החוק השני של התרמודינמיקה

מהו החוק השני של התרמודינמיקה?

החוק השני של התרמודינמיקה הוא עיקרון המתאר את הכיוון של כל התהליכים ביקום. זו הסיבה מדוע חפצים נופלים כאשר אתה מפיל אותם, מדוע דברים חמים מתחממים ומדוע דברים קרים מתקררים. החוק קובע שעם הזמן, כל המערכות ביקום, כולל אותנו וכוכב הלכת שלנו, יהפכו בהכרח לא מסודרות יותר, פחות שמישות ופחות סבירות שישנו חזרה למצבן המקורי. ניתן להבין את החוק השני של התרמודינמיקה כמגמה גוברת של אי-סדר ביקום שלנו. עם הזמן, כל מה שסביבנו כולל הגוף שלנו וכדור הארץ יתפרק ויהיה פחות שמיש. אין חריגים לכלל זה. תרמודינמיקה עוסקת בזרימת אנרגיה וחום במערכת. מערכת יכולה להיות כל דבר, כמו האוויר בחדר, המים באגם או מנוע. לכל המערכות יש את מצבי הסדר והאי-סדר שלהן. חוק התרמודינמיקה קובע שעם הזמן, הפרעה במערכת תטוה לגדול. זה מכונה לעתים קרובות חוק האנטרופיה הגוברת.

חשיבותו של החוק השני של התרמודינמיקה

יצורים חיים, כמו בני אדם וצמחים, יכולים לנצל את אנרגיית השמש על ידי שריפת דלק או על ידי קצירת אנרגיה מהסביבה. בכך הם משחזרים את האנרגיה שאבדה או הומרה לצורות בלתי שמישות במהלך הפוטוסינתזה. זו הסיבה שייצור דלק וקצירת אנרגיה מהסביבה הם שני תהליכים הפועלים בניגוד ישיר לחוק השני של התרמודינמיקה. המשמעות היא שייצור וקצירת אנרגיה מהשמש, המים והרוח, כמו גם האגירה וההעברה של אנרגיה זו, בלתי אפשרי ביסודו. החוק השני של התרמודינמיקה קובע שהאנטרופיה הכוללת של כל מערכת סגורה תגדל ולעולם לא תוכל לרדת. במילים אחרות, עם הזמן, כל המערכות כולל כדור הארץ יפסיקו לקלוט אנרגיה ויהפכו פחות שמישות. מכיוון שהיקום הוא מערכת סגורה, זה אומר שכל האנרגיה שנאספת כעת, מאוחסנת ומשודרת תאבד בגלל חוק האנטרופיה. ניתן להסביר את החוק השני של התרמודינמיקה כמגמה גוברת של אי-סדר ביקום שלנו.

אובדן אנרגיה שימושית בסביבה שלנו

בעוד שהשמש שולחת לנו אנרגיה בצורה של אור וחום, אנו מאבדים אנרגיה שמיש בתהליך קצירתה. האנרגיה שאנו קוטפים מהווה רק חלק קטן מאוד מהכמות הכוללת של אנרגיית השמש המגיעה לכוכב הלכת שלנו. במהלך יום ממוצע, כמות האנרגיה הסולארית המגיעה לכדור הארץ מוערכת בכ-342 סקסטיליונים של BTU. בעוד שרק 2.2% ממנו נקצרים כאנרגיה שמיש, השאר מומרים לצורות בלתי שמישות של חום, כולל אנרגיה תרמית וקרינה אינפרא אדומה. החוק השני של התרמודינמיקה קובע כי כמות האנרגיה שאנו קוטפים אינה משנה כי בסופו של דבר, כל זה יומר לצורות בלתי ניתנות לשימוש של חום. קצירת האנרגיה תוביל בהכרח לעלייה בטמפרטורה הממוצעת של הפלנטה שלנו. הטמפרטורה הממוצעת של כדור הארץ עלתה ב-0.8 מעלות צלזיוס מאז 1900, כאשר קצב העלייה בטמפרטורה הממוצעת גדל באופן דרמטי מאז 1980.

