6.3: Закони термодинаміки

Last updated
Save as PDF

Page ID: 1773

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Навички для розвитку

Обговорюємо поняття ентропії
Поясніть перший і другий закони термодинаміки

Термодинаміка відноситься до вивчення енергії та передачі енергії за участю фізичної речовини. Питання та її середовище, що мають відношення до конкретного випадку передачі енергії, класифікуються як система, і все, що знаходиться поза цією системою, називається оточенням. Наприклад, при нагріванні каструлі з водою на плиті система включає плиту, горщик та воду. Енергія передається всередині системи (між плитою, каструлею і водою). Існує два типи систем: відкрита і закрита. Відкрита система - це та, в якій енергія може передаватися між системою і її оточенням. Система плити відкрита, оскільки тепло може втрачатися в повітрі. Закрита система - це та, яка не може передавати енергію своєму оточенню.

Біологічні організми - це відкриті системи. Енергія обмінюється між ними та їх оточенням, оскільки вони споживають накопичують енергію молекули і виділяють енергію в навколишнє середовище, виконуючи роботу. Як і всі речі у фізичному світі, енергія підпорядковується законам фізики. Закони термодинаміки регулюють передачу енергії в і між усіма системами у Всесвіті.

Перший закон термодинаміки

Перший закон термодинаміки стосується загальної кількості енергії у Всесвіті. У ньому зазначено, що це загальна кількість енергії є постійним. Іншими словами, завжди було і буде, точно така ж кількість енергії у Всесвіті. Енергія існує в самих різних формах. Згідно з першим законом термодинаміки, енергія може передаватися з місця на місце або трансформуватися в різні форми, але вона не може бути створена або знищена. Перенесення і перетворення енергії відбуваються навколо нас весь час. Лампочки перетворюють електричну енергію в енергію світла. Газові плити перетворюють хімічну енергію з природного газу в теплову енергію. Рослини виконують одне з найбільш біологічно корисних енергетичних перетворень на землі: перетворення енергії сонячного світла в хімічну енергію, що зберігається в органічних молекулах (рис. 2.3.b.1). Деякі приклади енергетичних перетворень наведені на рис\(\PageIndex{1}\).

Завдання для всіх живих організмів полягає в тому, щоб отримати енергію з оточення у формах, які вони можуть передавати або перетворювати в корисну енергію для виконання роботи. Живі клітини еволюціонували, щоб дуже добре відповісти на цю проблему. Хімічна енергія, що зберігається в органічних молекулах, таких як цукри та жири, перетворюється за допомогою серії клітинних хімічних реакцій в енергію всередині молекул АТФ. Енергія в молекулах АТФ легко доступна для роботи. Приклади видів роботи, які повинні зробити клітини, включають побудову складних молекул, транспортування матеріалів, посилення руху вій або джгутиків, скорочення м'язових волокон для створення руху та розмноження.

У лівій частині цієї діаграми зображена енергія, що передається з конуса морозива двом хлопчикам, які їдуть на велосипеді. На правій стороні зображено рослина, що перетворює світлову енергію в хімічну енергію. — Малюнок\(\PageIndex{1}\): Показані два приклади передачі енергії з однієї системи в іншу і трансформується з однієї форми в іншу. Люди можуть перетворити хімічну енергію в їжі, як цей конус морозива, в кінетичну енергію (енергію руху, щоб їздити на велосипеді). Рослини можуть перетворювати електромагнітне випромінювання (світлову енергію) від сонця в хімічну енергію. (Кредит «морозиво»: модифікація роботи Д.Шарон Прюітт; кредит «діти на велосипедах»: модифікація роботи Мішель Рігген-Ренсом; кредит «лист»: модифікація роботи Корі Занкера)

Другий закон термодинаміки

Основні завдання живої клітини з отримання, перетворення та використання енергії для роботи можуть здатися простими. Однак другий закон термодинаміки пояснює, чому ці завдання важче, ніж вони здаються. Жодна з обговорених нами передач енергії, разом з усіма передачами енергії та перетвореннями у Всесвіті, не є повністю ефективною. При кожній передачі енергії деяка кількість енергії втрачається в непридатному для використання вигляді. У більшості випадків такою формою є теплова енергія. Термодинамічно теплова енергія визначається як енергія, що передається від однієї системи до іншої, яка не робить роботи. Наприклад, коли літак летить по повітрю, частина енергії літаючого літака втрачається у вигляді теплової енергії через тертя з навколишнім повітрям. Це тертя фактично нагріває повітря за рахунок тимчасового збільшення швидкості молекул повітря. Так само деяка енергія втрачається як теплова енергія під час клітинних метаболічних реакцій. Це добре для таких теплокровних істот, як ми, адже теплова енергія допомагає підтримувати температуру нашого тіла. Власне кажучи, ніяка передача енергії не є повністю ефективною, тому що деяка енергія втрачається в непридатному вигляді.

