Termodünaamika teine ​​seadus: definitsioon, võrrand ja näited

Rannas asuv liivaross laguneb päeva edenedes aeglaselt. Kuid keegi, kes on tunnistajaks vastupidisele - spontaanselt lossi kuju hüppav liiv - ütleks, et ta vaatab kindlasti salvestust, mitte tegelikkust. Samamoodi vastab klaasi jääteed, milles kuubikud aja jooksul sulavad, meie ootustele, kuid mitte klaasi vedelikku, milles jääkuubikud spontaanselt tekivad.

Põhjus, et mõnel looduslikul protsessil on mõte toimuda ajas edasi, kuid mitte ajas tagasi, on seotud termodünaamika teise seadusega. See oluline seadus on universumi ainus füüsiline kirjeldus, mis sõltub ajast, millel on kindel suund, milles saame liikuda ainult edasi.

Seevastu Newtoni seadused või kinemaatilised võrrandid, mida kasutatakse objektide liikumise kirjeldamiseks, töötavad sama hästi, kas füüsik otsustab jalgpalli kaare analüüsida, kui see liigub edasi või edasi tagurpidi. Sellepärast nimetatakse termodünaamika teist seadust mõnikord ka "aja nooleks".

Statistiline mehaanika on füüsika haru, mis seob mikroskoopilise skaala käitumist, näiteks liikumist õhumolekulid suletud ruumis, järgnevatele makroskoopilistele vaatlustele, näiteks ruumi üldine temperatuur. Teisisõnu, ühendades selle, mida inimene saab otseselt jälgida, hulga nähtamatute spontaansete protsessidega, mis koos selle teoks teevad.

Mikrostaat on kõigi molekulide võimalik paigutus ja energiajaotus suletud termodünaamilises süsteemis. Näiteks võiks mikrostatsent kirjeldada iga suhkru- ja veemolekuli asukohta ja kineetilist energiat kuuma šokolaadi termoses.

Makrostaat seevastu on süsteemi kõigi võimalike mikrostaatide kogum: kõik võimalikud viisid termosis olevate suhkru- ja veemolekulide paigutamiseks. Füüsik kirjeldab makrostaati, kasutades muutujaid nagu temperatuur, rõhk ja maht.

See on vajalik, kuna antud makrostaadis on võimalike mikroseisude arv sellega tegelemiseks liiga suur. 30-kraadine temperatuur on kasulik mõõtmine, ehkki selle teadmine 30 kraadi juures ei näita iga ruumis oleva õhumolekuli konkreetseid omadusi.

Ehkki termodünaamikast rääkides kasutatakse tavaliselt makrostaate, tuleb mikrostaatidest aru saada on asjakohane, kuna need kirjeldavad füüsikalisi mehhanisme, mis toovad kaasa suuremad mõõdud.

Entroopiat kirjeldatakse sõnades sageli kui häire suurust süsteemis. Selle definitsiooni pakkus Ludwig Boltzmann esmakordselt välja 1877. aastal.

Termodünaamika osas saab seda täpsemalt määratleda kui soojusenergia hulka suletud süsteemis, mis pole kasuliku töö tegemiseks kättesaadav.

Kasuliku energia muundamine soojusenergiaks on pöördumatu protsess. Seetõttu järeldub, et entroopia kogusumma suletud süsteemis - kaasa arvatud universum tervikuna - saab ainult ollasuurendama​.

See mõiste selgitab, kuidas on entroopia seotud aja liikumise suunaga. Kui füüsikud suutsid teha mitu pilti suletud süsteemist koos andmetega, kui palju entroopiat oli igaühes võiksid nad panna need ajas järjekorda, järgides "aja noolt" - minnes vähemalt rohkemale entroopia.

