Toinen termodynamiikan laki: Määritelmä, yhtälö ja esimerkkejä

Hiekkalinna rannalla romahtaa hitaasti päivän edetessä. Mutta joku, joka todistaa päinvastaisen - hiekka, joka hyppää spontaanisti linnan muotoon - sanoi, että hänen on katsottava äänitystä, ei todellisuutta. Vastaavasti lasillinen jäätee, jossa kuutiot sulavat ajan myötä, vastaa odotuksiamme, mutta ei lasillinen nestettä, johon jääkuutioita syntyy spontaanisti.

Syy siihen, että joillakin luonnollisilla prosesseilla näyttää olevan järkevää tapahtua ajassa eteenpäin, mutta ei taaksepäin ajassa, liittyy termodynamiikan toiseen lakiin. Tämä tärkeä laki on ainoa fyysinen kuvaus maailmankaikkeudesta, joka riippuu ajasta, jolla on tietty suunta, jossa voimme liikkua vain eteenpäin.

Sen sijaan Newtonin lait tai kinemaattiset yhtälöt, joita molempia käytetään kuvaamaan esineiden liikettä, toimivat yhtä hyvin, päättääkö fyysikko analysoida jalkapallokaaren, kun se liikkuu eteenpäin tai sisään käänteinen. Siksi termodynamiikan toiseen lakiin viitataan joskus myös "ajan nuolena".

Tilastollinen mekaniikka on fysiikan haara, joka yhdistää mikroskooppisen mittakaavan käyttäytymisen, kuten liikkeen ilmamolekyylit suljetussa huoneessa, seuraaville makroskooppisille havainnoille, kuten huoneen yleiskatsaus lämpötila. Toisin sanoen yhdistämällä se, mitä ihminen voi suoraan havaita, lukemattomiin näkymättömiin spontaaneihin prosesseihin, jotka yhdessä tekevät sen tapahtumaan.

Mikrotila on yksi mahdollinen järjestely ja kaikkien molekyylien energiajakauma suljetussa termodynaamisessa järjestelmässä. Esimerkiksi mikrotila voisi kuvata kunkin sokeri- ja vesimolekyylin sijainnin ja kineettisen energian kuuman suklaatermoksen sisällä.

Makrostaatti on toisaalta joukko kaikkia järjestelmän mahdollisia mikrotiloja: kaikki mahdolliset tapat termosissa olevat sokeri- ja vesimolekyylit voidaan järjestää. Tapa, jolla fyysikko kuvaa makrotaloa, on käyttää muuttujia, kuten lämpötila, paine ja tilavuus.

Tämä on välttämätöntä, koska mahdollisten mikrotilojen määrä tietyssä makrotasossa on aivan liian suuri käsittelemään. Huone 30 celsiusasteessa on hyödyllinen mittaus, vaikka sen tietäminen 30 astetta ei paljasta huoneen jokaisen ilmamolekyylin erityisiä ominaisuuksia.

Vaikka makrostaatteja käytetään yleensä termodynamiikasta puhuttaessa, mikrotilojen ymmärtäminen on merkitystä, koska ne kuvaavat fyysisiä mekanismeja, jotka johtavat suurempiin mitat.

Entropiaa kuvataan usein sanoin mittauksena häiriön määrästä järjestelmässä. Tämän määritelmän ehdotti ensimmäisen kerran Ludwig Boltzmann vuonna 1877.

Termodynamiikan kannalta se voidaan määritellä tarkemmin lämpöenergian määräksi suljetussa järjestelmässä, jota ei ole käytettävissä hyödyllisen työn tekemiseen.

Hyödyllisen energian muuttuminen lämpöenergiaksi on peruuttamaton prosessi. Tämän vuoksi seuraa, että suljetussa järjestelmässä - mukaan lukien maailmankaikkeus kokonaisuutena - entropian kokonaismäärä voi olla vainlisääntyä​.

Tämä käsite selittää kuinka entropia liittyy ajan virtaussuuntaan. Jos fyysikot pystyivät ottamaan useita otoksia suljetusta järjestelmästä tietojen kanssa, kuinka paljon entropia oli kussakin he pystyivät asettamaan ne aikajärjestykseen "ajan nuolta" seuraten - siirtymällä vähemmästä enemmän haje.

