Втори закон на термодинамиката: Определение, уравнение и примери

Пясъчен замък на плажа бавно се руши с напредването на деня. Но някой, който е свидетел на обратното - пясъкът спонтанно скача във формата на замък - би казал, че трябва да гледа запис, а не реалност. По същия начин чаша студен чай, в който кубчетата се топят с течение на времето, отговаря на нашите очаквания, но не и чаша течност, в която кубчета лед се образуват спонтанно.

Причината, че някои природни процеси изглежда имат смисъл да се случват напред във времето, но не и назад във времето, е свързана с втория закон на термодинамиката. Този важен закон е единственото физическо описание на Вселената, което зависи от времето, имащо определена посока, в която можем да се движим само напред.

За разлика от тях действат законите на Нютон или уравненията на кинематиката, използвани и за описване на движението на обектите еднакво добре дали физикът решава да анализира дъгата на футбола при движение напред или в обратен. Ето защо вторият закон на термодинамиката понякога се нарича и „стрелата на времето“.

Статистическата механика е клонът на физиката, който свързва поведението с микроскопични мащаби, като движението на въздушни молекули в затворена стая, до последващи макроскопични наблюдения, като цялостната стая температура. С други думи, свързване на това, което човек би могъл да наблюдава директно, с безбройните невидими спонтанни процеси, които заедно го правят.

Микродържавата е едно от възможните подреждане и разпределение на енергията на всички молекули в затворена термодинамична система. Например, микродържава може да опише местоположението и кинетичната енергия на всяка молекула захар и вода в термос с горещ шоколад.

Макросъстоянието, от друга страна, е съвкупността от всички възможни микросъстояния на системата: всички възможни начини, по които молекулите на захарта и водата в термос могат да бъдат подредени. Начинът, по който физикът описва макросъстояние, е чрез използване на променливи като температура, налягане и обем.

Това е необходимо, тъй като броят на възможните микросъстояния в дадена макродържава е твърде голям, за да се справим. Стая при 30 градуса по Целзий е полезно измерване, въпреки че знанието, че е 30 градуса, не разкрива специфичните свойства на всяка въздушна молекула в стаята.

Въпреки че макростат обикновено се използват, когато се говори за термодинамика, разбиране на микро състояния е от значение, тъй като те описват основните физически механизми, които водят до тези по-големи измервания.

Ентропията често се описва с думи като мярка за размера на разстройството в системата. Тази дефиниция е предложена за първи път от Лудвиг Болцман през 1877 година.

По отношение на термодинамиката може да се определи по-конкретно като количеството топлинна енергия в затворена система, което не е на разположение за извършване на полезна работа.

Превръщането на полезната енергия в топлинна е необратим процес. Поради това следва, че общото количество ентропия в затворена система - включително Вселената като цяло - може самонараства​.

Тази концепция обяснява как ентропията е свързана с посоката, в която тече времето. Ако физиците са успели да направят няколко снимки на затворена система с данните за това колко е била ентропията във всеки един от тях те биха могли да ги поставят във времето, следвайки "стрелката на времето" - преминавайки от по-малко към повече ентропия.

За да получите много по-технически, математически, ентропията на системата се определя от следната формула, която Болцман също е измислил:

къдетоY.е броят на микросъстоянията в системата (броя на начините, по които системата може да бъде поръчана),ке константата на Болцман (намира се чрез разделяне на идеалната газова константа на константата на Авогадро: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) иlnе естественият логаритъм (логаритъм към основатад​).

Основният извод от тази формула е да покаже, че с увеличаване на броя на микросъстоянията или начините за подреждане на системата, нараства и нейната ентропия.

Промяната в ентропията на системата при преминаването й от една макросъстояние в друга може да бъде описана от гледна точка на променливите на макросъстоянието топлина и време

къдетоTе температурата иВъпрос:е преносът на топлина при обратим процес, докато системата се движи между две състояния.

Вторият закон на термодинамиката гласи, че пълната ентропия на Вселената или на изолирана система никога не намалява. В термодинамиката изолирана система е тази, при която нито топлината, нито материята могат да влязат или да излязат от границите на системата.

С други думи, във всяка изолирана система (включително Вселената) промяната на ентропията винаги е нула или положителна. Това, което по същество означава, е, че случайните термодинамични процеси водят до повече разстройство, отколкото ред.

Важен акцент пада върхуима тенденция вчаст от това описание. Случайни процесибих могълводят до повече ред, отколкото безредие, без да нарушават природните закони; просто е много по-малко вероятно да се случи.

Например от всички микродържави, в които може да се окаже произволно размесена колода от карти - 8.066 × 10⁶⁷ - само една от тези опции е равна на реда, който са имали в оригиналната опаковка. Тобих могълслучват се, но шансовете са много, много малки. Като цяло всичко естествено клони към разстройство.

