Principiile termodinamicii guverneaza Universul. Orice corp sau obiect imaginabil este reglementat si limitat de legile universale ale termodinamicii , o ramura a fizicii care descrie comportamentul energiei, temperaturii si miscarii, trei marimi care, conform acestor principii, sunt strans legate.
Dupa cum spuneam, aceste legi explica comportamentul unei mari parti din procesele care au loc in Cosmos in care exista un schimb de materie si energie intre diferite corpuri. Si nu vorbim de stele sau gauri negre (si asta), ci noi insine suntem guvernati de aceste principii.
Fiintele umane obtin energie mancand alimente si apoi folosesc aceasta energie pentru, de exemplu, sa mearga. Toate procesele naturii in care exista un schimb de energie pot fi explicate prin una dintre cele patru legi ale termodinamicii.
Din acest motiv, si cu scopul de a intelege exact ce este termodinamica si care este importanta ei atunci cand vine vorba de intelegerea legilor fizice ale Universului, vom prezenta aceste patru principii intr-un mod rezumat si clar.
Ce este termodinamica?
Conceptul de „termodinamica” provine din grecescul „thermos” (caldura) si „dynamos” (forta). Aceasta origine lexicala ne ofera deja un indiciu despre care este obiectul de studiu al acestei discipline. Intr-adevar, termodinamica este o ramura a Fizicii care studiaza toate acele fenomene care apar in corpurile afectate de schimburile de temperatura si de fluxul de energie , care determina direct miscarea acestora.
Cu alte cuvinte, termodinamica este disciplina fizica care studiaza proprietatile macroscopice (vizibile pentru ochiul uman, desi indirect) ale materiei afectate de fenomene legate de caldura. Si este ca temperatura determina circulatia energiei si aceasta induce miscarea.
Aceasta stiinta, pe langa faptul ca, dupa cum vom vedea, raspunde la modul in care au loc o mare parte a proceselor Universului, are aplicatii infinite in viata noastra . Si este ca stiind cum se produc transformarile energetice, putem obtine multe beneficii.
Adica plecand de la energia termica (studiata de termodinamica), care poate proveni, de exemplu, de la Soare, putem transforma aceasta energie in energie mecanica capabila sa miste (de unde si termenul de „miscare”) masini. Iar aceasta energie mecanica, la randul ei, poate fi transformata in energie electrica, capabila sa ne satisfaca nevoile. Dupa cum putem vedea, diferitele tipuri de energie sunt strans legate.
Daca nu ar fi atat de legate si transformarile nu ar fi posibile, nu ar fi posibil sa se intample nici fenomenele care guverneaza natura Universului. De la formarea stelelor pana la dezvoltarea vietii , trecand prin circulatia aerului prin atmosfera, reactii chimice, cresterea si scaderea temperaturii, fierberea apei…
Si tocmai aceste patru legi ale termodinamicii explica, matematic, modul in care temperatura, energia si miscarea sunt nu numai legate intre ele, ci si de alte tipuri de energie.
Care sunt principiile termodinamicii?
Termodinamica este o disciplina fizica care isi are originile la mijlocul secolului al XVII-lea, cand s-a descoperit ca exista o corelatie intre presiunea la care era supus un gaz si temperatura acestuia. Cu toate acestea, principiile sau legile acestei stiinte nu aveau sa soseasca decat mult timp mai tarziu.
Fiecare lege a fost formulata in momente diferite. Primul care a fost realizat (care a fost al doilea) a fost conceput in 1824, desi avea sa fie reformulat 40 de ani mai tarziu. Ani de zile legile termodinamice ale sistemelor materiale (lichide, solide, gaze…) au continuat sa fie studiate, realizandu-se, in 1930 , formularea ultimei legi, cunoscuta sub numele de „legea zero”.
Intelegand contextul si ceea ce este, in linii mari, termodinamica, putem continua sa vedem legile acesteia. Sa ne amintim ca orice proces din Univers in care exista un schimb de temperatura intre corpuri si un flux de energie este guvernat de unul dintre urmatoarele principii .
