Енергетична криза Але ні, ентропійна криза; Дивовижна наука
І в той же час, на уроці фізики ми це вчимо енергія зберігається: його не можна ні створити, ні знищити. Хіба тут немає протиріччя? Чому нам кажуть про економію енергії, якщо енергія зберігається ?
Щоб зрозуміти цей очевидний парадокс, слід звернутися до цього дивного поняття ентропії. І ми побачимо, що те, що ми зазвичай називаємо енергетичною кризою, насправді є ентропійною кризою. !
Різні форми енергії
У фізиці енергія може надходити у різних формах. Є наприклад кінетична енергія, пропорційна квадрату швидкості, або потенційна енергія гравітації, яка збільшується з висотою.
Часто на уроці фізики ми ілюструємо все це, використовуючи лижника: у верхній частині схилу останній має високу потенційну енергію гравітації, а внизу схилу лижник набув швидкості і, отже, кінетичної енергії.
Якщо сказати, що загальна енергія лижника збережена, ми можемо розрахувати його швидкість вниз, записавши, що кінцева кінетична енергія дорівнює початковій потенційній енергії, як показано на діаграмі нижче:
Все це чудово працює, але що відбувається, коли лижник гальмує? Він опиняється внизу схилу, його потенційна енергія дорівнює нулю, але він перебуває в тупику, тому його кінетична енергія дорівнює рівно нулю. Він втратив всю свою енергію! Чи означає це, що в кінцевому рахунку енергія не буде збережена, і що вона може зникнути ?
ну ні, енергія все ще є, але зараз вона знаходиться в тепловій формі. Коли лижник гальмує, тертя зі снігом виробляє тепло, а температура лиж і снігу піднімається дуже незначно. Це виробництво тепла при гальмуванні не дуже помітно при зупинці лижника, але набагато більше на гальмівних колодках Формули 1 !
Ця історія гальмування та тертя показує нам, що, крім кінетичної або потенційної енергії, слід розглянути ще одну форму енергії: термальна енергія. Для того, щоб мати можливість писати, що загальна енергія ізольованої системи зберігається, важливо врахувати її. Дуже добре, але ми зараз побачимо, що ця теплова енергія має дуже особливий статус.
Всі енергії не створені рівними
Щоб трохи змінити лижника, давайте розглянемо ще один об’єкт, який є класичним на уроках фізики: гарматне ядро !
Візьмемо м’яч вагою 1 кг і уявімо, що я хочу збільшити його загальну енергію на 10000 Джоулів. Для цього у мене є принаймні 3 засоби:
- Підвівши його на вершину 1000-метрової гори, я дав би йому близько 10 000 Джоулів у вигляді потенціалу гравітаційної енергії;
- Щоб розігнати його до 270 км/год, я тоді дам йому 10000 Джоулів у вигляді кінетичної енергії;
- Збільште його температуру приблизно на 15 ° C, і тоді вона отримає своїх 10 000 Джоулів у тепловій формі.
Ці три способи активізувати моє гарматне ядро можуть здатися рівнозначними, але це не так! У перших двох випадках я можу легко відновлювати енергію з мого плота, щоб виконувати роботу. Скажімо, мені потрібно підняти предмет, я все ще можу (наприклад, через систему мотузок і шківів) відновити потенціал або кінетичну енергію мого плота для цього. З тепловою енергією, навпаки, ніяк! У мене м’яч гарячий, але йому неможливо перетворити це тепло в рух самостійно які дозволяють мені відновити свою енергію.
Це невелике порівняння між цими 3 способами подачі енергії кульці ілюструє важливий принцип: всі енергії не рівні, а теплова енергія набагато менш "корисна", ніж інші.
Якісна енергія ?
Щоб зрозуміти, чому теплова енергія менш цікава, ніж інші, вам слід розглянути деталі її природи. На мікроскопічному рівні атоми речовини постійно перебувають у русі. Для газу вони рухаються майже вільно, для твердої речовини вони змушені залишатися в певному місці, але вони можуть коливатися навколо свого положення.
Чим вища температура тіла, тим більше його атоми збуджуються на високій швидкості. Отже, теплова енергія - це просто кінетична енергія перемішування атомів, що складають ваш об’єкт.
Але раптом теплова енергія схожа на кінетичну енергію, чому б вона була такою іншою? Велика різниця в організації! Коли ви рухаєте своє гарматне ядро, ви надаєте йому макроскопічну швидкість, і, отже, кожен атом, який його складає, рухатиметься в тому ж напрямку, що і його сусіди, і з тією ж швидкістю. Тоді як якщо ви нагрієте кулю, кожен атом, який утворює її, почне коливатися швидше, але всі атоми будуть робити це не синхронізовано. В одному випадку рух координований, в іншому - безладно. В одному випадку енергія концентрується, в іншому вона розсіюється.
