- Закон збереження енергії - фундаментальний закон природи Зміст цього закону в найбільш короткій формулюванні...
- ентропія
- Вічний двигун
Закон збереження енергії - фундаментальний закон природи
Зміст цього закону в найбільш короткій формулюванні формулюється так: "Енергія будь-якої замкнутої системи при всіх процесах, що відбуваються в системі, залишається постійною. Енергія може тільки перетворюватися з однієї форми в іншу і перерозподілятися між частинами системи. Для незамкненою системи збільшення / зменшення її енергії одно убутку / зростанню енергії взаємодіючих з нею тіл і фізичних полів. "
Закон збереження енергії - фундаментальний закон природи, встановлений емпірично і полягає в тому, що для ізольованою фізичної системи може бути введена скалярна фізична величина, що є функцією параметрів системи і називається енергією, яка зберігається з плином часу.
Закон збереження енергії говорить, що енергія не створюється з нічого і не втрачається безслідно. При всіх що відбуваються в природі процеси один вид енергії перетворюється в інший. Хімічна енергія батарейок ліхтарика перетворюється в електричну, в лампочці електрична енергія перетворюється в теплову і світлову - це простий приклад «енергетичного ланцюжка», що показує як один вид енергії перетворюється в інший.
Оскільки закон збереження енергії відноситься не до конкретних величин і явищ, а відображає загальну, придатну всюди і завжди, закономірність, то його можна назвати не законом, а принципом збереження енергії.
Коефіцієнт корисної дії
На перший погляд закон збереження енергії як би стверджує, що енергія при будь-яких перетвореннях не повинна губитися. Але всі ми знайомі з поняттям коефіцієнта корисної дії, тобто знаємо, що перетворення енергії одного виду в інший пов'язано з втратами енергії. Протиріччя тут немає, оскільки мова йде про «корисну дію». Коли ми говоримо про коефіцієнт корисної дії ми завжди, явно чи неявно, маємо на увазі певний процес перетворення енергії в роботу, причому порівнюємо при цьому кількість витраченої енергії з отриманої роботою. Але коефіцієнт корисної дії жодного реального (незворотного) процесу не може бути 100% при перетворенні енергії в роботу (цей принцип відомий як другий закон термодинаміки). Причина в тому, що в ході будь-якого такого процесу мають місце неминучі втрати енергії, в основному на тертя і нагрівання беруть участь в процесі тел. Тертя - це в результаті теж нагрівання, тобто частина витраченої енергії завжди переходить в теплоту.
Коефіцієнт корисної дії (ККД) висловлюють у відсотках.
ККД механізму тим більше, чим більша частина споживаної енергії перетворюється в необхідну енергію. Наприклад, а середньому автомобіль перетворює лише 15% хімічної енергії бензину в кінетичну енергію. Вся інша енергія перетворюється в тепло. ККД флуоресцентних ламп вище ККД звичайних електричних лампочок, оскільки у флуоресцентних лампах більше електрики перетворюється в світло і менше йде на виробництво тепла.
Але при описі таких пристроїв як теплові насоси ми зустрічаємося з твердженнями, що їх ККД перевищує 100%. На перший погляд може здатися, що тут є якась суперечність з законом збереження енергії. Насправді ж тут просто некоректно використовується поняття ККД. Дійсно, гідністю теплових насосів як нагрівальної техніки є можливість отримувати більше теплоти, ніж витрачається енергії на їх роботу. Холодильна машина може відвести від охолоджуваного кінця більше теплоти, ніж витрачається енергії на організацію процесу. Але для характеристики ефективності теплового насоса потрібно застосовувати не ККД, а коефіцієнт перетворення або опалювальний коефіцієнт СОР (coefficient of performance), що дорівнює відношенню енергії, що віддається споживачу теплоти до потужності, споживаної компресором. Оскільки енергія, що віддається споживачу перекачується від джерела цієї теплоти, значення коеффициента перетворення може бути і більше 100%.
ентропія
Отже, ми бачимо, що при будь-якому перетворенні енергії в роботу кількість «корисною» енергії зменшується, тобто кількість енергії для перетворення в роботу або теплоту безперервно зменшується з часом, так як теплота спонтанно переходить з більш теплою області до більш холодної. Але перший закон термодинаміки говорить, що енергію неможливо створити або знищити. Отже, кількість енергії у Всесвіті завжди таке ж, як було і при її створенні. Іншими словами, кількість енергії у Всесвіті залишається постійним, але можливість використання її для того, щоб виконати корисну роботу, зменшується кожного разу теплопередачі та виконанні роботи. Це явище в науці прийнято характеризувати величиною, яка називається ентропією.
Ентропія - це скорочення доступної енергії речовини в результаті передачі енергії. Ентропія використовується для вимірювання зменшення придатності енергії в результаті процесу.
Термін «ентропія» використовується для опису кількості хаотичності в будь-якій системі. У термодинаміки ентропія вказує розташування молекул речовини або організацію енергії системи. Системи або речовини з високим значенням ентропії більш дезорганізовані, ніж з низьким. Наприклад, у молекул в твердих тілах певна кристалічна структура, завдяки чому вони краще організовані, і у них нижче значення ентропії. При повідомленні тілу теплоти і зміні його стану на рідке збільшується рівень його ентропії, так як кінетична енергія збільшує коливання молекул, в результаті чого їх положення стає випадковим.
