Kaip viskas virsta šiluma

Kai praeitą savaitę parašiau trumpą komentarą apie kambarių šildymą žvakėmis, nesitikėjau dviejų dalykų. Pirmasis – kad tai taps visų laikų populiariausiu 42-osios konstantos įrašu. Dabar, žiūrėdamas į gūgliaus analitiką ar feisbuko insights matau tokį vaizdą, kad kitų įrašų populiarumo net nesimato, palyginus su šituo. Jei kada kils noras įgauti populiarumo, daugmaž žinosiu, ką ir kaip rašyti :)

Antrasis nustebinęs dalykas – keletas pašiepiančių komentarų apie energijos virsmus, apie kuriuos užsiminiau tame įraše. Tarp jų buvo ir kaltinimų, kad fizikos matyt nesimokiau nuo dešimtos klasės :) Negaliu sakyti, kad nebuvo kilęs noras tiesiog virtualiai pamojuoti komentatoriams prieš nosį diplomu, bet susivaldžiau. Toks elgesys būtų ir negražus, ir nieko neišspręstų. O štai jei paaiškinčiau plačiau, ką turėjau omeny, gal kam nors net ir įdomu būtų. Kadangi toks aiškinimas komentarui pasirodė per ilgai, tai rašau atskiru įrašu.

Pradžioje paaiškinsiu, kame problema. Aname straipsnyje parašiau šitaip: „Pavyzdžiui, mano laptopo maitinimo šaltinio galia yra apie 90 W. Kad ir kaip norėčiau, kompiuterio skleidžiamos šilumos tikrai nepakanka kambariui sušildyti.“ Taip pat žvakių skleidžiamą energiją lyginau ir su kaitrine lempute. Komentarai buvo maždaug tokie: „Tai pagal jus ir mano 1000W galingumo virtuvės kombainas, ir 1kW tepalinis šildytuvas man vienodai šilumos suteiks? Man atrodo, kad kažkas fiziką baigė mokytis 10 klasėje.“ Dar buvo analogiškas komentaras apie 100 kW automobilio variklį ir 100 kW galios šildytuvą. Į juos atsakiau, kad iš esmės taip, galiausiai ir virtuvinio kombaino, ir automobilio variklio energija pavirsta šiluma. Dabar pabandysiu plačiau paaiškinti, kodėl.

Pirmu pavyzdžiu paimkime automobilį; variklio galia nėra svarbi, bet pasilikime prie 100 kW kaip pavyzdžio (internetai man sako, kad tokia yra normalių sedanų/kupė variklių galia). Kai variklį užvedame, degalų ir oro mišinys ima degti; dujos plečiasi cilindruose ir taip suka ašis, kurios paskui varo ratus. Nekreipdami dėmesio į įvairias detales, pažiūrėkime, kokie energijos virsmai čia vyksta. Pirmiausia turime potencinę kuro energiją, „įkalintą“ cheminiuose oktano izomerų ryšiuose. Degant kurui, ši energija pereina į šiluminę dujų energiją. Šiluminė energija iš dalies prarandama (kaista variklio korpusas bei oras aplink), iš dalies paverčiama kinetine cilindrų energija. Cilindrų sukimosi energija dalinai virsta šilumine (dėl trinties kaista ašys, guoliai ir šarnyrai), dalinai perduodama ratams. Ratų sukimosi energija tampa viso automobilio judėjimo kinetine energija.

Atrodo, štai ir baigėsi procesai, turime daug nešiluminės energijos. Bet dabar pažiūrėkime, kas atsitinka automobiliui judant ir stojant. Jei automobilis negreitėja, jo kinetinė energija nedidėja. Tačiau variklis vis tiek veikia, kuras dega. Visa tuo metu kuro išskiriama energija yra sunaudojama greičiui palaikyti, t.y. trinčiai ir oro pasipriešinimui nugalėti. Trinties metu išskiriama šiluma, aplink automobilį judantis oro srautas taip pat įšyla (ne visas iš karto: ore dar susidaro turbulencija, t.y. didelio masto sūkuringas judėjimas, kuris šiluminiu judėjimu virsta per kurį laiką). Automobiliui lėtėjant, prarandama ir kinetinė energija – vėlgi trinties ir oro pasipriešinimo dėka (stabdžių prispaudimas trintį tik padidina). Kitaip tariant, jei lyginame pradinę ir galinę padėtis – automobilį stovintį skirtinguose taškuose – visa kelionės metu sunaudota energija pavirto šilumine energija. Vienintelė galima išimtis – jei automobilis pakilo į kalną, padidėjo jo potencinė energija, taigi šiek tiek sunaudotos energijos tapo ne šilumine; tačiau analogiškai, jei automobilis nuo kalno nusileido, šiluminės energijos išskirta buvo daugiau, nei sudeginto kuro energija, tad balansas atstatomas. Vadinasi automobilio variklis, kaip ir šildytuvas, kuro energiją verčia šilumine. Tik, priešingai nei šildytuvas, daro tą ne iš karto.

