Anden lov om termodynamik: definition, ligning og eksempler

Et sandslot på stranden smuldrer langsomt, når dagen går videre. Men nogen, der er vidne til det modsatte - sand, der spontant springer i form af et slot - vil sige, at de må se på en optagelse, ikke virkeligheden. Tilsvarende matcher et glas iste, hvor terningerne smelter over tid, vores forventninger, men ikke et glas væske, hvor isterninger spontant dannes.

Årsagen til, at nogle naturlige processer ser ud til at give mening at ske fremad i tiden, men ikke bagud i tiden, har at gøre med den anden lov om termodynamik. Denne vigtige lov er den eneste fysiske beskrivelse af universet, der afhænger af, at tiden har en bestemt retning, hvor vi kun kan bevæge os fremad.

I modsætning hertil virker Newtons love eller kinematikligningerne, der begge bruges til at beskrive bevægelse af objekter lige så godt, om en fysiker beslutter at analysere en fodboldbue, når den bevæger sig fremad eller i baglæns. Dette er grunden til, at termodynamikens anden lov undertiden også kaldes "tidens pil."

Statistisk mekanik er den gren af ​​fysikken, der relaterer mikroskopisk opførsel, såsom bevægelse af luftmolekyler i et lukket rum til efterfølgende makroskopiske observationer, såsom rummets overordnede temperatur. Med andre ord at forbinde det, som et menneske direkte kunne observere, til de utallige usynlige spontane processer, der tilsammen får det til at ske.

En mikrostat er et muligt arrangement og energifordeling af alle molekylerne i et lukket termodynamisk system. For eksempel kan en mikrostat beskrive placeringen og den kinetiske energi for hvert sukker- og vandmolekyle inde i en termos varm chokolade.

En makrostat er derimod sættet med alle mulige mikrostater i et system: alle de mulige måder, hvorpå sukker og vandmolekyler inde i termosen kunne arrangeres. Den måde, som en fysiker beskriver en makrostat på, er ved hjælp af variabler som temperatur, tryk og volumen.

Dette er nødvendigt, fordi antallet af mulige mikrostater i en given makrostat er alt for stort til at håndtere. Et rum ved 30 grader Celsius er en nyttig måling, men det at vide, at det er 30 grader, afslører ikke de specifikke egenskaber for hvert luftmolekyle i rummet.

Selvom makrostater generelt bruges, når vi taler om termodynamik, forståelse af mikrostater er relevant, da de beskriver de underliggende fysiske mekanismer, der fører til de større målinger.

Entropi beskrives ofte med ord som et mål for mængden af ​​uorden i et system. Denne definition blev først foreslået af Ludwig Boltzmann i 1877.

Med hensyn til termodynamik kan det defineres mere specifikt som mængden af ​​termisk energi i et lukket system, der ikke er tilgængeligt til at udføre nyttigt arbejde.

Transformationen af ​​nyttig energi til termisk energi er en irreversibel proces. På grund af dette følger det, at den samlede mængde entropi i et lukket system - inklusive universet som helhed - kun kanøge​.

Dette koncept forklarer, hvordan entropi relaterer til den retning, som tiden flyder. Hvis fysikere var i stand til at tage flere snapshots af et lukket system med data om, hvor meget entropi der var i hver enkelt kunne de sætte dem i tidsrækkefølge efter "tidens pil" - gå fra mindre til mere entropi.

For at blive meget mere teknisk, matematisk, defineres et systems entropi af følgende formel, som Boltzmann også kom på:

hvorYer antallet af mikrostater i systemet (antallet af måder, systemet kan bestilles på),ker Boltzmann-konstanten (fundet ved at dividere den ideelle gaskonstant med Avogadros konstant: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) oglner den naturlige logaritme (en logaritme til basene​).

Den vigtigste afhentning fra denne formel er at vise, at når antallet af mikrostater eller måder at bestille et system på øges, øges dets entropi.

Ændringen i et systems entropi, når det bevæger sig fra en makrostat til en anden, kan beskrives i form af makrostatvariablerne varme og tid:

hvorTer temperatur ogQer varmeoverførslen i en reversibel proces, når systemet bevæger sig mellem to tilstande.

Den anden lov om termodynamik siger, at universets samlede entropi eller et isoleret system aldrig falder. I termodynamik er et isoleret system, hvor hverken varme eller stof kan komme ind eller ud af systemets grænser.

Med andre ord, i ethvert isoleret system (inklusive universet) er entropiændring altid nul eller positiv. Hvad dette i det væsentlige betyder er, at tilfældige termodynamiske processer har tendens til at føre til mere uorden end orden.

En vigtig vægt lægges påhar det med atdel af beskrivelsen. Tilfældige processerkunneføre til mere orden end uorden uden at krænke naturlove; det er bare langt mindre sandsynligt, at det sker.

For eksempel af alle mikrostater, hvor et tilfældigt blandet kortdæk kan ende - 8.066 × 10⁶⁷ - kun en af ​​disse muligheder er lig med den rækkefølge, de havde i den originale pakke. Detkunneske, men oddsene er meget, meget små. Alt i alt har alt naturligt tendens til uorden.

