Como a energia é gerada, como ela é convertida de uma forma para outra e o que acontece com a energia em um sistema fechado? Todas essas perguntas podem ser respondidas pelas leis da termodinâmica. A segunda lei da termodinâmica será discutida com mais detalhes hoje.
Leis na vida cotidiana
As leis regem a vida diária. As leis de trânsito dizem que você deve parar nos sinais de parada. O governo exige doar parte de seu salário ao estado e ao governo federal. Mesmo os científicos são aplicáveis à vida cotidiana. Por exemplo, a lei da gravidade prevê um resultado bastante ruim para aqueles que tentam voar. Outro conjunto de leis científicas que afetam a vida cotidiana são as leis da termodinâmica. Então, aqui estão alguns exemplos para ver como eles afetam a vida diária.
A Primeira Lei da Termodinâmica
A primeira lei da termodinâmica afirma que a energia não pode ser criada ou destruída, mas pode ser transformada de uma forma para outra. Isso também é às vezes referido como a lei da conservação da energia. Então como ése aplica à vida cotidiana? Bem, tome, por exemplo, o computador que você está usando agora. Alimenta-se de energia, mas de onde vem essa energia? A primeira lei da termodinâmica nos diz que essa energia não pode vir do ar, então ela veio de algum lugar.
Você pode rastrear essa energia. O computador é alimentado por eletricidade, mas de onde vem a eletricidade? Isso mesmo, de uma usina ou hidrelétrica. Se considerarmos o segundo, ele estará associado a uma barragem que retém o rio. O rio tem uma conexão com a energia cinética, o que significa que o rio está fluindo. A barragem converte essa energia cinética em energia potencial.
Como funciona uma usina hidrelétrica? A água é usada para girar a turbina. Quando a turbina gira, um gerador é acionado, o que gerará eletricidade. Essa eletricidade pode ser executada inteiramente em fios da usina até sua casa, de modo que, quando você conecta o cabo de alimentação a uma tomada elétrica, a eletricidade entra no seu computador para que ele funcione.
O que aconteceu aqui? Já havia uma certa quantidade de energia que estava associada à água do rio como energia cinética. Em seguida, transformou-se em energia potencial. A barragem então pegou essa energia potencial e a transformou em eletricidade, que poderia entrar em sua casa e alimentar seu computador.
A Segunda Lei da Termodinâmica
Ao estudar esta lei, pode-se entender como funciona a energia e por que tudo se move parapossível caos e desordem. A segunda lei da termodinâmica também é chamada de lei da entropia. Você já se perguntou como o universo surgiu? De acordo com a Teoria do Big Bang, antes de tudo nascer, uma enorme quantidade de energia se reuniu. O Universo apareceu após o Big Bang. Tudo isso é bom, mas que tipo de energia era? No início dos tempos, toda a energia do universo estava contida em um lugar relativamente pequeno. Essa intensa concentração representava uma enorme quantidade do que é chamado de energia potencial. Com o tempo, ele se espalhou por toda a vasta extensão do nosso universo.
Em uma escala muito menor, o reservatório de água contido pela barragem contém energia potencial, pois sua localização permite que ela flua pela barragem. Em cada caso, a energia armazenada, uma vez liberada, se espalha e o faz sem nenhum esforço. Em outras palavras, a liberação de energia potencial é um processo espontâneo que ocorre sem a necessidade de recursos adicionais. À medida que a energia é distribuída, parte dela é convertida em energia útil e realiza algum trabalho. O resto é convertido em inutilizável, simplesmente chamado de calor.
À medida que o universo continua a se expandir, ele contém cada vez menos energia utilizável. Se menos útil estiver disponível, menos trabalho poderá ser feito. Como a água flui através da barragem, ela também contém menos energia útil. Essa diminuição na energia utilizável ao longo do tempo é chamada de entropia, onde a entropia éa quantidade de energia não utilizada no sistema, e o sistema é apenas uma coleção de objetos que compõem o todo.
Entropia também pode ser referida como a quantidade de aleatoriedade ou caos em uma organização sem organização. À medida que a energia utilizável diminui ao longo do tempo, a desorganização e o caos aumentam. Assim, à medida que a energia potencial acumulada é liberada, nem toda ela é convertida em energia útil. Todos os sistemas experimentam esse aumento de entropia ao longo do tempo. Isso é muito importante para entender e esse fenômeno é chamado de segunda lei da termodinâmica.