Matemaatiliselt palju tehnilisemaks saamiseks määratletakse süsteemi entroopia järgmise valemiga, mille Boltzmann ka välja mõtles:

kusYon süsteemis olevate mikropositsioonide arv (süsteemi tellimisviiside arv),kon Boltzmanni konstant (leitud ideaalse gaasikonstandi jagamisel Avogadro konstandiga: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) jalnon loomulik logaritm (logaritm alusenie​).

Selle valemi peamine väljavõte on näidata, et mikrotasemete või süsteemi tellimisviiside suurenedes suureneb ka selle entroopia.

Süsteemi entroopia muutust, kui see liigub ühest makrostaadist teise, saab kirjeldada makrostaadi muutujate soojuse ja aja mõistes:

kusTon temperatuur jaQon soojusülekanne pöörduvas protsessis, kui süsteem liigub kahe oleku vahel.

Termodünaamika teine ​​seadus ütleb, et universumi või isoleeritud süsteemi kogu entroopia ei vähene kunagi. Termodünaamikas on isoleeritud süsteem, milles ei soojus ega aine ei saa süsteemi piiridesse siseneda ega neist väljuda.

Teisisõnu, mis tahes isoleeritud süsteemis (ka universumis) on entroopia muutus alati null või positiivne. Mida see sisuliselt tähendab, on see, et juhuslikud termodünaamilised protsessid põhjustavad pigem korratust kui korda.

Oluline rõhk langebkippumaosa sellest kirjeldusest. Juhuslikud protsessidvõiksviia loodusseadusi rikkumata rohkem korratuse kui korrarikkumiseni; see juhtub lihtsalt tunduvalt vähem.

Näiteks kõigist mikroseisunditest, kuhu juhuslikult segatud kaardipakk võib sattuda - 8,066 × 10⁶⁷ - ainult üks nendest valikutest on algse pakendi järjestusega võrdne. Seevõiksjuhtub, kuid tõenäosus on väga, väga väike. Üldiselt kaldub kõik loomulikult korrarikkumiste poole.

Entroopiat võib pidada häire või süsteemi juhuslikkuse näitajaks. Termodünaamika teine ​​seadus ütleb, et see jääb alati samaks või suureneb, kuid ei vähene kunagi. See on statistilise mehaanika otsene tulemus, kuna kirjeldus ei sõltu eriti haruldasest juhtumist kus kaardipakk seguneb ideaalses järjekorras, kuid süsteemi üldise kalduvuse korral korrarikkumisi suurendada.

Selle kontseptsiooni lihtsustatud mõtteviis on arvestada, et kahe esemekomplekti mittesegamine võtab rohkem aega ja vaeva kui nende kokkusegamine. Paluge igal väikelapse vanemal seda kontrollida; lihtsam on suur jama teha kui koristada!

Paljud muud reaalses maailmas tehtud vaatlused on "loogilised", et need toimuvad ühel viisil, kuid mitte teisel viisil, kuna need järgivad termodünaamika teist seadust:

• Soojus voolab kõrgema temperatuuri objektidest madalama temperatuuriga objektidesse ja mitte vastupidi ümber (jääkuubikud sulavad ja lauale jäetud kuum kohv jahtub järk-järgult, kuni see sobib toaga temperatuur).
• Hüljatud hooned lagunevad aeglaselt ega ehita end uuesti üles.
• Mänguväljakul veerev pall aeglustub ja lõpuks peatub, kuna hõõrdumine muudab selle kineetilise energia kasutuskõlbmatuks soojusenergiaks.
  

Termodünaamika teine ​​seadus on lihtsalt üks viis aja noole mõiste ametlikuks kirjeldamiseks: ajas edasi liikudes ei saa universumi entroopia muutus olla negatiivne.

Kui kord järjest suureneb, siis miks näib maailmas ringi vaadates palju näiteid tellitud olukordadest?