Būtent tas laiko tarpas tarp kuro sudeginimo ir šiluminės energijos išskyrimo ir nulemia, kad automobilio variklio nesuvokiame kaip šildytuvo. Automobilio išskiriama šiluminė energija ne visa išeina iš variklio (o net ir tuo atveju mes jos nejustume, nes variklis yra ne salone), bet pasiskirsto tarp variklio, įvairių guolių, stabdžių trinkelių ir aplinkinio oro. Jei automobilį pasidėtumėte svetainėje ir įjungtumėte variklį (perspėjimas: Konstanta-42 neprisiima atsakomybės už tokių veiksmų pasėkmes jūsų turtui ar sveikatai), kambarys prišiltų gana greitai.

Einame prie antro, sudėtingesnio, pavyzdžio: virtuvinio kombaino. Kombainai turi įvairių funkcijų, kaip pavyzdinę pasirinksiu bulvių tarkavimą. Įjungiame kombainą, sumetame bulves, gauname bulvių… e… tarkuoseną? Santarką? Tarkius? Padėkite kas nors, lietuviškai nebemoku. Kaip ten bebūtų, turime bulvių produktą, sudarytą iš smulkių gabaliukų. Tam, kad bulvės pavirstų šiuo mišiniu, reikia jas susmulkinti; smulkinimas yra cheminių ryšių tarp molekulių nutraukinėjimas, o tam reikalinga energija. Taigi (pasakysiu labai netikėtą dalyką) bulvių sutarkavimui reikia sunaudoti energijos. Ir vėl turime situaciją, kur nemaža dalis kuro (šiuo atveju greičiausiai elektros, nebent jūsų kombainas varomas dujomis ar jūrų kiaulytėmis) energijos pavirsta nešilumine.

Bet vėlgi, pažiūrėkime, kas su ta energija atsitinka vėliau. Tarkime, kad bulves termiškai apdorojame: tarkuotas iškepame blynais, netarkuotas (reikalinga ir kontrolinė grupė) išverdame. Šiluminio apdorojimo metu bulvėse esantys krakmolai pakeičia savo struktūrą, suyra dalis jų ryšių, ir taip jie tampa lengvai suvirškinami (dėl to mes bulves ir verdame, o ne žalias valgome). Tačiau netarkuotose bulvėse ryšių yra daugiau, nei tarkuotose, todėl šiluminės energijos joms paversti virškinamomis reikia daugiau. Štai ir vėl turime situaciją, kad nešiluminė energija, sudėta į cheminių ryšių sutraukymą, bendrame balanse pavirto į šiluminę, sutaupytą vėliau apdorojant bulves. Jei vietoje bulvių paimtume kokias nors morkas ir valgytume jas žalias, tai šiluminė energija būtų netgi ne sutaupoma, o papildomai išskiriama mūsų organizme virškinimo metu.

Nesiginčysiu, kad šis pavyzdys yra šiek tiek pritemptas, ir kad virtuvės kombainu kambario nepašildysi, nors jo sunaudojama energija ir lieka tame pačiame kambaryje, o ne išsisklaido lauke. Tačiau bendrame balanse vis tiek galiausiai visa energija virsta šilumine.

Šioje vietoje dar turiu prisipažinti, kad sakydamas „šiluminė energija“ omeny turiu ne visai tai, kas kasdienėje kalboje vadinama „šiluma“. Paprastai taip vadinamas dalykas yra tiesiog infraraudonoji spinduliuotė arba dalelių judėjimas (vibracijos) tam tikrame greičių intervale, kuriam jautrūs mūsų kūnai. Tačiau iš principo, atmetus subjektyvų žmogišką požiūrį, infraraudonoji spinduliuotė kokybiškai nesiskiria nei nuo radijo bangų, nei nuo rentgeno spindulių. Taigi dar viena priežastis, kodėl, pavyzdžiui, automobilio skleidžiama šiluminė energija nėra jaučiama kaip šiluma yra ta, kad automobilis spinduliuoja dar ir ilgesnes bangas, nei mūsų kūnai sugeria, o automobilio sukeltas oro temperatūros pokytis yra toks nedidelis, kad jo galima ir nepastebėti.

