Druhý zákon termodynamiky: definice, rovnice a příklady

Jak se den posouvá, hrad z písku na pláži se pomalu rozpadá. Ale někdo, kdo je svědkem reverzu - písek spontánně skáče do tvaru hradu - by řekl, že musí sledovat záznam, ne realitu. Podobně sklenice ledového čaje, ve které se kostky časem roztaví, odpovídá našim očekáváním, ale ne sklenice tekutiny, ve které se samy spontánně tvoří kostky ledu.

Důvod, proč se zdá, že některé přírodní procesy mají smysl, se dějí dopředu v čase, ale nikoli zpětně v čase, souvisí s druhým zákonem termodynamiky. Tento důležitý zákon je jediným fyzickým popisem vesmíru, který závisí na čase, který má určitý směr, ve kterém se můžeme pohybovat pouze dopředu.

Naproti tomu Newtonovy zákony nebo kinematické rovnice, které se používají k popisu pohybu objektů, fungují stejně dobře, zda se fyzik rozhodne analyzovat fotbalový oblouk při jeho pohybu vpřed nebo v zvrátit. Proto se druhý zákon termodynamiky někdy označuje také jako „šíp času“.

Statistická mechanika je odvětví fyziky, které souvisí s chováním v mikroskopickém měřítku, jako je pohyb molekul vzduchu v uzavřené místnosti, k následným makroskopickým pozorováním, jako je celková místnost teplota. Jinými slovy, spojení toho, co by člověk mohl přímo pozorovat, s nesčetnými neviditelnými spontánními procesy, které to společně uskutečňují.

Mikrostát je jedno možné uspořádání a distribuce energie všech molekul v uzavřeném termodynamickém systému. Například mikrostav může popsat umístění a kinetickou energii každé molekuly cukru a vody uvnitř termosky horké čokolády.

Makrostát, na druhé straně, je soubor všech možných mikrostavů systému: všechny možné způsoby, jak mohou být uspořádány molekuly cukru a vody uvnitř termosky. Fyzik popisuje makrostát pomocí proměnných, jako je teplota, tlak a objem.

To je nutné, protože počet možných mikrostavů v daném makrostátu je příliš velký na to, aby se s nimi dalo vypořádat. Místnost o teplotě 30 stupňů Celsia je užitečné měření, i když vědění, že je 30 stupňů, neodhalí specifické vlastnosti každé molekuly vzduchu v místnosti.

Přestože se makrostáty obecně používají, když hovoříme o termodynamice, rozumíme mikrostatům je relevantní, protože popisují základní fyzické mechanismy, které vedou k těm větším Měření.

Entropie je často popisována slovy jako míra míry poruchy v systému. Tuto definici poprvé navrhl Ludwig Boltzmann v roce 1877.

Pokud jde o termodynamiku, lze ji konkrétněji definovat jako množství tepelné energie v uzavřeném systému, které není k dispozici pro užitečnou práci.

Transformace užitečné energie na energii tepelnou je nevratný proces. Z toho vyplývá, že celkové množství entropie v uzavřeném systému - včetně vesmíru jako celku - může pouzezvýšit​.

Tento koncept vysvětluje, jak entropie souvisí se směrem, kterým plyne čas. Pokud by fyzici dokázali pořídit několik snímků uzavřeného systému s údaji o tom, kolik entropie bylo v každém z nich je mohli dát do časového pořadí podle „šipky času“ - od méně k více entropie.

Abychom získali mnohem techničtější, matematicky je entropie systému definována následujícím vzorcem, s nímž přišel i Boltzmann:

kdeYje počet mikrostavů v systému (počet způsobů, jak lze systém objednat),kje Boltzmannova konstanta (zjištěno vydělením konstanty ideálního plynu Avogadrovou konstantou: 1,380649 × 10⁻²³ J / K) alnje přirozený logaritmus (logaritmus k základněE​).

Hlavním příkladem tohoto vzorce je ukázat, že s rostoucím počtem mikrostavů nebo způsoby objednávání systému roste i jeho entropie.

Změnu entropie systému při jeho přechodu z jednoho makrostátu do druhého lze popsat pomocí proměnných teploty a času makrostátu:

kdeTje teplota aQje přenos tepla v reverzibilním procesu, když se systém pohybuje mezi dvěma stavy.

Druhý zákon termodynamiky uvádí, že celková entropie vesmíru nebo izolované soustavy nikdy neklesá. V termodynamice je izolovaný systém takový, ve kterém ani teplo, ani hmota nemohou vstoupit nebo opustit hranice systému.

Jinými slovy, v jakémkoli izolovaném systému (včetně vesmíru) je změna entropie vždy nulová nebo pozitivní. To v podstatě znamená, že náhodné termodynamické procesy mají tendenci vést k více nepořádku než k řádu.

Důležitý důraz se klade namají tendencičást tohoto popisu. Náhodné procesymohlvést k většímu řádu než nepořádku bez porušování přírodních zákonů; je mnohem méně pravděpodobné, že k tomu dojde.

Například ze všech mikrostavů, ve kterých by mohl náhodně zamíchaný balíček karet skončit - 8,066 × 10⁶⁷ - pouze jedna z těchto možností se rovná pořadí, které měli v původním balíčku. Tomohlale šance jsou velmi, velmi malé. Celkově vše přirozeně směřuje k nepořádku.