Entropi kan betragtes som et mål for uorden eller et systems tilfældighed. Den anden lov om termodynamik siger, at den altid forbliver den samme eller øges, men aldrig falder. Dette er et direkte resultat af statistisk mekanik, da beskrivelsen ikke afhænger af den ekstremt sjældne forekomst hvor et kort kort blandes i perfekt rækkefølge, men på et systems overordnede tendens til at øge uorden.

En forenklet måde at tænke på dette koncept er at overveje, at un-blanding af to sæt objekter tager mere tid og kræfter end at blande dem i første omgang. Bed enhver forælder til et lille barn om at bekræfte; det er lettere at lave et stort rod end at rydde det op!

Masser af andre observationer i den virkelige verden "giver mening" for os, der sker på en måde, men ikke en anden, fordi de følger den anden lov om termodynamik:

• Varme strømmer fra genstande ved højere temperatur til genstande ved lavere temperatur og ikke den anden vej rundt (isterninger smelter og varm kaffe, der er udeladt på bordet, afkøles gradvist, indtil den matcher rummet temperatur).
• Forladte bygninger smuldrer langsomt op og genopbygges ikke selv.
• En kugle, der ruller langs legepladsen, sænkes og stopper til sidst, da friktion omdanner sin kinetiske energi til ubrugelig termisk energi.
  

Den anden lov om termodynamik er bare en anden måde til formelt at beskrive begrebet tidens pil: At bevæge sig fremad i tiden kan entropiændringen i universet ikke være negativ.

Hvis orden kun stiger konstant, hvorfor ser det ud til at se rundt i verden mange eksempler på ordnede situationer?

Mens entropii det hele tageter altid stigende, lokalfalderi entropi er muligt inden for lommer i større systemer. For eksempel er menneskekroppen et meget organiseret, ordnet system - det gør endda en rodet suppe til udsøgte knogler og andre komplekse strukturer. For at gøre det tager kroppen dog energi og skaber affald, når den interagerer med omgivelserne. Så selvom den person, der gør alt dette, måske oplever mindre entropi i deres krop i slutningen af ​​en spiser / bygger kropsdele / udskiller affaldscyklus,systemets samlede entropi- kroppen plus alt omkring det - stadigøges​.

Tilsvarende kan et motiveret barn være i stand til at rense deres værelse, men de konverterede energi til varme i løbet af processen (tænk på deres egen sved og varmen, der genereres af friktion mellem genstande, der flyttes rundt om). De kastede sandsynligvis også en masse kaotisk affald, muligvis nedbryder stykker i processen. Igen øges entropi generelt i postnummeret, selvom det rum ender med spic og span.

I stor skala forudsiger termodynamikens anden lov det endeligevarme dødaf universet. For ikke at forveksle med et univers, der dør i brændende trængsler, refererer udtrykket mere præcist til ideen, der til sidst alle er nyttige energi vil blive omdannet til termisk energi eller varme, da den irreversible proces sker næsten overalt hele tiden. Desuden vil al denne varme til sidst nå en stabil temperatur eller termisk ligevægt, da der ikke sker noget andet med den.

En almindelig misforståelse om universets varmedød er, at det repræsenterer en tid, hvor der ikke er energi tilbage i universet. Dette er ikke tilfældet! Det beskriver snarere en tid, hvor al den nyttige energi er blevet omdannet til termisk energi, som alle har nået den samme temperatur, som en swimmingpool fyldt med halvt varmt og halvt koldt vand og derefter efterladt uden for alle eftermiddag.

Den anden lov kan være den hotteste (eller i det mindste den mest fremhævede) i indledende termodynamik, men som navnet antyder, er det ikke den eneste. De andre diskuteres mere detaljeret i andre artikler på webstedet, men her er en kort oversigt over dem:

​Termodynamikens nul lov.Således navngivet, fordi det ligger til grund for de andre termodynamiske love, beskriver nul-loven i det væsentlige, hvad temperaturen er. Det hedder, at når to systemer hver er i termisk ligevægt med et tredje system, skal de nødvendigvis også være i termisk ligevægt med hinanden. Med andre ord skal alle tre systemer have den samme temperatur. James Clerk Maxwell beskrev et hovedresultat af denne lov som "Al varme er af samme art."

​Den første lov om termodynamik.Denne lov anvender bevarelse af energi på termodynamik. Det hedder, at ændringen i intern energi for et system er lig forskellen mellem varmen tilføjet til systemet og det arbejde, systemet udfører:

HvorUer energi,Qer varme ogWer arbejde, alt sammen målt i joule (dog undertiden i Btus eller kalorier).

​Den tredje lov om termodynamik.Denne lov definererabsolut nulmed hensyn til entropi. Det hedder, at en perfekt krystal har nul entropi, når dens temperatur er absolut nul, eller 0 Kelvins. Krystallen skal være perfekt arrangeret ellers ville den have en eller anden iboende lidelse (entropi) i dens struktur. Ved denne temperatur har molekylerne i krystallen ingen bevægelse (hvilket også vil blive betragtet som termisk energi eller entropi).

Bemærk, at når universet når sin endelige tilstand af termisk ligevægt - dets varmedød - vil det have nået en temperaturhøjereend absolut nul.