שינויי אקלים והחוק השני של התרמודינמיקה

החוק השני של התרמודינמיקה לא רק קובע שאנרגיה תאבד בהכרח; זה גם מאפשר לנו לחזות את הקצב שבו זה יקרה. על פי החוק השני של התרמודינמיקה, ניתן לחשב את קצב העלייה בטמפרטורה הממוצעת באמצעות הנוסחה הבאה: קצב העלייה בטמפרטורה הממוצעת הוא פרופורציונלי לכמות האנרגיה שאנו קוטפים מהשמש ולכמות האנרגיה הבלתי ניתנת לשימוש. נוצר כתוצאה מכך. כאשר אנו שורפים דלק כדי לאסוף אנרגיה, רק חלק קטן מאוד מהכמות הכוללת של אנרגיית השמש שמגיעה לכוכב הלכת שלנו הופך לאנרגיה שמיש. השאר אובד כאנרגיה תרמית, שאינה נראית ולעתים קרובות מכונה "פסולת חום". כמות האנרגיה הסולארית הכוללת שנאספת בשנה מוערכת בסביבות 15,000 סקסטיליונים של BTU. כמות הפסולת החום המופקת כתוצאה מקצירת אנרגיה זו מוערכת בכ-8,500 סקסטיליונים של BTU. כמות האנרגיה שאנו קוטפים מהשמש גדולה פי 16 מכמות הפסולת החום המופקת כתוצאה מקצירת אנרגיה זו. המשמעות היא שהקצב שבו נעלה את הטמפרטורה הממוצעת של הפלנטה שלנו יהיה פרופורציונלי לכמות האנרגיה שאנו קוטפים ולא לכמות הפסולת החום שנוצרת כתוצאה מאותו קציר.

מקורות אנרגיה מתחדשים והחוק השני של התרמודינמיקה

החוק השני של התרמודינמיקה קובע כי קצירת אנרגיית השמש תוביל בהכרח לעלייה בטמפרטורה הממוצעת של הפלנטה שלנו. האנשים שמקדמים את השימוש במקורות אנרגיה מתחדשים נפלו קורבן ל אי הבנה נפוצה של החוק השני של התרמודינמיקה. הם מניחים בטעות שקצירת אנרגיה סולארית מועילה לכוכב הלכת שלנו, משום שהיא תפחית את כמות האנרגיה התרמית המופקת כתוצאה מקצירת האנרגיה הזו. החוק השני של התרמודינמיקה חל גם על האנרגיה התרמית המופקת כתוצאה מקצירת אנרגיית השמש. הוא קובע כי קצירת אנרגיה סולארית תוביל בהכרח להפקת אנרגיה תרמית וכי כמות האנרגיה התרמית שתופק תמיד תעלה על כמות האנרגיה הסולארית שנקטפת. בעוד שהפקת האנרגיה התרמית תמשיך לעלות עם העלייה בקצירת האנרגיה הסולארית, כמות האנרגיה השימושית שנקטפת תפחת בהכרח עם הזמן.

סיכום

החוק השני של התרמודינמיקה קובע שהכל יהיה בהכרח פחות שימושי עם הזמן. קצירת האנרגיה מהשמש תוביל בהכרח לעלייה בטמפרטורה הממוצעת של הפלנטה שלנו. הדרך היחידה להפיק תועלת אמיתית מהאנרגיה שמייצרת השמש היא לאגור אותה לפני שהיא מומרת לאנרגיה תרמית. הדרך היחידה להפיק תועלת מהאנרגיה שהשמש שולחת לנו היא למנוע ממנה ללכת לאיבוד. למרבה הצער, אנחנו לא יכולים לתפוס את האנרגיה הזו לפני שהיא אובדת, אבל אנחנו יכולים להפחית את כמות האנרגיה שאבדה. אנו יכולים לעשות זאת על ידי הפחתת כמות האנרגיה התרמית המופקת כתוצאה מקצירת אנרגיה סולארית. לשם כך, עלינו לפנות לטכנולוגיות יעילות יותר כמו פאנלים סולאריים המשתמשים בתאים פוטו-וולטאיים יעילים יותר.