้ำ ในกรณีของเครื่องยนต์รถยนต์ ทำได้โดยการแยกเชื้อเพลิงที่ใช้แล้วและส่วนผสมของอากาศออกสู่บรรยากาศ
นอกจากนี้ อุปกรณ์ใดๆ ที่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวจะสร้างแรงเสียดทานที่เปลี่ยนพลังงานกลให้เป็นความร้อน ซึ่งมักจะใช้ไม่ได้และต้องนำออกจากระบบโดยถ่ายโอนไปยังหม้อน้ำ เมื่อตัวร้อนและตัวเย็นสัมผัสกัน พลังงานความร้อนจะไหลจากตัวที่ร้อนไปยังตัวที่เย็นจนกระทั่งถึงสมดุลทางความร้อน อย่างไรก็ตาม ความร้อนจะไม่กลับมาเป็นอย่างอื่น ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างร่างกายทั้งสองจะไม่เพิ่มขึ้นตามธรรมชาติ การย้ายความร้อนจากร่างกายที่เย็นไปยังร่างกายที่ร้อนต้องทำงานโดยใช้แหล่งพลังงานภายนอก เช่น ปั๊มความร้อน
ชะตากรรมของจักรวาล
กฎข้อที่สองยังทำนายจุดจบของจักรวาล นี่คือระดับสูงสุดของความไม่เป็นระเบียบ หากมีความสมดุลทางความร้อนคงที่ทุกที่ การทำงานไม่สามารถทำได้และพลังงานทั้งหมดจะจบลงด้วยการเคลื่อนที่แบบสุ่มของอะตอมและโมเลกุล จากข้อมูลที่ทันสมัย Metagalaxy เป็นระบบที่ไม่เคลื่อนที่แบบขยายตัว และไม่มีการพูดถึงความตายด้วยความร้อนของจักรวาล ความร้อนตายเป็นสภาวะสมดุลทางความร้อนที่กระบวนการทั้งหมดหยุดลง
ตำแหน่งนี้ผิดพลาดเนื่องจากกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ใช้กับระบบปิดเท่านั้น และจักรวาลอย่างที่คุณทราบนั้นไร้ขอบเขต อย่างไรก็ตาม คำว่า "ความร้อนตายของเอกภพ" บางครั้งก็ใช้เพื่ออ้างถึงสถานการณ์สำหรับการพัฒนาในอนาคตของจักรวาล โดยที่มันจะยังคงขยายไปสู่ความมืดมิดของอวกาศต่อไปจนกลายเป็นฝุ่นเย็นที่กระจัดกระจาย.