Drugi zakon termodinamike: definicija, jednadžba i primjeri

Dvorac s pijeskom na plaži polako se ruši kako dan odmiče. Ali netko tko je svjedok obrnutog - pijesak koji spontano skače u oblik dvorca - rekao bi da mora gledati snimku, a ne stvarnost. Slično tome, čaša ledenog čaja u kojoj se kocke s vremenom tope odgovara našim očekivanjima, ali ne i čaša tekućine u kojoj se kocke leda spontano stvaraju.

Razlog što se čini da neki prirodni procesi imaju smisla događati se naprijed u vremenu, ali ne i natrag u vremenu, povezan je s drugim zakonom termodinamike. Ovaj važan zakon jedini je fizički opis svemira koji ovisi o vremenu koje ima određeni smjer, u kojem se možemo kretati samo naprijed.

Nasuprot tome, djeluju Newtonovi zakoni ili kinematičke jednadžbe, koje se koriste za opisivanje kretanja predmeta jednako dobro odluči li fizičar analizirati luk nogometa dok se kreće naprijed ili u obrnuti. Zbog toga se drugi zakon termodinamike ponekad naziva i "strijelom vremena".

Statistička mehanika je grana fizike koja povezuje ponašanje mikroskopskih razmjera, poput gibanja molekule zraka u zatvorenoj sobi, do naknadnih makroskopskih promatranja, poput cjelokupnog prostora temperatura. Drugim riječima, povezivanje onoga što bi čovjek mogao izravno promatrati s bezbroj nevidljivih spontanih procesa koji to zajedno čine.

Mikrostanje je jedan od mogućih rasporeda i raspodjele energije svih molekula u zatvorenom termodinamičkom sustavu. Na primjer, mikrodržava može opisati položaj i kinetičku energiju svake molekule šećera i vode unutar termos vruće čokolade.

Makrodržava je, pak, skup svih mogućih mikrostana sustava: svi mogući načini na koje se molekule šećera i vode unutar termosa mogu urediti. Način na koji fizičar opisuje makrostanje je pomoću varijabli kao što su temperatura, tlak i volumen.

To je neophodno jer je broj mogućih mikrostana u datoj makrostani prevelik da bi se s njim moglo postupati. Soba na 30 stupnjeva Celzija korisno je mjerenje, iako saznanje da je 30 stupnjeva ne otkriva specifična svojstva svake molekule zraka u sobi.

Iako se makrostati uglavnom koriste kada se govori o termodinamici, razumijevanje mikrostana je relevantan jer opisuju temeljne fizikalne mehanizme koji vode do onih većih mjerenja.

Entropija se često opisuje riječima kao mjera količine poremećaja u sustavu. Ovu je definiciju prvi predložio Ludwig Boltzmann 1877. godine.

U terminima termodinamike, može se preciznije definirati kao količina toplinske energije u zatvorenom sustavu koja nije dostupna za obavljanje korisnih poslova.

Transformacija korisne energije u toplinsku energiju je nepovratan proces. Zbog toga proizlazi da ukupna količina entropije u zatvorenom sustavu - uključujući svemir u cjelini - može samopovećati​.

Ovaj koncept objašnjava kako se entropija odnosi na smjer kretanja vremena. Kad bi fizičari uspjeli napraviti nekoliko snimaka zatvorenog sustava s podacima o tome koliko je bila entropija u svakom od njih mogli su ih rasporediti na vrijeme slijedeći "strelicu vremena" - od manjeg do višeg entropija.

Da bismo matematički dobili puno više tehničke, entropija sustava definirana je sljedećom formulom, koju je Boltzmann također smislio:

gdjeYje broj mikrodržava u sustavu (broj načina na koji se sustav može naručiti),kje Boltzmannova konstanta (pronađena dijeljenjem idealne plinske konstante s Avogadrovom konstantom: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) ilnje prirodni logaritam (logaritam za bazue​).