Ентропията може да се разглежда като мярка за разстройство или случайност на системата. Вторият закон на термодинамиката гласи, че той винаги остава същият или се увеличава, но никога не намалява. Това е пряк резултат от статистическата механика, тъй като описанието не зависи от изключително редкия случай когато тесте карти се разбърква в перфектен ред, но върху общата тенденция на системата да се увеличава в безпорядък.

Един опростен начин на мислене за тази концепция е да се има предвид, че разбъркването на два комплекта обекти отнема повече време и усилия, отколкото на първо място. Помолете всеки родител на малко дете да провери; по-лесно е да направите голяма бъркотия, отколкото да я почистите!

Много други наблюдения в реалния свят "имат смисъл" за нас да се случват по един начин, но не и по друг, защото те следват втория закон на термодинамиката:

• Топлината преминава от предмети с по-висока температура към обекти с по-ниска температура, а не по другия начин наоколо (кубчета лед се топят и горещото кафе, оставено на масата, постепенно се охлажда, докато съвпадне с помещението температура).
• Изоставените сгради бавно се рушат и не се възстановяват.
• Топка, която се търкаля по детската площадка, се забавя и в крайна сметка спира, тъй като триенето трансформира нейната кинетична енергия в неизползваема топлинна енергия.
  

Вторият закон на термодинамиката е просто още един начин за официално описание на концепцията за стрелата на времето: Движейки се напред във времето, промяната на ентропията на Вселената не може да бъде отрицателна.

Ако редът непрекъснато се увеличава, защо изглежда, че погледът по света разкрива много примери за подредени ситуации?

Докато ентропиякато цяловинаги се увеличава, локалнонамалявав ентропията са възможни в джобовете на по-големи системи. Например човешкото тяло е много организирана, подредена система - дори превръща разхвърляната супа в изящни кости и други сложни структури. За да направи това обаче, тялото поема енергия и създава отпадъци, докато взаимодейства със заобикалящата го среда. Така че, въпреки че човекът, който прави всичко това, може да изпитва по-малко ентропия в тялото си в края на цикъла на хранене / изграждане на части от тялото / отделяне на отпадъци,обща ентропия на системата- тялото плюс всичко около него - все ощесе увеличава​.

По подобен начин мотивирано дете може да успее да почисти стаята си, но по време на това е преобразувало енергията в топлина процеса (помислете за собствената си пот и топлината, генерирана от триене между движещите се обекти наоколо). Вероятно са изхвърлили и много хаотични боклуци, евентуално разбивайки парчета в процеса. Отново, ентропията се увеличава като цяло в пощенския код, дори ако тази стая в крайна сметка се разпали.

В голям мащаб вторият закон на термодинамиката предсказва евентуалнототоплинна смъртна Вселената. За да не се бърка с вселена, умираща в огнена мъка, фразата по-точно се отнася до идеята, която в крайна сметка е полезна енергията ще се преобразува в топлинна енергия или топлина, тъй като необратимият процес се случва почти навсякъде през цялото време. Освен това цялата тази топлина в крайна сметка ще достигне стабилна температура или термично равновесие, тъй като нищо друго няма да се случва с нея.

Често погрешно схващане за топлинната смърт на Вселената е, че тя представлява време, когато във Вселената не е останала енергия. Това не е така! По-скоро той описва време, когато цялата полезна енергия е трансформирана в топлинна енергия, която е достигнала същата температура, като плувен басейн, пълен с наполовина гореща и наполовина студена вода, след което се оставя навън следобед.

Вторият закон може да е най-горещият (или поне най-подчертаният) във въвеждащата термодинамика, но както подсказва името, той не е единственият. Останалите са обсъдени по-подробно в други статии на сайта, но ето кратко описание на тях:

​Нулевият закон на термодинамиката.Така наречен, тъй като лежи в основата на другите закони на термодинамиката, нулевият закон по същество описва какво е температурата. Той гласи, че когато две системи са в термично равновесие с трета система, те непременно трябва също да са в топлинно равновесие помежду си. С други думи, и трите системи трябва да са с еднаква температура. Джеймс Клерк Максуел описа основния резултат от този закон като "Цялата топлина е от един и същи вид."

​Първият закон на термодинамиката.Този закон прилага съхраняването на енергията към термодинамиката. Той гласи, че промяната на вътрешната енергия за дадена система е равна на разликата между топлината, добавена към системата, и работата, извършена от системата:

КъдетоUе енергия,Въпрос:е топлина иWе работа, всичко обикновено се измерва в джаули (макар понякога в Btus или калории).

​Третият закон на термодинамиката.Този закон определяабсолютна нулапо отношение на ентропията. Той гласи, че перфектният кристал има нулева ентропия, когато температурата му е абсолютна нула или 0 Келвина. Кристалът трябва да е перфектно подреден, иначе той би имал някакво присъщо разстройство (ентропия) в структурата си. При тази температура молекулите в кристала нямат движение (което също би се считало за топлинна енергия или ентропия).

Имайте предвид, че когато Вселената достигне крайното си състояние на топлинно равновесие - топлинната си смърт - тя ще е достигнала температурапо-високот абсолютната нула.