Dabar jau galima pereiti ir prie paskutinio pavyzdžio – kompiuterio. Rašydamas apie jį ankstesniame įraše irgi padariau klaidingą prielaidą, kad kompiuterio bet kuriuo metu naudojama galia yra panaši į galią, parašytą ant adapterio. Tai nėra tiesa; paprastai kompiuteris naudoja gerokai mažiau galios. Bet visgi ta sunaudojama galia irgi yra išskiriama kaip šiluminė energija. Tokie procesai, kaip kietojo disko sukimas, informacijos nuskaitymas ar įrašymas ir panašūs, kaitina kompiuterio sudedamąsias dalis (beje, šis kaitimas yra viena iš ribų, neleidžiančių kompų mažinti tiek, kiek norėtųsi; kažkuriuo metu tampa nebeįmanoma atvėsinti skaičiavimo elementų). Visa ta energija, kurią kompiuteris pasiima iš elektros tinklo ar baterijos, palieka jį kaip šiluminė energija. Dalis šios energijos yra perduodama aplinkai (pvz. orui) konvekcijos būdu. Kita dalis (gūglyje radau prieštaringą informaciją – nuo vieno iki 15 vatų) išspinduliuojama pro ekraną. Ekrano spinduliuotės irgi nelaikome šiluma, nes jos bangos ilgis per trumpas (regimųjų spindulių bangos ilgis mažesnis, nei infraraudonųjų); tačiau net ir šitaip galvodami turėtume nepamiršti, kad tie spinduliai kažkur yra sugeriama – mūsų kūnuose, balduose, sienose – ir pakelia aplinkos temperatūrą, taigi irgi yra šiluma.

Pavyzdžių galima prigalvoti ir daugiau, bet visus juos detaliai nagrinėjant paaiškėja, kad bet kokia energija yra linkusi virsti šilumine. Tokia jau ta mūsų Visata – visi procesai vyksta taip, kad bendra entropija arba auga, arba bent jau nemažėja. O šiluminė energija, sudaryta tiesiog iš fotonų, turi didesnę entropiją nei bet kokia kita energijos forma.

Pabaigai visgi atsiprašysiu tų skaitytojų, kuriuos savo trumpais pasisakymais prie ano įrašo suklaidinau. Ir tikiuosi, kad šituo rašiniu neaiškumus prasklaidžiau.

Laiqualasse

16 komentarų

  1. O aš dar noriu supaprastinti kombaino pavyzdį: tarkim aš 5h palieku įjungtą 2kW šildytuvą ir įjungtą besisukantį 2 kW virtuvės kombainą. Šildytuvas kambarį sušildytų iki turbūt 30C, kombainas tikriausiai tik šiek tiek įkaistų pats ir viskas. Iš kur toks skirtumas? Kur šiuo atveju dingsta kombaino energija?

    1. Pirmiausia kyla klausimas, ar tikrai neįšildys? Galbūt ir tiesa, kad neįšildys, bet reikėtų patikrinti.

      Antra – kombainas, paliktas suktis tuščia eiga, tikrai nenaudos visos savo nominalios galios. Panašiai kaip ir automobilio variklis, veikiantis tuščia eiga tikrai ne maksimaliomis apsukomis sukasi. Arba kompas tuščia eiga tik nedidelę dalį procesoriaus resursų ryja.

      Daugiau galimų atsakymų dabar nesugalvoju.

      1. Kitas bandymas galėtų būti kaip nors apkrauti kombainą taip, kad išnaudotų visus 2kW, arba nustatyti, kiek jis naudoja be apkrovos, ir palyginti kombaino sukimosi rezultatą su atitinkamos galios šildytuvo poveikiu.

