Tõenäoliselt olete tuttav ideega, et soojus näib voolavat alati kuumadest objektidest külmade objektideni, mitte vastupidi. Samuti pole pärast kahe asja kokkusegamist segunemist tõenäoliselt segades.
Katkine teetassi ei hakka ennast spontaanselt uuesti kokku võtma ja pudelist välja valgunud piima ei saa lihtsalt kätte. Kõigi nende nähtuste taga on termodünaamika teine seadus ja mõiste, mida nimetatakse entroopiaks.
Entroopia paremaks mõistmiseks peate kõigepealt tundma statistilise mehaanika mõisteid: mikroseisundeid ja makrostaate.
Mikrolaadsed ja makrostaalid
Statistilises mehaanikas on mikropositsioon üks võimalik paigutus (ja soojusenergia või sisemine osade energiajaotus, kui see on võimalik) suletud süsteemis, mis võib juhtuda mõnega tõenäosus.
Selle üks lihtsamaid näiteid on kahepoolsete müntide komplekt, mis võib olla kas pea või saba. Kui on kaks identset münti, on süsteemis neli võimalikku mikrostaati: münt 1 on pead ja münt 2 on sabad, münt 1 on sabad ja münt 2 on pead, mõlemad mündid on pead ja mõlemad mündid on sabad.
Kui münte pööratakse pidevalt samaaegselt (sarnaselt pidevalt ringi liikuva gaasi molekulidele), võib iga mikrolukku pidada võimalikukssüsteemi "hetktõmmis"ühel ajahetkel, kusjuures igal mikroleval on teatud tõenäosus esineda. Sel juhul on kõigi nelja nimetatud mikroseisundi tõenäosus võrdne.
Teise näitena kujutage ette lühikest pilti õhupalli gaasimolekulidest: nende energiast, asukohast, kiirusest, mis on tehtud ühe hetkega. See on selle konkreetse süsteemi võimalik mikroseis.
Makrostaat on süsteemi kõigi võimalike mikroseisude kogum, arvestades olekumuutujaid. Olekumuutujad on muutujad, mis kirjeldavad süsteemi üldist seisundit, olenemata sellest, kuidas see teisest sellesse olekusse jõudis (kas molekulide erineva paigutuse või osakesel erinevate võimalike radade abil algseisundist lõplikku jõudmiseks riik).
Õhupalli jaoks on võimalikeks olekumuutujaks termodünaamiline suuruse temperatuur, rõhk või maht. Õhupalli makrostaat on gaasimolekulide iga võimaliku hetkepildi kogum, mis võib õhupalli jaoks põhjustada sama temperatuuri, rõhu ja mahu.
Kahe mündi puhul on kolm võimalikku makrostaati: üks, kus üks münt on pead ja teine saba, üks, kus mõlemad on pead, ja teine, kus mõlemad on saba.
Pange tähele, et esimene makrostaat sisaldab kaht mikroreklaami: mündi 1 pead koos mündi 2 sabaga ja mündi 1 saba mündi 2 peaga. Need mikroseisud on põhimõtteliselt sama makrostaadi erinevad võimalused (üks mündipea ja üks mündisaba). Need on erinevad viisid sama saamiseksolekumuutuja, kus olekumuutuja on peade koguarv ja sabade koguarv.
Võimalike mikrostaatide arvu makrosaaduses nimetatakse selle makrostaadikspaljusus. Miljonite või miljardite või enamate osakestega süsteemide puhul, näiteks õhupalli gaasimolekulid, näib see selge võimalike mikropositsioonide arv antud makrostaadis või makrostaadi arvukus on juhitamatult suur.
See on makrostaadi kasulikkus ja seetõttu on termodünaamilises süsteemis makrostaadid tavaliselt kasutatavad. Ent mikroseisud on entroopia jaoks olulised.
Entroopia mõiste
Süsteemi entroopia mõiste on otseselt seotud võimalike mikropositsioonide arvuga süsteemis. See on määratletud valemiga S = k * ln (Ω), kus Ω on süsteemi mikropositsioonide arv, k on Boltzmanni konstant ja ln on loomulik logaritm.