Saadakseen paljon teknistä matemaattisemmin järjestelmän entropia määritellään seuraavalla kaavalla, jonka Boltzmann myös kekski:

missäYon järjestelmän mikrotilojen lukumäärä (kuinka monta tapaa järjestelmä voidaan tilata),kon Boltzmann-vakio (saatu jakamalla ihanteellinen kaasuvakio Avogadron vakiolla: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) jalnon luonnollinen logaritmi (logaritmi pohjaane​).

Tämän kaavan tärkein poisto on osoittaa, että mikrotasojen tai tapojen tilata järjestelmiä lisääntyessä kasvaa myös sen entropia.

Järjestelmän entropian muutos, kun se siirtyy makrosta toiseen, voidaan kuvata makrotason muuttujien lämpö ja aika termeillä:

missäTon lämpötila jaQon lämmönsiirto palautuvassa prosessissa järjestelmän liikkuessa kahden tilan välillä.

Termodynamiikan toisen lain mukaan maailmankaikkeuden tai eristetyn järjestelmän kokonaisentropia ei koskaan vähene. Termodynamiikassa eristetty järjestelmä on sellainen, jossa lämpö eikä aine ei pääse järjestelmän rajoihin tai poistu niistä.

Toisin sanoen missä tahansa eristetyssä järjestelmässä (mukaan lukien maailmankaikkeus) entropian muutos on aina nolla tai positiivinen. Tämä tarkoittaa olennaisesti sitä, että satunnaiset termodynaamiset prosessit johtavat yleensä enemmän häiriöihin kuin järjestykseen.

Tärkeä painopiste onTapanaosa tätä kuvausta. Satunnaiset prosessitvoisijohtaa enemmän järjestykseen kuin epäjärjestykseen rikkomatta luonnollisia lakeja; se on vain huomattavasti vähemmän todennäköistä.

Esimerkiksi kaikista mikrotiloista, joihin satunnaisesti sekoitettu korttipaketti saattaa päätyä - 8,066 × 10⁶⁷ - vain yksi näistä vaihtoehdoista on sama kuin alkuperäisessä pakkauksessa. Sevoisimutta todennäköisyydet ovat hyvin, hyvin pienet. Kaiken kaikkiaan kaikki pyrkii luonnollisesti kohti häiriötä.

Entropiaa voidaan ajatella häiriön tai järjestelmän satunnaisuuden mittana. Termodynamiikan toisen lain mukaan se pysyy aina samana tai kasvaa, mutta ei koskaan laske. Tämä on suora tulos tilastomekaniikasta, koska kuvaus ei riipu erittäin harvinaisesta tapauksesta jossa korttipaketti sekoittuu täydelliseen järjestykseen, mutta järjestelmän yleinen taipumus lisääntyä häiriöissä.

Yksi yksinkertaistettu ajattelutapa tästä käsitteestä on ajatella, että kahden objektisarjan sekoittaminen vie enemmän aikaa ja vaivaa kuin niiden sekoittaminen. Pyydä pikkulapsen vanhempia tarkistamaan; on helpompi tehdä iso sotku kuin puhdistaa se!

Lukuisat muut todellisessa maailmassa tehdyt havainnot ovat "järkeviä" sen suhteen, että tapahtumme yhdellä tavalla, mutta eivät toisella, koska ne noudattavat termodynamiikan toista lakia:

• Lämpö virtaa esineistä korkeammassa lämpötilassa esineisiin alemmassa lämpötilassa eikä toisinpäin noin (jääpalat sulavat ja pöydälle jätetty kuuma kahvi jäähtyy vähitellen, kunnes se sopii huoneeseen lämpötila).
• Hylätyt rakennukset hajoavat hitaasti eivätkä rakenna itseään.
• Leikkikenttää pitkin liikkuva pallo hidastuu ja lopulta pysähtyy, kun kitka muuttaa kineettisen energian käyttökelvottomaksi lämpöenergiaksi.
  

Termodynamiikan toinen laki on vain yksi tapa kuvata muodollisesti ajan nuolen käsitettä: Kun siirrytään eteenpäin ajassa, universumin entropiamuutos ei voi olla negatiivinen.

Jos järjestys vain kasvaa jatkuvasti, miksi katsominen ympäri maailmaa näyttää paljastavan paljon esimerkkejä tilatuista tilanteista?