Entropia: acaso ou defeito
Como você deve ter adivinhado, a segunda lei segue a primeira, comumente chamada de lei da conservação da energia, e afirma que a energia não pode ser criada e não pode ser destruída. Em outras palavras, a quantidade de energia no universo ou em qualquer sistema é constante. A segunda lei da termodinâmica é comumente chamada de lei da entropia, e afirma que, com o passar do tempo, a energia se torna menos útil e sua qualidade diminui ao longo do tempo. Entropia é o grau de aleatoriedade ou defeitos que um sistema possui. Se o sistema é muito desordenado, então ele tem uma grande entropia. Se houver muitas falhas no sistema, a entropia é baixa.
Em termos simples, a segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia de um sistema não pode diminuir ao longo do tempo. Isso significa que na natureza as coisas passam de um estado de ordem para um estado de desordem. E é irreversível. O sistema nuncase tornará mais ordenado por conta própria. Em outras palavras, na natureza, a entropia de um sistema sempre aumenta. Uma maneira de pensar sobre isso é a sua casa. Se você nunca limpar e aspirar, em breve você terá uma bagunça terrível. A entropia aumentou! Para reduzi-lo, é necessário usar energia para usar um aspirador de pó e um esfregão para limpar a superfície da poeira. A casa não se limpa sozinha.
Qual é a segunda lei da termodinâmica? A formulação em palavras simples diz que quando a energia muda de uma forma para outra, a matéria se move livremente ou a entropia (desordem) em um sistema fechado aumenta. As diferenças de temperatura, pressão e densidade tendem a se estabilizar horizontalmente ao longo do tempo. Devido à gravidade, densidade e pressão não se igualam verticalmente. A densidade e a pressão na parte inferior serão maiores do que na parte superior. A entropia é uma medida da propagação de matéria e energia onde quer que tenha acesso. A formulação mais comum da segunda lei da termodinâmica está associada principalmente a Rudolf Clausius, que disse:
É impossível construir um dispositivo que não produza outro efeito que não seja a transferência de calor de um corpo com temperatura mais baixa para um corpo com temperatura mais alta.
Em outras palavras, tudo tenta manter a mesma temperatura ao longo do tempo. Existem muitas formulações da segunda lei da termodinâmica que usam termos diferentes, mas todos significam a mesma coisa. Outra declaração de Clausius:
O calor em si não épassando de um corpo frio para um corpo mais quente.
A segunda lei só se aplica a grandes sistemas. Diz respeito ao comportamento provável de um sistema no qual não há energia ou matéria. Quanto maior o sistema, mais provável é a segunda lei.
Outra redação da lei:
A entropia total sempre aumenta em um processo espontâneo.
O aumento da entropia ΔS durante o curso do processo deve ser superior ou igual à razão entre a quantidade de calor Q transferida para o sistema e a temperatura T na qual o calor é transferido. Fórmula da segunda lei da termodinâmica:
Sistema Termodinâmico
Em um sentido geral, a formulação da segunda lei da termodinâmica em termos simples afirma que as diferenças de temperatura entre sistemas em contato entre si tendem a se igualar e que o trabalho pode ser obtido a partir dessas diferenças de não equilíbrio. Mas, neste caso, há uma perda de energia térmica e a entropia aumenta. As diferenças de pressão, densidade e temperatura em um sistema isolado tendem a se igualar se houver oportunidade; densidade e pressão, mas não a temperatura, dependem da gravidade. Uma máquina térmica é um dispositivo mecânico que fornece trabalho útil devido à diferença de temperatura entre dois corpos.
Um sistema termodinâmico é aquele que interage e troca energia com a área ao seu redor. A troca e a transferência devem ocorrer pelo menos de duas maneiras. Uma maneira deve ser a transferência de calor. Se umo sistema termodinâmico "está em equilíbrio", não pode mudar seu estado ou status sem interagir com o ambiente. Simplificando, se você está em equilíbrio, você é um "sistema feliz", não há nada que você possa fazer. Se você quer fazer algo, deve interagir com o mundo exterior.