Ентропія збільшується, коли рідина змінює стан на газоподібне при споживанні більшої кількості теплової енергії. Така ж аналогія існує при описі порядку джерел енергії. Якщо енергія укладена в обмеженому джерелі, у неї низьке значення ентропії. Якщо вона розподілена серед великої кількості молекул, її інтенсивність зменшується, збільшуючи ентропію. Наприклад, якщо 1,05 кДж енергії в 1000 молекул передати 1 мільйону молекул, інтенсивність енергії зменшиться, а ентропія зросте.
Ентропію важко зрозуміти, так як це абстрактне поняття безладу енергії у Всесвіті. Цей безлад пов'язаний зі зменшенням придатності енергії для перетворення в роботу. Енергія завжди стає недоступною, якщо процеси зменшують її інтенсивність, поширюючи її по всесвіту. Якщо енергія розподілена серед незліченних молекул всесвіту, різниця температур найхолодніших і найтепліших ділянок зменшується. Якщо різниця температур зменшується, теплова енергія, яку можна перетворити в корисну роботу, також зменшується. Отже, будь-який процес, який виробляє збільшення ентропії, зменшує енергію для майбутніх процесів. В кінцевому рахунку настане момент, коли ентропія всесвіту наблизиться до максимального значення, і перетворення теплоти в роботу стане неможливим.
Абсолютна ентропія (S) речовини або процесу - це зміна доступної енергії при теплопередачі при даній температурі (Btu / R, Дж / К). Математично ентропія дорівнює теплопередачі, поділеній на абсолютну температуру, при якій відбувається процес. Отже, процеси передачі великої кількості теплоти більше збільшують ентропію. Також зміни ентропії збільшаться при передачі теплоти при низькій температурі. Так як абсолютна ентропія стосується придатності всієї енергії всесвіту, температуру зазвичай вимірюють в абсолютних одиницях (R, К).
Питому ентропію (S) вимірюють щодо одиниці маси речовини. Температурні одиниці, які використовуються при обчисленні різниць ентропії станів, часто наводяться з температурними одиницями в градусах за Фаренгейтом або Цельсієм. Так як відмінності в градусах між шкалами Фаренгейта і Ренкина або Цельсія і Кельвіна рівні, рішення в таких рівняннях буде правильним незалежно від того, виражена ентропія в абсолютних або звичайних одиницях.
Всі процеси перетворення енергії в кінцевому рахунку збільшують ентропію всесвіту. Висновок звідси - корисна робота може проводитися тільки до тих пір, поки не вичерпалися запаси доступної нам енергії.
Вічний двигун
Люди століттями мріяли (деякі все ще мріють) створити пристрій, здатний нескінченно здійснювати роботу без витрат палива або інших енергетичних ресурсів. Але відповідно до закону збереження енергії, всі спроби створити такий двигун приречені на провал. До висновку про неможливість створення вічного двигуна вчені прийшли після того, як численні спроби створити такий двигун виявилися безуспішними.
Проекти вічних двигунів поділяють на два типи за характером здійснюваної роботи:
Вічний двигун першого роду (фізичний \ механічний, гідравлічний, магнітний) - безперервно діюча машина, яка, будучи запущеною один раз, робить роботу без отримання енергії ззовні. Це пристрої механічного характеру, принцип дії яких грунтується на використанні деяких фізичних явищ, наприклад, на дії сили тяжіння, закон Архімеда, капілярних явищах в рідинах. Можливість роботи такої машини необмежений час означала б отримання енергії з нічого.
Вічний двигун другого роду (природний) - теплова машина, яка в результаті вчинення циклу повністю перетворює в роботу тепло, одержуване від будь-якого одного «невичерпного» джерела (океану, атмосфери і т. П.). Класичний вічний двигун другого роду передбачає можливість накопичення тепла за рахунок роботи, витрати якої менше отриманого тепла, і використання частини цього тепла для повторного вчинення роботи в новому циклі. Таким чином, повинен утворитися надлишок роботи. Інший варіант цього двигуна має на увазі впорядкування хаотичного теплового руху молекул, в результаті чого виникає спрямований рух речовини, що супроводжується зниженням його термодинамічної температури.
В результаті нескінченних спроб створити вічний двигун були сформульовані так звані перше і друге початку термодинаміки, які є наслідками закону збереження енергії:
Перший закон термодинаміки говорить: зміна внутрішньої енергії термодинамічної системи при переході її з одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил над системою і кількості теплоти, переданого системі, і не залежить від способу, яким здійснюється цей перехід, т. Е. Q = ΔU + A. Перше початок термодинаміки часто формулюють як неможливість існування вічного двигуна першого роду, який здійснював би роботу, не черпаючи енергію з будь-якого джерела.
Другий закон термодинаміки стверджує: неможливий процес, єдиним результатом якого була б передача тепла від більш холодного тіла до більш гарячого. Що також означає, що в замкнутій системі ентропія при будь-якому реальному процесі або зростає, або залишається незмінною (т. Е. ΔS ≥ 0). Другий закон термодинаміки є постулатом, що не доводимо в рамках термодинаміки. Воно створено на основі узагальнення дослідних фактів і отримало численні експериментальні підтвердження.
Незважаючи на те, що наука давно і остаточно прийшла до висновку про неможливість створення вічного двигуна, існує безліч ентузіастів, які продовжують розробляти різні проекти такого роду. Щоб переконатися в цьому, досить створити запит на Youtube.com на тему «вічний двигун».