Entropian aikanakokonaisuutenakasvaa aina paikallisestiväheneeentropiassa ovat mahdollisia suurempien järjestelmien taskuissa. Esimerkiksi ihmiskeho on hyvin organisoitu, järjestetty järjestelmä - se muuttaa jopa sotkuisen keiton hienoksi luiksi ja muuksi monimutkaiseksi rakenteeksi. Tätä varten keho kuitenkin ottaa energiaa ja luo jätettä vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa. Joten vaikka kaiken tämän tekevällä henkilöllä saattaa olla vähemmän entropiaa kehossa syömisen / ruumiinosien rakentamisen / jätteiden erittymisen aikana,järjestelmän täydellinen entropia- ruumis ja kaikki sen ympärillä - edelleenkasvaa​.

Vastaavasti motivoitunut lapsi voi pystyä siivoamaan huoneensa, mutta he muuntivat energian lämmöksi aikana prosessi (ajattele omaa hikiään ja siirrettävien esineiden välisestä kitkasta syntyvää lämpöä noin). He luultavasti heittivät myös paljon kaoottista roskaa, mahdollisesti hajottaen paloja prosessin aikana. Jälleen entropia kasvaa postinumerossa kokonaisuudessaan, vaikka kyseinen huone päätyisikin spiciksi ja spaniksi.

Lämpimästi termodynamiikan toinen laki ennustaa lopullisenlämpökuolemamaailmankaikkeuden. Lauseketta ei pidä sekoittaa tulisessa kurkussa kuolevaan maailmankaikkeuteen, vaan se viittaa tarkemmin ajatukseen, että lopulta kaikki hyödylliset energia muuttuu lämpöenergiaksi tai lämmöksi, koska peruuttamaton prosessi tapahtuu melkein kaikkialla koko ajan. Lisäksi kaikki tämä lämpö saavuttaa lopulta vakaan lämpötilan tai lämpötasapainon, koska sille ei tapahdu mitään muuta.

Yleinen väärinkäsitys maailmankaikkeuden lämpökuolemasta on, että se edustaa aikaa, jolloin universumissa ei ole enää energiaa. Tämä ei ole se tapaus! Pikemminkin se kuvaa aikaa, jolloin kaikki hyödyllinen energia on muunnettu lämpöenergiaksi, joka on kaikki saavuttanut sama lämpötila, kuten uima-allas, joka on täynnä puoli kuumaa ja puoli kylmää vettä, ja jätetään sitten kaikkien ulkopuolelle iltapäivällä.

Toinen laki voi olla kuumin (tai ainakaan eniten korostettu) esittelytermodynamiikassa, mutta kuten nimestä käy ilmi, se ei ole ainoa. Muista keskustellaan tarkemmin sivuston muissa artikkeleissa, mutta tässä on lyhyt kuvaus niistä:

​Termodynamiikan nolla laki.Nimeetty, koska se on muiden termodynamiikan lakien taustalla, nulllaki kuvaa lähinnä lämpötilan olevan. Siinä todetaan, että kun kaksi järjestelmää on kukin lämpötasapainossa kolmannen järjestelmän kanssa, niiden on välttämättä oltava myös termisessä tasapainossa keskenään. Toisin sanoen, kaikkien kolmen järjestelmän on oltava sama lämpötila. James Clerk Maxwell kuvaili tämän lain päätulosta seuraavasti: "Kaikki lämpö on samanlaista".

​Ensimmäinen termodynamiikan laki.Tämä laki soveltaa energiansäästöä termodynamiikkaan. Siinä todetaan, että järjestelmän sisäisen energian muutos on yhtä suuri kuin järjestelmään lisätyn lämmön ja järjestelmän tekemän työn välinen ero:

MissäUon energiaa,Qon lämpöä jaWon työtä, kaikki mitataan tyypillisesti jouleina (tosin joskus Btus- tai kaloreina).

​Termodynamiikan kolmas laki.Tämä laki määritteleeabsoluuttinen nollaentropian kannalta. Siinä todetaan, että täydellisellä kiteellä on nolla entropiaa, kun sen lämpötila on absoluuttinen nolla eli 0 kelviniä. Kiteen on oltava täysin järjestetty tai muuten sen rakenteessa olisi jokin luonnollinen häiriö (entropia). Tässä lämpötilassa kiteen molekyyleillä ei ole liikettä (mikä katsotaan myös lämpöenergiaksi tai entropiaksi).

Huomaa, että kun maailmankaikkeus saavuttaa lopullisen lämpötasapainon - lämpökuoleman -, se on saavuttanut lämpötilankorkeampikuin absoluuttinen nolla.