המשאבה התמידית היא אחת ממכונות התנועה התמידית הרבות שתוכננו לאורך השנים, במטרה לייצר תנועה רציפה, ולעתים קרובות, כתוצאה מכך, אנרגיה חופשית. העיצוב פשוט למדי: מים זורמים ממשטח מורם מעל גלגל מים, המחובר להילוכים, אשר בתורו מפעילה משאבה המושכת מים מהשטח בחזרה אל הרציף המוגבה, שם התהליך מתחיל מחדש שוב.
כשאתה שומע לראשונה על עיצוב כזה, אתה עשוי לחשוב שזה אפשרי ואפילו רעיון טוב. ומדענים של היום הסכימו, עד שהתגלו חוקי התרמודינמיקה וביסו את תקוותם של כולם לתנועה מתמדת בבת אחת.
חוקי התרמודינמיקה הם כמה מחוקי הפיזיקה החשובים ביותר. הם שואפים לתאר אנרגיה, כולל האופן שבו היא מועברת ונשמרת, יחד עם המושג המכריע שלאנטרופיהשל מערכת, שהיא החלק ההורג כל תקווה לתנועה תמידית. אם אתה סטודנט לפיזיקה, או שאתה רק מחפש להבין את התרמודינמיקה הרבים תהליכים המתרחשים סביבך, לימוד ארבעת החוקים של התרמודינמיקה הוא צעד מכריע המסע שלך.
מהי תרמודינמיקה?
תרמודינמיקה היא ענף בפיזיקה שלומדאנרגיית חום ואנרגיה פנימיתבמערכות תרמודינמיות. אנרגיית חום היא האנרגיה המועברת דרך העברת חום, ואנרגיה פנימית יכולה להיחשב בסכום האנרגיה הקינטית והאנרגיה הפוטנציאלית לכל החלקיקים במערכת.
על ידי שימוש בתיאוריה הקינטית ככלי - המסביר את תכונות גוף החומר על ידי לימוד התנועות של החלקיקים המרכיבים אותו - פיזיקאים הצליחו ליצור קשרים מכריעים רבים בין חשוב כמיות. כמובן, חישוב האנרגיה הכוללת של מיליארדי אטומים לא יהיה מעשי, בהתחשב באקראיות היעילה שלהם תנועות מדויקות, ולכן התהליכים ששימשו להפקת היחסים נבנו סביב מכניקה סטטיסטית וכדומה גישות.
בעיקרו של דבר, הפשטות ההנחות והתמקדות בהתנהגות "הממוצעת" על פני מספר רב של מולקולות נתנו מדענים הכלים לנתח את המערכת כולה, מבלי להיתקע בחישובים אינסופיים עבור אחד ממיליארדים של אטומים.
כמויות חשובות
כדי להבין את חוקי התרמודינמיקה, עליך לוודא שאתה מבין כמה מהמונחים החשובים ביותר.טֶמפֶּרָטוּרָההוא מדד לאנרגיה הקינטית הממוצעת למולקולה בחומר - כלומר עד כמה המולקולות מסתובבות (בנוזל או בגז) או רוטטות במקום (במוצק). יחידת ה- SI לטמפרטורה היא קלווין, שם 0 קלווין מכונה "אפס מוחלט", שהוא ה- הטמפרטורה הקרה ביותר האפשרית (בניגוד לאפס טמפרטורה במערכות אחרות), שם כל התנועה המולקולרית מפסיק.
אנרגיה פנימיתהיא האנרגיה הכוללת של המולקולות במערכת, כלומר סכום האנרגיה הקינטית והאנרגיה הפוטנציאלית שלהן. הבדל בטמפרטורה בין שני חומרים מאפשר לחום לזרום, שהוא האנרגיית תרמיתשעובר מאחד לשני.עבודה תרמודינמיתהינה עבודה מכנית המתבצעת תוך שימוש באנרגיית חום, כמו במנוע חום (המכונה לפעמים מנוע קרנו).
אנטרופיההוא מושג שקשה להגדירו בבירור במילים, אך באופן מתמטי הוא מוגדר כקבוע של בולצמן (k = 1.381 × 10−23 M2 ק"ג−1 ק−1) מוכפל בלוגריתם הטבעי של מספר המיקרו-מצבים במערכת. במילים, זה מכונה לעתים קרובות המדד ל"הפרעה ", אך ניתן לחשוב עליו בצורה מדויקת יותר כמידה אשר לא ניתן להבחין במצבה של מערכת ממספר רב של מצבים אחרים במבט מקרוסקופי רָמָה.
