Termodinamikas pirmais un otrais likums
Apskatīt video Khan Academy platformā: 
First and second laws of thermodynamics
Transkripts:
00:00
- [Lektors] Ja paņem ļoti karstu kafiju,
00:01
teiksim, termosā,
00:02
un atstāj to istabā,
00:03
tad tu zini, ka šī kafija
00:04
automātiski, pati no sevis sāks atdzist,
00:07
līdz sasniegs istabas temperatūru, vai ne?
00:10
Bet mans jautājums ir – kāpēc nevar notikt pretējais?
00:13
Kāpēc istabas temperatūras kafija
00:16
nevar automātiski, pati no sevis uzsilt?
00:19
Es zinu, tas izklausās pēc muļķīga jautājuma,
00:20
jo mēs neredzam, ka tā notiktu,
00:22
bet kāpēc gan ne? Kāpēc tas nenotiek?
00:24
Tieši šādi jautājumi noveda mūs pie atklājuma par
00:27
vienu no dziļākajiem termodinamikas principiem,
00:31
un tieši to mēs šajā video apgūsim.
00:35
Pirms mēs sākam,
00:35
tā kā notiks daudz
00:36
enerģijas pārneses,
00:38
ir svarīgi, lai mēs būtu pārliecināti,
00:40
ka runājam par vienu un to pašu,
00:41
un viens no veidiem, kā to izdarīt,
00:43
ir definēt jēdzienus,
00:44
ko sauc par sistēmu un apkārtējo vidi, labi?
00:46
Tātad, kas īsti ir sistēma?
00:48
Sistēma būtībā ir lietu kopa, kas mūs interesē.
00:52
Piemēram, ja es apvelku robežu ap šo kafiju
00:56
un nosaucu savu kafiju par sistēmu,
00:59
tad visas šīs kafijas molekulas
01:02
tagad kļūst par daļu no manas sistēmas,
01:04
un viss, kas atrodas ārpus šīs robežas,
01:06
piemēram, gaisa molekulas termosā,
01:10
paša termosa molekulas,
01:13
un galds, un istaba, un viss pārējais,
01:15
kļūst par apkārtējo vidi.
01:17
Tātad, saproti?
01:18
Tātad, tev ir sistēma, tev ir robeža,
01:20
un tad viss, kas ir ārpus šīs robežas,
01:22
ir apkārtējā vide.
01:23
Robeža, protams, ir iedomāta,
01:25
bet mēs varam definēt savu sistēmu, kā vien vēlamies.
01:28
Piemēram, cits veids, kā es varētu definēt savu sistēmu,
01:32
būtu, novelkot robežu šeit.
01:37
Tagad es teiktu, ka, lūk,
01:40
viss, kas ir termosā,
01:42
kafijas molekulas, gaisa molekulas šeit,
01:46
ieskaitot pašu termosu,
01:48
tagad ir mana sistēma, tie ir mani interešu objekti,
01:52
un viss ārpus tās
01:53
tagad kļūst par apkārtējo vidi, skaidrs?
01:56
Mēs esam pilnīgi brīvi definēt, kas ir mūsu sistēma.
01:59
Un vēl viens piemērs,
02:01
es varēju definēt savu sistēmu arī
02:03
kā daļu no kafijas
02:05
un daļu no termosa, kā esmu šeit parādījis,
02:09
un atkal, viss pārējais kļūst par apkārtējo vidi.
02:10
Šis varbūt nebūtu mums pats noderīgākais variants,
02:13
bet mēs varam izvēlēties, ko vien gribam, labi?
02:16
Tagad, atlikušajā video daļā,
02:17
definēsim šo kā mūsu sistēmu un apkārtējo vidi.
02:21
Pieņemsim, ka termoss
02:22
un visas molekulas termosā,
02:25
viss tas būs mūsu sistēma,
02:27
un viss pārējais būs mūsu apkārtējā vide.
02:30
Labi, tagad paskatīsimies, kas īsti notika,
02:32
kad mūsu kafija atdzisa.
02:34
Sākotnēji mūsu sistēmai ir ļoti augsta temperatūra.
02:36
Tas nozīmē, ka šīs sistēmas daļiņām,
02:38
principā, kafijas molekulām
02:39
un visām šīm šeit,
02:41
ir ļoti augsta vidējā kinētiskā enerģija.
02:44
Atceries, tieši tā ir temperatūra, vai ne?
02:47
Bet vēlāk mūsu sistēma atdzisa,
02:49
mūsu sistēmas temperatūra samazinājās.