A segunda lei da termodinâmica: a irreversibilidade dos processos
É impossível ter um processo cíclico (repetitivo) que converta completamente calor em trabalho. Também é impossível ter um processo que transfira calor de objetos frios para objetos quentes sem usar trabalho. Alguma energia em uma reação é sempre perdida para o calor. Além disso, o sistema não pode converter toda a sua energia em energia de trabalho. A segunda parte da lei é mais óbvia.
Um corpo frio não pode aquecer um corpo quente. O calor naturalmente tende a fluir das áreas mais quentes para as mais frias. Se o calor vai de mais frio para mais quente, é contrário ao que é "natural", então o sistema precisa fazer algum trabalho para que isso aconteça. A irreversibilidade dos processos na natureza é a segunda lei da termodinâmica. Esta é talvez a lei mais famosa (pelo menos entre os cientistas) e importante de toda a ciência. Uma de suas formulações:
A entropia do Universo tende ao máximo.
Em outras palavras, a entropia permanece a mesma ou aumenta, a entropia do Universo nunca pode diminuir. O problema é que sempredireita. Se você pegar um frasco de perfume e borrifá-lo em uma sala, logo os átomos perfumados preencherão todo o espaço, e esse processo é irreversível.
Relações em termodinâmica
As leis da termodinâmica descrevem a relação entre energia térmica ou calor e outras formas de energia, e como a energia afeta a matéria. A primeira lei da termodinâmica afirma que a energia não pode ser criada ou destruída; a quantidade total de energia no universo permanece in alterada. A segunda lei da termodinâmica diz respeito à qualidade da energia. Ele afirma que, à medida que a energia é transferida ou convertida, mais e mais energia utilizável é perdida. A segunda lei também afirma que existe uma tendência natural de qualquer sistema isolado se tornar mais desordenado.
Mesmo quando a ordem aumenta em um determinado lugar, quando você leva em conta todo o sistema, incluindo o ambiente, sempre há um aumento na entropia. Em outro exemplo, cristais podem se formar a partir de uma solução salina quando a água é evaporada. Os cristais são mais ordenados do que as moléculas de sal em solução; no entanto, a água evaporada é muito mais desordenada do que a água líquida. O processo como um todo resulta em um aumento líquido da desordem.
Trabalho e energia
A segunda lei explica que é impossível converter energia térmica em energia mecânica com 100% de eficiência. Um exemplo pode ser dado comde carro. Após o processo de aquecimento do gás para aumentar sua pressão para acionar o pistão, sempre resta algum calor no gás que não pode ser usado para realizar nenhum trabalho adicional. Este calor residual deve ser descartado transferindo-o para um radiador. No caso de um motor de carro, isso é feito extraindo o combustível gasto e a mistura de ar para a atmosfera.
Além disso, qualquer dispositivo com partes móveis cria atrito que converte energia mecânica em calor, que geralmente é inutilizável e deve ser removido do sistema transferindo-o para um radiador. Quando um corpo quente e um corpo frio estão em contato um com o outro, a energia térmica fluirá do corpo quente para o corpo frio até atingirem o equilíbrio térmico. No entanto, o calor nunca voltará ao contrário; a diferença de temperatura entre dois corpos nunca aumentará espontaneamente. Mover calor de um corpo frio para um corpo quente requer trabalho a ser feito por uma fonte de energia externa, como uma bomba de calor.
O Destino do Universo
A segunda lei também prevê o fim do universo. Este é o nível máximo de desordem, se houver equilíbrio térmico constante em todos os lugares, nenhum trabalho pode ser feito e toda a energia terminará como o movimento aleatório de átomos e moléculas. De acordo com dados modernos, a Metagalaxy é um sistema não estacionário em expansão, e não se pode falar da morte térmica do Universo. morte por caloré um estado de equilíbrio térmico no qual todos os processos param.
Esta posição é errônea, pois a segunda lei da termodinâmica se aplica apenas a sistemas fechados. E o universo, como você sabe, é ilimitado. No entanto, o próprio termo "morte térmica do Universo" às vezes é usado para se referir a um cenário para o desenvolvimento futuro do Universo, segundo o qual ele continuará a se expandir ao infinito na escuridão do espaço até se transformar em poeira fria espalhada..