Ця ідея пояснює нам, як теплова енергія не схожа на інші: це енергія, розсіяна на мікроскопічному рівні, тоді як кінетична енергія або потенційна енергія концентрується на макроскопічному рівні. Тому існує поняття "якість" енергії: і для вимірювання цієї якості ми будемо використовувати ентропію.
Безкоштовна енергія та ентропія
Візьмемо наш м’яч назад. Я збираюся знову дати йому енергію, але змішавши два способи: я проведу його на вершину гори на 1000 метрів, а також підвищу його температуру на 15 ° C. Тому я даю йому загалом 20000 Джоулів: 10000 Дж у потенційній формі та 10000 Дж у тепловій формі.
Ми сказали, що "потенційна" частина цікава, оскільки ми можемо відновити її, щоб виконати якусь роботу: ця корисна частина, ми її назвемо вільна енергія. Розглядаючи загальну енергію системи, ви завжди можете скоротити її навпіл, щоб відокремити вільну енергію від решти, "марної" енергії.
На практиці ми не використовуємо це поняття "марної енергії", і ми використовуємо поняття "ентропія. З причин, які мені не потрібно розширювати, те, що ми називаємо ентропією (і позначаємо через S), насправді є «марною» енергією, поділеною на температуру T. Для будь-якої системи ми маємо, врешті-решт, розкладання загальної енергії E у вільну енергію F та непотрібну частину:
Що слід пам’ятати при цьому розкладанні, це те, що коли ви говорите про систему (наприклад, гарматне ядро), недостатньо дати його загальну енергію, необхідно також вказати її ентропію, щоб ми знали, скільки цієї загальної енергії буде марною.
Ентропійна криза
Давайте заберемо нашого лижника на вершині схилу. Спочатку його енергія знаходиться у потенційній формі, тому концентрована та корисна. Він дозволяє собі опускатися вниз і набуває кінетичну енергію, потім сповільнюється і енергія перетворюється в тепло через тертя.
Підсумок: він почав сповнений хорошої потенційної енергії, а закінчує свою гонку лише тепловою енергією. У ньому все ще стільки ж енергії, але якість енергії не однакова: ентропія зросла !
Як ніщо, цей простий приклад змушує нас торкатися пальцем того, що ми називаємо першими двома принципами термодинаміки, а саме принципом для ізольованої системи:
- Правило № 1: загальна енергія зберігається;
- Правило №2: ентропія може лише збільшуватися (якість енергії може лише погіршуватися)
Сподіваюсь, ви зараз бачите зв’язок з проблемою енергетичної кризи: те саме відбувається, наприклад, з автомобілем чи літаком. Енергія транспортного засобу спочатку знаходиться у хімічній (паливній) або електричній формі, це зосереджена енергія, але під час подорожі вона непоправно зміниться на теплову енергію: ми не втрачаємо енергію, але ентропія збільшується.
Ось наш початковий парадокс розв’язаний: так, це правда, енергія зберігається, але в міру її «споживання» якість цієї енергії в міру зниження зменшується, а ентропія збільшується. Отже, енергетична криза, зрештою, є ентропійною кризою !
Нарешті, я хотів би процитувати вчителя мого батька, який чудово підсумував той факт, що спонтанно якість енергії може лише погіршуватися:
«Якщо ви спуститесь сходами, пересекаючи поруччя, ви помітите невелике прогрівання внизу. З іншого боку, не зігріваючи зад, ти піднімешся! "
Яка краща ілюстрація другого принципу термодинаміки ?
Для подальшого ...
Говорити про термодинаміку просто, завжди трохи складно. У цій публікації я навмисно вирішив представити ентропію способом, який здався мені найпростішим, використовуючи поняття механіки, які ми обговорюємо в середній школі. Слід зазначити, що існує багато способів наближення до цієї концепції, зокрема за допомогою статистичної механіки або теорії інформації. Тема, яку, на мою думку, важливо пояснити тим, хто хотів би копнути глибше: принципи термодинаміки застосовуються до ізольованої системи. На практиці можна відновити теплову енергію, що міститься в нагрітій кульці (наприклад, нагріваючи воду і роблячи паровий двигун), але це передбачає обмін зовнішніми (і ентропія Всесвіту все одно зросте).
Більше того, для досвідчених термодинаміків я пропоную невеличку загадку, яка спала мені під час написання цього допису, і на яку я не маю відповіді: давайте уявимо, що я беру свій розігрітий м’яч і замикаю його у коробці, яка його ізолює зовні, з фотоелектричною панеллю всередині. Куля буде випромінювати своє тепло, частина випромінювання може бути поглинена фотоелектричною панеллю і перетворена на електрику. Я переходжу від форми теплової енергії до форми потенційної енергії. Це порушує другий принцип термо, тому має бути якась помилка! Щось пов’язане з радіаційним балансом між кулею, панеллю та коробкою? Пропозиції ?