02:51
Tas nozīmē, ka daļiņu vidējā kinētiskā enerģija
02:53
noteikti kļuva mazāka.
02:55
Tas nozīmē, ka šī sistēma zaudēja daļu enerģijas.
02:59
Kur tā palika?
03:00
Tu droši vien vari uzminēt.
03:01
Tai bija jānonāk apkārtējā vidē.
03:04
Un, lūk, kas ir svarīgi.
03:06
Ja mūsu sistēma zaudēja noteiktu enerģijas daudzumu,
03:08
apkārtējā vide noteikti ieguva
03:10
tieši tādu pašu enerģijas daudzumu, pareizi,
03:12
jo enerģiju nevar ne radīt, ne iznīcināt,
03:14
vai ne?
03:15
Zini ko?
03:16
Tieši to mēs saucam par
03:17
pirmo termodinamikas likumu (smejas), skaidrs?
03:20
Pirmais termodinamikas likums
03:21
būtībā ir enerģijas nezūdamības likums.
03:23
Tu nevari iznīcināt vai radīt enerģiju,
03:25
enerģijai vienmēr jābūt uzskaitītai.
03:27
Mūsu gadījumā, runājot par sistēmu un apkārtējo vidi,
03:31
tas būtībā nozīmē,
03:32
ka sistēmas zaudētajai vai iegūtajai enerģijai
03:35
jābūt precīzi vienādai ar iegūto vai zaudēto enerģiju
03:38
apkārtējā vidē.
03:39
Pirms turpinām,
03:40
viens jautājums, kas varētu rasties, ir:
03:43
kad sistēma zaudēja enerģiju,
03:44
tās temperatūra ievērojami kritās.
03:46
Apkārtējā vide ir ieguvusi tādu pašu enerģijas daudzumu,
03:49
tātad tās temperatūrai vajadzētu ievērojami pieaugt, vai ne,
03:52
tad kāpēc istaba vienkārši nepaliek karstāka?
03:55
Īsā atbilde ir,
03:56
jā, apkārtējā vide ir ieguvusi tādu pašu enerģijas daudzumu,
03:59
bet atceries, apkārtējā vidē ir daudz vairāk molekulu
04:02
salīdzinājumā ar sistēmu.
04:04
Tev ir tik daudz vairāk molekulu,
04:05
un, atceries, apkārtējā vide ir
04:07
gaisa molekulas šeit, šīs istabas molekulas,
04:10
un vēl daudz kas cits,
04:11
tā kā mūsu apkārtējā vidē ir daudz vairāk molekulu,
04:14
salīdzinājumā ar sistēmu,
04:16
tad enerģija, to sadalot
04:18
starp visām šīm molekulām,
04:19
iegūtā vidējā kinētiskā enerģija
04:21
ir gandrīz niecīga.
04:24
Tā rezultātā
04:25
apkārtējās vides temperatūra gandrīz nemainās.
04:28
Labi (smejas), tagad tas mūs noved
04:29
pie mūsu galvenā jautājuma.
04:30
Ja tev ir augstas temperatūras sistēma, kā mūsu karstā kafija,
04:34
tā var automātiski atdzist,
04:36
pārnesot enerģiju uz apkārtējo vidi.
04:39
Kāpēc nevar notikt pretējais?
04:41
Kāpēc enerģija nevar plūst no apkārtējās vides
04:43
uz mūsu istabas temperatūras sistēmu
04:46
un paaugstināt tās temperatūru?
04:48
Jautājums, par ko patiešām ir vērts padomāt, ir:
04:50
vai tas pārkāpj pirmo termodinamikas likumu?
04:53
Kāpēc gan neapturēt video un par to padomāt?
04:56
Labi, paskatīsimies.
04:57
Kamēr vien mēs nodrošinām,
04:59
ka manas sistēmas iegūtā enerģija
05:02
ir precīzi vienāda ar apkārtējās vides zaudēto enerģiju,
05:06
viss ir kārtībā.
05:07
Pirmajam termodinamikas likumam ar to nav problēmu.
05:10
Redzi, ja mēs domājam tikai
05:11
no pirmā termodinamikas likuma viedokļa,
05:13
karsta kafija var atdzist pati no sevis,
05:16
un arī pretējam procesam vajadzētu būt iespējamam.
05:18
Tāpēc mēs sakām, ka šis nav muļķīgs jautājums.
05:21
Tā kā mēs zinām, ka tas nenotiek,
05:24
tas nozīmē, ka jābūt vēl kaut kam.
05:27
Ir jābūt vēl kādam likumam,
05:29
kas varētu to nepieļaut.