Legea „zero”: Principiul echilibrului termic
„Daca un sistem A si un sistem B sunt la aceeasi temperatura si B este la aceeasi temperatura cu C, atunci A si C sunt la aceeasi temperatura.”
Aceasta afirmatie, care la prima vedere poate parea excesiv de logica, contine un principiu foarte important pentru intelegerea modului in care temperatura curge intre corpuri. Si este ca asa-numitul echilibru termic intra in joc.
Acest concept se refera la modul in care doua corpuri cu temperaturi diferite in contact (A si C) sau separate de o suprafata conductoare (B), transfera caldura de la unul la altul pana cand temperaturile, care au fost diferite initial, devin egale .
Adica daca punem doua corpuri in contact si unul este mai fierbinte decat celalalt, transferul de caldura va determina atingerea echilibrului termic, stare in care temperatura ambelor obiecte este aceeasi si, atata timp cat sistemul nu va intra intr-un al treilea corp cu caldura diferita, temperatura va ramane constanta.
Multe procese ale noastre de zi cu zi sunt guvernate de acest principiu. De exemplu, congelatoarele isi bazeaza functionarea pe aceasta lege . Punem mancarea (la temperatura camerei) in congelator care este foarte rece. Acest congelator este un sistem in care alimentele si aerul inghetat fac schimb de caldura pana cand sunt egale. Cand se atinge echilibrul termic, alimentele sunt la aceeasi temperatura cu aerul.
La fierberea apei, aceasta lege este indeplinita, deoarece temperatura apei creste pana la egalarea cu cea a sobei.
Prima lege: Principiul conservarii energiei
„Energia nu este nici creata, nici distrusa. Poate fi doar transformat sau transferat de la un obiect la altul.”
Aceasta afirmatie binecunoscuta este prima lege a termodinamicii, care afirma ca cantitatea totala de energie din Univers nu s-a schimbat de la origine . Singurul lucru pe care il poate face energia este sa se transforme (de exemplu, sa treaca de la energie chimica la energie mecanica) sau sa se transfere de la un corp la altul, asa cum am vazut cu temperatura la legea zero.
Toate procesele fizice ale Universului sunt intruchipate in aceasta lege. De la luminile din casa noastra care transforma energia electrica in energie luminoasa, la plante care transforma energia luminoasa in energie chimica, prin celulele noastre, care transforma energia chimica in energie mecanica.
Cu toate acestea, acest principiu sustine ca niciun proces de transformare a energiei nu este 100% eficient . Adica, in niciun sistem al cosmosului nu se realizeaza ca o energie de tip A sa fie transformata absolut intr-o energie de tip B. Exista intotdeauna o parte din energie care este „pierduta”. Si o spunem intre ghilimele pentru ca nu este chiar pierduta, ci pur si simplu eliberata.
Si se elibereaza sub forma de caldura . Toate reactiile de transformare a energiei genereaza caldura ca „efect secundar”, prin urmare acest principiu face parte din termodinamica. Cu alte cuvinte, daca luminile din casa noastra ar fi 100% eficiente (din punct de vedere fizic este imposibil sa fie), toata energia electrica ar fi transformata in lumina. Dar exista intotdeauna pierderi sub forma de caldura.
Si asta se intampla cu toate procesele imaginabile. Energia termica este intotdeauna fractia de energie care este generata deoarece transformarile nu sunt pe deplin eficiente. Dar tocmai aceasta caldura este cea care permite indeplinirea legii conservarii energiei.
A doua lege: Principiul entropiei
„Cantitatea de entropie din Univers tinde sa creasca cu timpul.”
Entropia este o marime fizica care masoara gradul de dezordine a unui sistem. Ei bine, aceasta lege a termodinamicii afirma ca, pe masura ce trece timpul, entropia tinde inevitabil sa creasca, adica gradul de dezordine in Univers creste .