לדוגמא, בחוט אוזניות סבוך יש מספר רב של סידורים אפשריים ספציפיים, אך רובם נראים סתם כמו "סבוכים" כמו האחרים וכך יש אנטרופיה גבוהה יותר מאשר מצב שבו החוט מפותל בצורה מסודרת ללא סבך.
חוק הזרות של התרמודינמיקה
החוק האפסני של התרמודינמיקה מקבל את המספר שלו כי החוק הראשון, השני והשלישי הם הידועים ביותר מלומדים באופן נרחב, עם זאת, חשוב לא פחות כשמדובר בהבנת האינטראקציות של תרמודינמיקה מערכות. חוק האפסות קובע כי אם מערכת תרמית A נמצאת בשיווי משקל תרמי עם מערכת תרמית B, ו- מערכת B נמצאת בשיווי משקל תרמי עם מערכת C, ואז מערכת A חייבת להיות בשיווי משקל עם המערכת ג.
קל לזכור אם אתה חושב על המשמעות של מערכת אחת להיות בשיווי משקל עם מערכת אחרת. חשיבה במונחים של חום וטמפרטורה: שתי מערכות נמצאות בשיווי משקל זו בזו כאשר החום זרם ככזה כדי להביא אותם לאותה טמפרטורה, כמו הטמפרטורה החמימה האחידה שמקבלים זמן מה לאחר ששופכים מים רותחים לכד קר יותר מים.
כאשר הם נמצאים בשיווי משקל (כלומר באותה טמפרטורה), לא מתרחש העברת חום או כל כמות קטנה של זרימת חום מתבטלת במהירות בזרימה מהמערכת האחרת.
כשחושבים על זה, זה הגיוני שאם תביא מערכת שלישית למצב זה, היא תעבור לכיוון שיווי משקל עם המערכת השנייה, ואם היא נמצאת בשיווי משקל, היא תהיה גם בשיווי משקל עם הראשונה מערכת מדי.
החוק הראשון של התרמודינמיקה
החוק הראשון של התרמודינמיקה קובע כי השינוי באנרגיה הפנימית של מערכת (∆U) שווה לחום המועבר למערכת (ש) פחות העבודה שנעשתה על ידי המערכת (W). בסמלים זה:
∆U = Q - W
זו בעצם אמירה של חוק שימור האנרגיה. המערכת צוברת אנרגיה אם מועבר אליה חום ומאבדת אותה אם היא עובדת על מערכת אחרת, וזרימת האנרגיה מתהפכת במצבים הפוכים. כזכור שחום הוא סוג של העברת אנרגיה, ועבודה היא העברת אנרגיה מכנית, קל לראות שהחוק הזה פשוט קובע מחדש את שימור האנרגיה.
החוק השני של התרמודינמיקה
החוק השני של התרמודינמיקה קובע כי האנטרופיה הכוללת של מערכת סגורה (כלומר מערכת מבודדת) לעולם אינה פוחתת, אך היא יכולה להגדיל או להישאר (תיאורטית) זהה.
זה מתפרש לעתים קרובות כמשמעות שה"הפרעה "של כל מערכת מבודדת גוברת עם הזמן, אך כפי שנדון לעיל זו אינה דרך מדויקת לחלוטין להסתכל על המושג, אם כי הוא רחב ימין. החוק השני של התרמודינמיקה קובע למעשה כי תהליכים אקראיים מובילים ל"הפרעה "במובן המתמטי הקפדני של המונח.
מקור נפוץ נוסף לתפיסה מוטעית לגבי החוק השני של התרמודינמיקה הוא המשמעות של "סגור מערכת." יש לראות זאת כמערכת מבודדת מהעולם החיצון, אך ללא בידוד זה, אנטרופיהפחיתלְהַקְטִין. לדוגמא, חדר שינה מבולגן שנותר לבד לעולם לא יהיה מסודר יותר, אבל זהפחיתלעבור למצב מאורגן יותר של אנטרופיה נמוכה יותר אם מישהו נכנס ועובד על זה (כלומר מנקה אותו).
החוק השלישי של התרמודינמיקה
החוק השלישי של התרמודינמיקה קובע שככל שטמפרטורת המערכת מתקרבת לאפס מוחלט, האנטרופיה של המערכת מתקרבת לקבוע. במילים אחרות, החוק השני משאיר את האפשרות שהאנטרופיה של מערכת יכולה להישאר קבועה, אך החוק השלישי מבהיר כי הדבר מתרחש רק בשעהאפס מוחלט.