05:30
Kas tas ir?
05:32
Tas ir otrais termodinamikas likums,
05:35
un tas nosaka, ka entropija nevar spontāni samazināties.
05:42
Es zinu, tas atkal rada daudz jautājumu,
05:44
tāpēc vispirms mēģināsim saprast, kas ir entropija.
05:46
Par entropiju var domāt daudzos veidos,
05:48
bet man patīk par to domāt šādi:
05:51
tas ir mērs tam, cik ļoti tava enerģija ir izkliedējusies.
05:54
Ko tas nozīmē?
05:56
Lai to saprastu, atkal aplūkosim jaunu sistēmu.
05:58
Šoreiz aplūkosim
06:00
visu istabu un visu, kas tajā atrodas,
06:03
kā mūsu sistēmu,
06:04
un pieņemsim, ka šī sistēma ir izolēta
06:06
no tās apkārtējās vides.
06:08
Viss ārpus istabas tagad kļūst par apkārtējo vidi,
06:10
un pieņemsim, ka tā ir izolēta.
06:11
Tas nozīmē, teiksim, ka,
06:14
nenotiek enerģijas pārnese
06:15
starp sistēmu un apkārtējo vidi,
06:16
mēs esam visu izolējuši,
06:18
kas īstenībā nav iespējams,
06:19
bet pieņemsim tā, labi?
06:21
Tas nozīmē, lai kas notiktu manā sistēmā,
06:23
enerģijai jāpaliek sistēmas iekšienē, skaidrs?
06:25
Enerģija nevar nekur izkļūt.
06:27
Tā mēs pieņemam.
06:28
Labi, ja mēs atgriežamies pie sākotnējiem apstākļiem,
06:31
kad kafija bija ļoti karsta,
06:33
jā, šī konkrētā kafija bija ļoti karsta,
06:35
tad, lūk, šī enerģija bija koncentrēta šeit,
06:39
bija liela enerģijas koncentrācija,
06:40
un tāpēc mēs teiktu,
06:42
ka mūsu sistēmas entropija bija zema.
06:45
Bet tad, kad kafija atdzisa,
06:50
manas jaunās sistēmas, visas šīs sistēmas, kopējā enerģija
06:54
palika nemainīga, pareizi,
06:56
jo enerģija vienkārši pārgāja
06:57
no kafijas un termosa
06:58
uz istabu.
06:59
Enerģija nav mainījusies,
07:01
bet enerģija tagad ir vairāk izkliedēta, vai ne?
07:05
Tāpēc tagad entropija ir palielinājusies.
07:09
Tātad, tas nozīmē, ka mēs sākām ar zemu entropiju,
07:13
jo sākumā
07:14
mums bija zināma enerģijas koncentrācija,
07:16
un tad mēs virzījāmies uz augstu entropiju,
07:19
jo enerģija kļuva izkliedētāka.
07:21
Jo izkliedētāka kļūst enerģija,
07:23
jo augstāka kļūst entropija.
07:25
Labi, ko tad saka otrais likums?
07:27
Otrais likums saka,
07:28
ka entropija nevar spontāni samazināties.
07:30
Citiem vārdiem sakot,
07:31
enerģija nevar spontāni koncentrēties.
07:35
Enerģija var spontāni izkliedēties,
07:38
tas var notikt,
07:39
bet tā nevar spontāni koncentrēties.
07:42
Tieši to nosaka mūsu otrais termodinamikas likums.
07:45
Paskatīsimies, vai mēs varam to tagad pielietot šeit.
07:47
Ja aplūkojam situāciju šobrīd,
07:49
un ja paskatāmies uz entropiju tagad,
07:50
enerģija ir diezgan izkliedēta.
07:52
Salīdzinot ar to, kā bija sākotnēji,
07:54
enerģija bija nedaudz vairāk koncentrēta kafijā.
07:58
Rezultātā mēs sākām
07:59
ar sistēmu, kurai bija nedaudz zemāka entropija,
08:01
un, laikam ejot, entropija palielinājās,
08:04
enerģija kļuva izkliedētāka.
08:06
Tas notiek, līdz temperatūra
08:09
kļūst vienāda.
08:10
Kad tas notiek, mēs sakām, ka ir sasniegts siltuma līdzsvars.
08:14
Tas nozīmē, ka pēc tam
08:16
vairs nenotiks būtiska enerģijas ieplūde
08:19
vai enerģijas izplūde,
08:20
vismaz makroskopiskā līmenī.