Ent entroopia ajaltervikunasuureneb alati, kohalikvähenebentroopias on suuremate süsteemide taskutes võimalikud. Näiteks on inimkeha väga organiseeritud, korrastatud süsteem - see muudab räpase supi isegi peeneteks luudeks ja muudeks keerukateks struktuurideks. Kuid selleks võtab keha energiat ja loob jäätmeid, kui see suhtleb ümbritsevaga. Ehkki seda kõike tegija võib söömise / kehaosade ehitamise / jäätmete väljutamise tsükli lõpus oma kehas vähem entroopiat kogeda,süsteemi täielik entroopia- keha pluss kõik selle ümber - ikkasuureneb​.

Samamoodi võib motiveeritud laps suuta oma tuba koristada, kuid muutis selle ajal energiat soojuseks protsess (mõelge iseenda higi ja liigutatavate objektide vahelise hõõrdumise tekitatud soojusele ümber). Tõenäoliselt viskasid nad välja ka palju kaootilist prügikasti, purustades selle käigus tükke. Jällegi suureneb entroopia postiindeksis, isegi kui see ruum jõuab spici ja spanini.

Suures plaanis ennustab termodünaamika teine ​​seadus lõplikkukuumasurmuniversumi. Et mitte segi ajada tulises kurgus sureva universumiga, viitab see lause täpsemalt ideele, et lõpuks on kõik kasulikud energia muundatakse soojusenergiaks või soojuseks, kuna pöördumatu protsess toimub kogu aeg peaaegu kõikjal. Pealegi saavutab kogu see soojus lõpuks stabiilse temperatuuri ehk termilise tasakaalu, kuna sellega ei juhtu midagi muud.

Üldine eksiarvamus universumi kuumuse surma kohta on see, et see tähistab aega, mil universumis pole enam energiat. See pole nii! Pigem kirjeldab see aega, mil kogu kasulik energia on muundatud soojusenergiaks, mis kõik on jõudnud sama temperatuur, nagu pool kuuma ja pool külma veega täidetud bassein, mis jäeti siis kõigist väljapoole pärastlõuna.

Teine seadus võib olla sissejuhatava termodünaamika kuumim (või vähemalt kõige enam rõhutatud), kuid nagu nimigi ütleb, pole see ainus. Teisi arutatakse üksikasjalikumalt saidi teistes artiklites, kuid siin on nende lühike ülevaade:

​Termodünaamika nullist seadus.Null nimega, kuna see on teiste termodünaamika seaduste aluseks, kirjeldab nullist tulenev seadus sisuliselt seda, mis on temperatuur. Selles öeldakse, et kui kaks süsteemi on mõlemad kolmanda süsteemiga termilises tasakaalus, peavad nad tingimata olema ka üksteisega termilises tasakaalus. Teisisõnu peavad kõik kolm süsteemi olema sama temperatuuriga. James Clerk Maxwell kirjeldas selle seaduse peamist tulemust järgmiselt: "Kogu kuumus on samasugust".

​Termodünaamika esimene seadus.See seadus rakendab energia säästmist termodünaamika suhtes. Selles öeldakse, et süsteemi siseenergia muutus võrdub süsteemile lisatud soojuse ja süsteemi tehtud töö erinevusega:

KusUon energia,Qon soojus jaWon töö, seda kõike mõõdetakse tavaliselt džaulides (ehkki mõnikord btusides või kalorites).

​Termodünaamika kolmas seadus.See seadus määratlebabsoluutne nullentroopia mõttes. Selles öeldakse, et täiuslikul kristallil on null entroopia, kui selle temperatuur on absoluutne null ehk 0 kelvinit. Kristall peab olema ideaalselt paigutatud, muidu oleks selle struktuuris mingi olemuslik häire (entroopia). Sellel temperatuuril ei ole kristallis olevatel molekulidel liikumist (mida saaks pidada ka soojusenergiaks või entroopiaks).

Pange tähele, et kui universum saavutab lõpliku termilise tasakaalu seisundi - soojus surma -, on see saavutanud temperatuurikõrgemkui absoluutne null.