החוק השלישי גם מרמז כי (ולעיתים נקבע כ) אי אפשר להפחית את הטמפרטורה של המערכת לאפס מוחלט עם מספר סופי של פעולות. במילים אחרות, אי אפשר בעצם להגיע לאפס מוחלט, אם כי אפשר להתקרב אליו מאוד ולמזער את העלייה באנטרופיה למערכת.
כאשר מערכות מתקרבות מאוד לאפס מוחלט, התנהגות חריגה יכולה להיגרם. לדוגמא, קרוב לאפס מוחלט, חומרים רבים מאבדים כל התנגדות לזרימת הזרם החשמלי, ועוברים למצב הנקרא מוליכות-על. הסיבה לכך היא שהתנגדות לזרם נוצרת על ידי אקראיות התנועה של גרעיני ה- אטומים במוליך - קרוב לאפס מוחלט, הם בקושי זזים, ולכן ההתנגדות ממוזערת.
מכונות תנועה תמידיות
חוקי התרמודינמיקה וחוק שימור האנרגיה מסבירים מדוע מכונות לתנועה תמידית אינן אפשריות. תמיד תהיה אנרגיה "בזבוזית" כלשהי שנוצרה בתהליך לכל עיצוב שתבחר, בהתאם לחוק השני של התרמודינמיקה: האנטרופיה של המערכת תגדל.
חוק שימור האנרגיה מראה שכל אנרגיה במכונה חייבת להגיע מאיפה שהוא, וה- הנטייה לאנטרופיה מראה מדוע המכונה לא תעביר אנרגיה בצורה מושלמת מצורה אחת לאחרת.
בעזרת גלגל המים והמשאבה מההקדמה, על גלגל המים להיות חלקים נעים (למשל, הסרן והציר שלו) חיבור לגלגל, ולהילוכים המעבירים את האנרגיה למשאבה), ואלה ייצרו חיכוך, יאבדו מעט אנרגיה כ חוֹם.
זה אולי נראה כמו בעיה קטנה, אבל גם עם ירידה קטנה בתפוקת האנרגיה, המשאבה לא תוכל לקבלאת כלשל המים לגבות אל המשטח המוגבה, ובכך להפחית את האנרגיה הזמינה לניסיון הבא. ואז, בפעם הבאה, תהיה עוד אנרגיה מבוזבזת ויותר מים שלא יוכלו לשאוב, וכן הלאה. בנוסף לכך, יהיה גם אובדן אנרגיה ממנגנוני המשאבה.
האנטרופיה של היקום ואתה
כשחושבים על החוק השני של התרמודינמיקה, אתה עשוי לתהות: אם האנטרופיה של מבודד המערכת עולה, איך יכול להיות שמערכת "מסודרת" כל כך כמו בן אדם הגיעה אליה לִהיוֹת? איך הגוף שלי לוקח קלט מופרע בצורת אוכל והופך אותו לתאים ואיברים שתוכננו בקפידה? האם נקודות אלו אינן מתנגשות עם החוק השני של התרמודינמיקה?
שני טיעונים אלה עושים את אותה הטעות: בני האדם אינם "מערכת סגורה" (כלומר מערכת מבודדת). במובן המחמיר של העולם מכיוון שאתה מתקשר עם ויכול לקחת אנרגיה מהסביבה עוֹלָם.
כאשר החיים הופיעו לראשונה על פני כדור הארץ, למרות שהעניין הפך מאנטרופיה גבוהה יותר למצב אנטרופיה תחתונה, הייתה קלטת אנרגיה למערכת מהשמש, ואנרגיה זו מאפשרת למערכת להפוך לאנטרופיה נמוכה יותר זְמַן. שים לב שבתרמודינמיקה, ה"יקום "מתייחס לרוב לסביבה המקיפה מדינה, ולא לכל היקום הקוסמי.
לדוגמא של גוף האדם היוצר סדר בתהליך יצירת תאים, איברים ואפילו בני אדם אחרים, התשובה היא ה אותו דבר: אתה לוקח אנרגיה מבחוץ, וזה מאפשר לך לעשות כמה דברים שנראים כמנוגדים לחוק השני של תֶרמוֹדִינָמִיקָה.
אם היית מנותק לחלוטין ממקורות אנרגיה אחרים, וניצלת את כל האנרגיה המאוחסנת בגופך, זה אכן יהיה נכון שלא יכולת לייצר תאים או לבצע כל אחד ממגוון הפעילויות השומרות עליך תִפקוּד. ללא התנגדותך לכאורה לחוק השני של התרמודינמיקה, היית מת.