08:22
Mēs esam sasnieguši siltuma līdzsvaru,
08:24
un, kad tas ir noticis, enerģija ir izkliedējusies,
08:27
rezultātā entropija ir palielinājusies.
08:29
Tas var notikt
08:30
saskaņā ar otro termodinamikas likumu.
08:32
Bet kāpēc nevar notikt pretējais?
08:34
Kāpēc enerģija no mūsu istabas
08:35
nevar vienkārši ieplūst mūsu kafijā?
08:37
Ja tas notiktu, tad, lūk,
08:40
enerģija kļūtu koncentrētāka,
08:42
un tāpēc enerģija tagad...
08:43
entropija tagad samazinātos,
08:46
un otrais likums saka, ka tas nevar notikt spontāni.
08:49
Entropija nevar spontāni samazināties.
08:52
Tāpēc kafija, istabas temperatūras kafija,
08:55
nevar spontāni kļūt karstāka.
08:58
Mani fascinē tas, ka mēs to uztveram kā pašu par sevi saprotamu.
09:01
Es domāju, mēs zinām, ka tas nevar notikt,
09:03
bet iemesls ir entropija.
09:05
Tas nav tik vienkārši (smejas).
09:08
Tas ir diezgan forši, ja padomā, vai ne?
09:10
Un forši ir arī tas,
09:11
ka tas ir iemesls, kāpēc siltums vienmēr plūst
09:13
no karsta ķermeņa uz aukstu ķermeni, spontāni,
09:16
jo tā palielinās entropija,
09:19
un tas ir atļauts,
09:21
bet pretējais process notikt nevar.
09:22
Ja siltums spontāni plūstu
09:24
no auksta ķermeņa uz karstu,
09:25
tad tas pārkāptu otro termodinamikas likumu.
09:28
Entropija samazinātos.
09:30
Tas nav atļauts.
09:31
Bet, lai nu kā, tas mūs noved pie pēdējā jautājuma.
09:33
Kā ir ar ledusskapjiem?
09:35
Ja tu padomā,
09:37
ledusskapja iekšpuse ir diezgan auksta,
09:40
un, tā kā siltums plūst ārā no ledusskapja
09:42
visu laiku,
09:43
tas nozīmē, ka siltums plūst no aukstā reģiona
09:46
uz siltu, siltāku, karstāku reģionu,
09:49
tas ir tieši pretēji tam, ko teicām.
09:51
Vai tas pārkāpj otro termodinamikas likumu?
09:54
Nē, jo atslēgas vārds šeit ir "spontāni".
09:59
Mēs teicām, ka tas nevar notikt spontāni.
10:02
Ledusskapis to nedara spontāni,
10:04
tas to dara, izmantojot elektroenerģiju.
10:07
Tur ir siltumsūknis, kas darbojas ar elektrību,
10:10
un, izmantojot elektrību, tas sūknē siltumu ārā.
10:14
Redzi, tas nenotiek pats no sevis.
10:16
Tas izmanto elektrību, lai to darītu, tāpēc viss ir kārtībā.
10:19
Tas nav spontāns process,
10:20
tāpēc tas nepārkāpj otro likumu.
10:21
Tu vari iedomāties, ja pazūd elektrība,
10:24
tad siltums sāks plūst atpakaļ iekšā
10:25
un viss tavs ēdiens sabojāsies.
10:27
Bet tagad tu varētu teikt – pagaidi,
10:28
kā ar sistēmas entropiju?
10:31
Nu, tagad mums jābūt uzmanīgiem,
10:32
jo, redzi, tā kā mēs ņemam elektrību,
10:35
tas nozīmē, ka šī sistēma vairs nav izolēta sistēma.
10:40
Vieglāks veids, kā par to domāt, būtu,
10:42
tā vietā, lai to pieslēgtu mūsu rozetei,
10:46
pieņemsim, ka ledusskapis ir pievienots ģeneratoram,
10:49
un tagad mēs varam nodrošināt,
10:51
ka mums joprojām ir pilnīgi izolēta sistēma,
10:53
mums nav nepieciešama enerģija no ārpuses.
10:55
Šis ir elektriskais ģenerators, pieņemsim,
10:56
tas izmanto dīzeļdegvielu un pārvērš to elektrībā.
11:00
Kas tagad notiktu?
11:01
Padomā par to.
11:03
Pirms mēs ieslēdzam ģeneratoru,
11:05
ģeneratorā ir nedaudz dīzeļdegvielas.
11:07
Dīzeļdegviela satur enerģiju.
11:09
Tā nav siltumenerģija, tā satur ķīmisko enerģiju,
11:12
bet tā ir koncentrēta enerģija.