Entropii lze považovat za míru poruchy nebo náhodnosti systému. Druhý zákon termodynamiky říká, že vždy zůstává stejný nebo se zvyšuje, ale nikdy neklesá. Toto je přímý výsledek statistické mechaniky, protože popis nezávisí na extrémně vzácné instanci kde se balíček karet zamíchá do dokonalého pořádku, ale na celkovou tendenci systému ke zvyšování nepořádku.

Jedním ze zjednodušených způsobů uvažování o tomto konceptu je uvažovat o tom, že smíchání dvou sad objektů vyžaduje více času a úsilí, než jejich smíchání. Požádejte kteréhokoli z rodičů batole o ověření; je snazší udělat velký nepořádek, než jej uklidit!

Spousta dalších pozorování ve skutečném světě „dává smysl“, aby se nám stalo jedním způsobem, ale jiným ne, protože se řídí druhým zákonem termodynamiky:

• Teplo proudí z předmětů při vyšší teplotě na předměty při nižší teplotě, a nikoli opačně kolem (kostky ledu se roztaví a horká káva, která zůstala na stole, se postupně ochlazuje, dokud neodpovídá místnosti teplota).
• Opuštěné budovy se pomalu rozpadají a neobnovují se.
• Míč pohybující se po hřišti zpomaluje a nakonec se zastaví, protože tření transformuje jeho kinetickou energii na nepoužitelnou tepelnou energii.
  

Druhý zákon termodynamiky je jen dalším způsobem, jak formálně popsat koncept šipky času: Pohybem vpřed v čase nemůže být změna entropie vesmíru negativní.

Pokud pořád narůstá pořádek, proč se při pohledu na svět zdá, že odhaluje spoustu příkladů uspořádaných situací?

Zatímco entropiev celkuse stále zvyšuje, místníklesáv kapsách větších systémů je možná entropie. Například lidské tělo je velmi organizovaný, uspořádaný systém - dokonce promění špinavou polévku v nádherné kosti a další složité struktury. K tomu však tělo přijímá energii a při interakci s okolím vytváří odpad. Takže i když člověk, který to všechno dělá, může na konci cyklu stravování / budování částí těla / vylučování odpadu ve svém těle zažít menší entropii,úplná entropie systému- tělo plus všechno kolem - stálezvyšuje​.

Podobně by motivované dítě mohlo vyčistit svůj pokoj, ale během toho přeměňovalo energii na teplo proces (myslete na jejich vlastní pot a teplo generované třením mezi pohybovanými objekty kolem). Pravděpodobně také vyhodili spoustu chaotického odpadu, který by mohl při tom rozbít kusy. Opět platí, že entropie se v PSČ obecně celkově zvyšuje, i když tato místnost končí spic a span.

Ve velkém měřítku předpovídá eventuální druhý zákon termodynamikytepelná smrtvesmíru. Nesmí být zaměňována s vesmírem umírajícím v ohnivých křečích, věta přesněji odkazuje na myšlenku, že nakonec vše užitečné energie bude přeměněna na tepelnou energii nebo teplo, protože nevratný proces probíhá téměř všude po celou dobu. Navíc všechno toto teplo nakonec dosáhne stabilní teploty nebo tepelné rovnováhy, protože se s ní nic jiného neděje.

Běžnou mylnou představou o tepelné smrti vesmíru je, že představuje dobu, kdy ve vesmíru nezbývá žádná energie. Toto není ten případ! Spíše popisuje dobu, kdy byla veškerá užitečná energie přeměněna na tepelnou energii, které bylo dosaženo stejná teplota, jako bazén naplněný napůl teplou a napůl studenou vodou, pak zůstal venku venku odpoledne.

Druhý zákon může být nejteplejší (nebo alespoň nejvíce zdůrazněný) v úvodní termodynamice, ale jak název napovídá, není jediný. Ostatní jsou podrobněji popsány v jiných článcích na webu, ale zde je jejich stručný přehled:

​Nulový zákon termodynamiky.Nulový zákon pojmenovaný proto, že je základem ostatních zákonů termodynamiky, v podstatě popisuje, co je teplota. Uvádí, že když jsou dva systémy každý v tepelné rovnováze se třetím systémem, musí být nutně také navzájem v tepelné rovnováze. Jinými slovy, všechny tři systémy musí mít stejnou teplotu. James Clerk Maxwell popsal hlavní výsledek tohoto zákona jako „Všechno teplo je stejného druhu.“

​První zákon termodynamiky.Tento zákon aplikuje zachování energie na termodynamiku. Uvádí, že změna vnitřní energie pro systém se rovná rozdílu mezi teplem přidaným do systému a prací provedenou systémem:

KdeUje energie,Qje teplo aŽje práce, vše se obvykle měří v joulech (i když někdy v Btus nebo kaloriích).

​Třetí zákon termodynamiky.Tento zákon definujeabsolutní nulaz hlediska entropie. Uvádí, že dokonalý krystal má nulovou entropii, když je jeho teplota absolutní nula nebo 0 Kelvinů. Krystal musí být dokonale uspořádán, jinak by měl ve své struktuře nějakou inherentní poruchu (entropii). Při této teplotě nemají molekuly v krystalu žádný pohyb (což by se také považovalo za tepelnou energii nebo entropii).

Všimněte si, že když vesmír dosáhne svého konečného stavu tepelné rovnováhy - své tepelné smrti - dosáhne teplotyvyššínež absolutní nula.