Inainte de a patrunde in mai multe concepte fizice, sa intelegem ce inseamna asta. Acest principiu ne spune ca absolut totul in Univers tinde sa se dezordoneze pe masura ce trece timpul. Gandeste-te la camera ta. Pe masura ce zilele trec, daca iti continui viata normala de zi cu zi, ce ai tendinta de a face? A comanda? Sau sa te dezordine? In mod clar devine dezordonat. Si nu pentru ca nu esti o persoana curata. Cand i se spune altfel, poti spune ca esti pur si simplu o victima a celei de-a doua legi a termodinamicii.
O descriere vizuala a conceptului de entropie.
Dupa ce am facut o metafora a ceea ce inseamna aceasta crestere a entropiei, sa o ducem la terenul mai fizic. De ce aceasta tendinta spre dezordine? Pentru a raspunde la aceasta, trebuie sa ne intoarcem la a doua lege, care ne spunea ca in toate reactiile de transformare a energiei, o parte din aceasta se pierde sub forma de caldura.
Adica, in fiecare dintre reactiile care au avut loc in Univers de la Big Bang pana astazi (de la stelele care explodeaza pana la mersul pe plaja), o parte din energie nu a fost destinata lucrarii. in cauza, dar asta s-a pierdut sub forma de energie termica.
Dar cum ramane cu aceasta energie? Nu poate „pluti”. Nu. Ceea ce face el este, conform a ceea ce ne-a spus legea zero, se transfera intre corpuri. Adica temperaturile, sa ne amintim, tind sa se egaleze. De asemenea, sa ne amintim ca cu cat temperatura este mai mare, cu atat este mai mare miscarea moleculelor din materie, fie ea solida, lichida sau gazoasa.
Prin urmare, atunci cand un corp pierde caldura prin transformarea energiei, trebuie sa ajunga din urma cu corpurile din jur. Iar atunci cand temperaturile se egalizeaza, inevitabil, exista o tendinta de dezordine, deoarece facem ca corpurile reci (cu mai multa ordine, deoarece moleculele se misca incet) sa inceapa sa-si creasca entropia, deoarece temperatura lor creste si, odata cu aceasta, miscarea particule. Cu cat mai multa miscare, cu atat mai multa tulburare .
Si aceasta tulburare este ireversibila prin simple statistici. Exista o multime de configuratii pe care le consideram „dezordonate”, dar foarte putine pe care le consideram „ingrijite”. Daca ardeti o bucata de lemn, tendinta cenusii nu va fi de a se intoarce impreuna, nu? Este imposibil din punct de vedere statistic sa se intample asa ceva.
A treia lege: Principiul lui Nernst
„Cand atinge temperatura zero absoluta, orice proces fizic se opreste”.
Aceasta a treia lege, care aduna informatiile tuturor celor anterioare, se bazeaza pe faptul ca pentru a exista orice reactie de transformare a energiei (ceea ce enuntul exprima ca proces fizic) trebuie sa existe miscare a particulelor.
Prin urmare, daca ajungem la temperatura zero absolut (0 K sau -273,15 °C), nu poate aparea nicio reactie energetica. Si este ca la aceasta temperatura, care este cea mai scazuta posibila, moleculele care alcatuiesc materia sunt atat de incredibil de apropiate intre ele (din punct de vedere fizic nu pot fi mai aproape) incat nu poate avea loc niciun proces fizic. Pentru ca toate depind de temperatura, iar daca aceasta ajunge la zero absolut, reactiile se anuleaza .
In mod similar, principiul spune ca, la aceasta temperatura, entropia atinge valoarea constanta minima. Un grad mai mare de ordine este imposibil. Moleculele sunt total impreuna si nu se misca deloc.
In orice caz, se crede ca este imposibil sa se ajunga la zero absolut. De fapt, cel mai rece loc din Univers este Nebuloasa Boomerang , situata la 5.000 de ani-lumina de noi, unde temperaturile s-au dovedit a fi de -272°C, dar inca nu sunt zero absolut.