Важливою концепцією у фізичних системах є порядок і розлад (також відомий як випадковість). Чим більше енергії, яка втрачається системою до свого оточення, тим менш впорядкована і більш випадкова система. Вчені називають міру випадковості або розладу всередині системи як ентропію. Висока ентропія означає високий розлад і низьку енергію (рис.\(\PageIndex{2}\)). Щоб краще зрозуміти ентропію, подумайте про студентську спальню. Якби в нього не було вкладено ніякої енергії або роботи, приміщення швидко стане безладним. Він існував би в дуже невпорядкованому стані, одному з високої ентропії. Енергію потрібно вкласти в систему, у вигляді того, як студент виконує роботу і відкладає все подалі, щоб повернути кімнату в стан чистоти і порядку. Цей стан є одним з низької ентропії. Точно так само автомобіль або будинок необхідно постійно підтримувати з роботою, щоб тримати його в упорядкованому стані. Залишившись наодинці, ентропія будинку або автомобіля поступово збільшується через іржу та деградацію. Молекули та хімічні реакції також мають різну кількість ентропії. Наприклад, коли хімічні реакції досягають стану рівноваги, ентропія збільшується, а в міру того, як молекули при високій концентрації в одному місці дифузно і розтікаються, ентропія також збільшується.

Науковий зв'язок: передача енергії та результуюча ентропія

Налаштуйте простий експеримент, щоб зрозуміти, як передається енергія і як відбувається зміна ентропії.

Візьміть брилу льоду. Це вода в твердому вигляді, тому вона має високий структурний порядок. Це означає, що молекули не можуть дуже сильно рухатися і знаходяться у фіксованому положенні. Температура льоду становить 0°С, внаслідок чого ентропія системи низька.
Дайте льоду розтанути при кімнатній температурі. Який стан молекул в рідкій воді зараз? Як відбувалася передача енергії? Ентропія системи вище або нижче? Чому?
Нагрійте воду до температури кипіння. Що відбувається з ентропією системи при нагріванні води?

Усі фізичні системи можна думати таким чином: Живі істоти дуже впорядковані, що вимагає постійного споживання енергії, щоб підтримувати в стані низької ентропії. Оскільки живі системи приймають молекули, що зберігають енергію, і перетворюють їх за допомогою хімічних реакцій, вони втрачають певну кількість корисної енергії в процесі, оскільки жодна реакція не є повністю ефективною. Вони також виробляють відходи та побічні продукти, які не є корисними джерелами енергії. Цей процес збільшує ентропію оточення системи. Оскільки всі передачі енергії призводять до втрати якоїсь корисної енергії, другий закон термодинаміки стверджує, що кожна передача або перетворення енергії збільшує ентропію Всесвіту. Незважаючи на те, що живі істоти високо впорядковані і підтримують стан низької ентропії, ентропія Всесвіту в цілому постійно збільшується через втрату корисної енергії з кожною передачею енергії, що відбувається. По суті, живі істоти перебувають у безперервній боротьбі з цим постійним збільшенням універсальної ентропії.

Ця діаграма показує, що тверді речовини мають регулярне розташування упаковки та низьку ентропію, тоді як рідини мають неправильну упаковку та вищу ентропію. — Малюнок\(\PageIndex{2}\): Ентропія - це міра випадковості або розладу в системі. Гази мають більш високу ентропію, ніж рідини, а рідини мають більш високу ентропію, ніж тверді речовини.

Резюме

При вивченні енергетики вчені використовують термін «система» для позначення матерії та її середовища, що беруть участь у передачі енергії. Все, що знаходиться поза системою, називається оточенням. Одиночні клітини - це біологічні системи. Системи можна вважати, що мають певну кількість замовлення. Потрібна енергія, щоб зробити систему більш впорядкованою. Чим більш впорядкована система, тим нижче її ентропія. Ентропія - це міра розладу системи. Оскільки система стає більш невпорядкованою, тим нижча її енергія і тим вище стає її ентропія.

Ряд законів, званих законами термодинаміки, описують властивості і процеси передачі енергії. Перший закон стверджує, що загальна кількість енергії у Всесвіті постійна. Це означає, що енергія не може бути створена або знищена, тільки передана або перетворена. Другий закон термодинаміки стверджує, що кожна передача енергії передбачає деякі втрати енергії в непридатному вигляді, наприклад, теплової енергії, що призводить до більш невпорядкованої системи. Іншими словами, ніяка передача енергії не є повністю ефективною і прагне до розладу.

Глосарій

ентропія (S): міра випадковості або розладу всередині системи

тепло: енергетична енергія, що передається від однієї системи до іншої, яка не працює (енергія руху молекул або частинок)

термодинаміка: вивчення енергетичної та енергетичної передачі за участю фізичної речовини