11:15
Tas nozīmē, ka sākotnēji,
11:16
bija zemas entropijas saliņa
11:19
visā šajā sistēmā, vai ne?
11:22
Labi, kas notiek, kad mēs iedarbinām ģeneratoru?
11:25
Kas notiek ar šo zemas entropijas ķīmisko enerģiju
11:27
dīzeļdegvielā?
11:29
Tā galu galā izdalās kā siltums
11:31
un pārvēršas par siltumenerģiju,
11:34
visu šeit esošo daļiņu siltumenerģiju,
11:36
kas nozīmē, ka enerģija ir izkliedējusies,
11:38
un rezultātā, lūk, entropija galu galā ir palielinājusies.
11:42
Tādēļ, ja tu pareizi ņem vērā
11:45
visus enerģijas avotus,
11:46
visu enerģiju sistēmā,
11:48
tu atklāsi, ka entropija nekad nesamazinās.
11:52
Protams, ir iespējams aktīvi izsūknēt siltumu
11:56
un panākt, ka vienas sistēmas daļas entropija
11:59
kļūst zemāka,
12:01
bet rezultātā tu atklāsi,
12:03
ka kādas citas sistēmas daļas entropija
12:05
vienmēr palielināsies,
12:06
lai nodrošinātu, ka kopējās sistēmas entropija
12:09
nekad nekļūst mazāka,
12:10
tā tikai,
12:11
var palikt nemainīga vai tikai kļūt lielāka.
12:14
Nav nekāda veida (smejas),
12:16
kā pārkāpt otro termodinamikas likumu.
Eksperta komentārs
Video sākas ar intuitīvu jautājumu: kāpēc karsta kafija termosā, atrodoties vēsākā vidē, pati no sevis atdziest, bet istabas temperatūras kafija nekad spontāni nesāk uzsilt. Lai uz šo jautājumu atbildētu, video vispirms skaidri ievieš sistēmas un apkārtējās vides jēdzienus, uzsverot, ka sistēmas robežas ir brīvi definējamas atkarībā no tā, ko konkrētajā situācijā vēlamies analizēt. Tālāk termoss ar kafiju tiek aplūkots kā sistēma, bet viss pārējais – kā apkārtējā vide.
Balstoties uz enerģijas nezūdamības principu, tiek formulēts pirmais termodinamikas likums: ja sistēma zaudē noteiktu enerģijas daudzumu, apkārtējā vide iegūst tieši tikpat lielu enerģijas daudzumu. Video uzsver, ka kafijas atdzišana nozīmē sistēmas iekšējās enerģijas (un līdz ar to molekulu vidējās kinētiskās enerģijas) samazināšanos, bet šī enerģija obligāti tiek nodota apkārtējai videi. Vienlaikus paskaidrots, kāpēc apkārtējās vides temperatūra praktiski nemainās – enerģija tiek sadalīta starp ļoti lielu molekulu skaitu.
Atgriežoties pie sākotnējā jautājuma, video parāda, ka pirmais termodinamikas likums pats par sevi neaizliedz arī pretēju procesu, proti, enerģijas spontānu pāreju no apkārtējās vides uz kafiju. Šajā brīdī tiek ieviests otrais termodinamikas likums, kas nosaka, ka entropija nevar spontāni samazināties. Entropija tiek interpretēta kā enerģijas izkliedes mērs: koncentrētai enerģijai atbilst zema entropija, bet izkliedētai – augsta entropija.
Uz kafijas piemēra tiek parādīts, ka atdzišanas procesā enerģija no sākotnēji koncentrēta stāvokļa kafijā izkliedējas plašākā sistēmā (kafija + istaba), tādējādi entropija palielinās. Pretējs process – enerģijas spontāna koncentrēšanās kafijā – nozīmētu entropijas samazināšanos, kas saskaņā ar otro termodinamikas likumu nav iespējama.
Noslēgumā video skaidro, kāpēc šķietamie izņēmumi, piemēram, ledusskapis, nepārkāpj otro termodinamikas likumu. Uzsvērts, ka šādos gadījumos siltuma pārnese no aukstāka reģiona uz siltāku nenotiek spontāni, bet gan ar ārējas enerģijas (elektrības) palīdzību. Aplūkojot visu sistēmu kopumā, tostarp enerģijas avotu, kopējā entropija vienmēr palielinās vai paliek nemainīga, bet nekad nesamazinās.
Jēdzieni: temperatūra, siltuma pārnese, sistēma, apkārtēja vide, enerģijas daudzums, entropija.