    2. noriu pridurti savo pastebejima. kaime pjoviau malkas ir pas mane ant pjuklo yra 2KW variklis. jis besisukdamas laisva eiga suryja vos 600w. o iki 2KW varikli isnaudoju tada kai ne pagaliuka pjaunu o tiesiog isilgai lenta 5cm storio ir nevos iki sustojimo pjuklui rybos. tada isnaudoji visus 2kw. o taip variklis ikaista labai stiprei, nevos 90-100 laipsniu kur jam yra normali darbine temperatura. klausimas ar tada jis neprisildiru kambario taip kaip sildituvas 2kw. ce mano praktinis pastebejimas

    3. tiesiog nepatingejau pamatuot neapkrauto kombaino suvartojama galia. pas mane philips firmos 700w galingumo, bet pajungus tuscios eigos jis suvartoja tik 200w energijos :) tai bus 3,5 karto maziau

  2. Šaunus straipsniukas :) Tikrai esi retas, kuris, vietoj to, kad pasiųstų tą komentatorių toli (manau 99,9% žmonių taip ir padarytų), aukoja laiką ir bando viską dar išsamiau paaiškinti :)

    1. Dėkui :) Man malonu žmonėms kažką aiškinti. O dar maloniau, kai supranta, ką bandau išaiškinti, todėl ir stengiuosi, jei yra nesupratusių, paaiškinti išsamiau.

  3. Puikus įrašas! Išties, dauguma žmonių net nepamano, kaip visa energija galiausiai išsisklaido į šilumą. Galbūt dėl to, kad technologijos vis tobulėja, kartu didindamos efektyvumą ir mažindamos tiesioginį šilumos išsiskyrimą.

  4. Nuorodą būtinai išsisaugosiu ir dėsiu kaip šaltinį po savo teiginiais, nes daug kas mėgsta į fiziką pažiūrėti paviršutiniškai ir tu tokiems papasakojai viską „iki dugno“. Ačiū.

  5. Visada džiaugiuosi, matydamas populiarinamą fiziką. Šiame straipnelyje man pasirodė netrivialus vienas dalykas – tai bulvių smulkinimas. Šitą smulkinimą aš palyginčiau su lipdukų, kuris naudojamas batams ar rūbams susekti, sutraukymu. Irgi nežinau, kaip tiksliai vadinasi – tokie, kur vienoj pusėj kilputės, kitoj maži plastikiniai kabliukai. Taigi, tarkuojant bulvę, išardomi tie susipynę ryšiai – potencinė energija lieka ta pati, tik padidėja dalelių kinetinė – ta pati šiluma. Tai tas pats, kas mašiną perstumti per kalniuką. Taip, entropija padidėja, tačiau entropijos didėjimui nebutina suteikti energijos, ji pati padidėja. (II termodinamikos dėsnis). Mes tik padedam įveikti barjierą. Taigi, visa sunaudota AKTYVINĖ galia virsta į šilumą. Jei tai būtų ne bulvės, kokia nors kristalinės struktūros medžiaga, rezultatas galimas kitoks – gali smulkinant sušilti , gali atšalti. (Pabandykite pamalti nitrogliceriną :-) )
    O kodėl neverta šildytis su virtuviniu kombainu? Pirmiausia, ant jo rašoma max. galia toli gražu nėra tai, kiek jis ima aktyvinės galios iš tinklo. Tai max. galia, kuriai turi buti apskaičiuota elektros instaliacija. Grubiai, tuos vatus padalinus iš įtampos gausim max. srovę, kuri turi saugiai atitekėti laidais. Tie vatai – tai max reaktyvinė galia, kuris gali stipriai skirtis nuo tikrosios aktyvinės galios. Gamintojai turi rašyti ne mažesnę reaktyvinę galią, negu ima prietaisas blogiausiomis sąlygomis. Tuo dažnai piktnaudžiaujama – atseit, kuo didesnis skaičius užrašomas, tuo prietaisas geriau (greičiau) mala. Prasideda lenktynės tarp gamintojų. Bet čia jau kita tema.

    1. Tų lipdukų lietuviško pavadinimo irgi nežinau, bet angliškai tai jie vadinasi velcro. Todėl ir lietuviškai gali būti velkriukai, kol VLKK/LKI neuždraudė :)

      Išardžius ryšius, šiluma nelabai padidėja (ar bulvės cielos, ar tarkuotos, statistinės mechanikos joms taikyti nesiryžčiau), bet sumažėja ryšio energija, taigi vėliau reikia mažiau energijos joms suskaidyti.

  6. Neik, prasau, link populiarumo;) Gaila butu skaityti tavo bulvarinius straipsnius, zinant kad gali daug daugiau :D

Leave a Reply

El. pašto adresas nebus skelbiamas. Būtini laukeliai pažymėti *