Selle võrrandi, nagu ka suure osa statistilise mehaanika valdkonnast, lõi saksa füüsikLudwig Boltzmann. Nimelt tema teooriad, mis arvasid, et gaasid on statistilised süsteemid, kuna need koosnevad suurest arv aatomeid või molekule, tuli ajal, mil oli endiselt vaieldav, kas aatomid olid või mitte olemas. Võrrand
S = k \ ln {\ Omega}
on graveeritud tema hauakivile.
Süsteemi entroopia muutust, kui see liigub ühest makrostaadist teise, saab kirjeldada olekumuutujate abil:
\ Delta S = \ frac {dQ} {T}
kus T on temperatuur kelviinides ja dQ on soojust joulides, mis vahetatakse pöörduva protsessi käigus, kui süsteem muutub olekute vahel.
Termodünaamika teine seadus
Entroopiat võib pidada häire või süsteemi juhuslikkuse näitajaks. Mida rohkem on võimalik mikropositsioone, seda suurem on entroopia. Rohkem mikroseisundeid tähendab sisuliselt seda, et on olemas rohkem võimalusi kõigi süsteemi molekulide paigutamiseks, mis näevad välja suuremas osas võrdväärsed.
Mõelge näiteks sellele, kuidas proovida segada midagi, mis on kokku segatud. On absurdne arv mikroseisundeid, milles materjalid jäävad segamini, kuid ainult väga-väga vähesed, milles need on täiesti segunemata. Seetõttu on uue segamise tõenäosus, mis kõik seguneb, kaduvväike. See segamata mikrolement realiseerub ainult siis, kui minna ajas tahapoole.
Termodünaamika üks olulisemaid seadusi, teine seadus, ütleb, et universumi (või mis tahes täiesti isoleeritud süsteemi) täielik entroopiaei vähene kunagi. See tähendab, et entroopia suureneb või jääb samaks. Seda kontseptsiooni, et süsteemid kipuvad aja jooksul alati häirima, nimetatakse mõnikord ka aja nooleks: see osutab ainult ühes suunas. Öeldakse, et see seadus viitab universumi võimalikule kuumale surmale.
Töö- ja soojusmasinad
Soojusmootor kasutab kasuliku töö loomiseks kuumalt objektidelt külmadele objektidele liikuva soojuse mõistet. Selle näiteks on auruvedur. Kui kütus põleb, tekitades soojust, liigub see soojus vette, mis tekitab auru, mis surub kolbe mehaanilise liikumise loomiseks. Kolvide liigutamiseks ei lähe kogu küttepõlengust tekkiv soojus; ülejäänu läheb õhu soojendamiseks. Sisepõlemismootorid on ka näited soojusmootoritest.
Töö käigus peab igas mootoris keskkonnale antud entroopia olema rohkem kui sellest võetud entroopia, muutes entroopia netomuutuse negatiivseks.
Seda tuntakse kuiClausiuse ebavõrdsus:
\ lub \ frac {dQ} {T} \ leq 0
Integraal on üle ühe mootori kogu tsükli. See on võrdne 0-ga Carnoti tsüklis või teoreetilises ideaalses mootoritsüklis, kus mootori ja selle ümbruse netoentroopia ei suurene ega vähene. Kuna entroopia ei vähene, on see mootoritsükkel pöörduv. Oleks pöördumatu, kui entroopia väheneks termodünaamika teise seaduse tõttu.
Maxwelli deemon
Füüsik James Clerk Maxwell lõi entroopiaga seotud mõttekatse, mis tema arvates mõistaks veelgi termodünaamika teist seadust. Mõttekatses on kaks sama temperatuuriga gaasimahutit, mille vahel on sein.
"Deemonil" (kuigi see polnud Maxwelli sõna) on peaaegu kõikjalolev jõud: ta avab väikese ukse sein, mis võimaldab kiiresti liikuvatel molekulidel liikuda kastist 1 lahtrisse 2, kuid sulgeb selle aeglasemalt liikumiseks molekulid. Ta teeb ka tagurpidi, avades väikese ukse, mis võimaldab aeglaselt liikuvaid molekule lahtrist 2 lahtrisse 1.
Lõpuks on 1. lahtris rohkem kiiresti liikuvaid molekule ja 2. kastis on aeglasemalt liikuvaid molekule, ja süsteemi netoentroopia on vähenenud termodünaamika.