Glavno iznošenje iz ove formule je pokazati kako se, kako se povećava broj mikrodržava ili načina naručivanja sustava, povećava i njegova entropija.

Promjena entropije sustava pri prelasku iz jedne makrostanje u drugu može se opisati u terminima varijable makrostanja toplina i vrijeme:

gdjeTje temperatura iQje prijenos topline u reverzibilnom procesu dok se sustav kreće između dva stanja.

Drugi zakon termodinamike kaže da ukupna entropija svemira ili izoliranog sustava nikada ne opada. U termodinamici je izolirani sustav onaj u kojem ni toplina ni tvar ne mogu ući niti izići iz granica sustava.

Drugim riječima, u bilo kojem izoliranom sustavu (uključujući svemir), promjena entropije uvijek je nula ili pozitivna. To u biti znači da slučajni termodinamički procesi vode do više poremećaja nego reda.

Važan naglasak pada nanastojatidio tog opisa. Slučajni procesimoglidovesti do više reda nego nereda bez kršenja prirodnih zakona; samo je znatno manje vjerojatno da će se dogoditi.

Na primjer, od svih mikrodržava u kojima bi mogao završiti nasumično promiješan špil karata - 8.066 × 10⁶⁷ - samo je jedna od tih opcija jednaka redoslijedu u originalnom pakiranju. Tomoglidogodi, ali izgledi su vrlo, vrlo mali. U cjelini, sve prirodno teži neredu.

Entropija se može smatrati mjerom poremećaja ili slučajnosti sustava. Drugi zakon termodinamike kaže da uvijek ostaje isti ili se povećava, ali nikada ne smanjuje. To je izravan rezultat statističke mehanike, jer opis ne ovisi o izuzetno rijetkim primjerima gdje se špil karata miješa u savršen red, ali na ukupnu tendenciju sustava da raste u neredu.

Jednostavni način razmišljanja o ovom konceptu jest uzeti u obzir da miješanje dvaju kompleta predmeta zahtijeva više vremena i napora nego što je njihovo miješanje uopće. Zamolite bilo kojeg roditelja djeteta da provjeri; lakše je napraviti veliki nered nego ga očistiti!

Mnogo drugih promatranja u stvarnom svijetu "imaju smisla" da nam se događaju na jedan način, ali ne i na drugi jer slijede drugi zakon termodinamike:

• Toplina teče od predmeta na višoj temperaturi do predmeta na nižoj temperaturi, a ne obrnuto okolo (kockice leda se tope, a vruća kava izostavljena na stolu postupno se hladi dok se ne podudara s prostorom temperatura).
• Napuštene zgrade polako se ruše i ne obnavljaju se.
• Lopta koja se kotrlja duž igrališta usporava i na kraju se zaustavlja, jer trenje pretvara svoju kinetičku energiju u neupotrebljivu toplinsku energiju.
  

Drugi zakon termodinamike samo je još jedan način da se formalno opiše koncept strelice vremena: Krećući se naprijed u vremenu, promjena entropije u svemiru ne može biti negativna.

Ako se red samo povećava, zašto izgleda da gledanje oko svijeta otkriva mnoštvo primjera uređenih situacija?

Dok je entropijau cijelostise uvijek povećava, lokalnosmanjujeu entropiji su mogući unutar džepova većih sustava. Na primjer, ljudsko je tijelo vrlo organiziran, uređen sustav - čak i neurednu juhu pretvara u izvrsne kosti i druge složene strukture. Međutim, da bi to učinilo, tijelo uzima energiju i stvara otpad dok komunicira sa svojom okolinom. Dakle, iako bi osoba koja radi sve ovo mogla imati manje entropije u svom tijelu na kraju ciklusa prehrane / izgradnje dijelova tijela / izlučivanja otpada,ukupna entropija sustava- tijelo plus sve oko sebe - i daljepovećava​.

Slično tome, motivirano dijete moglo bi moći očistiti svoju sobu, ali je tijekom toga energiju pretvaralo u toplinu proces (mislite na vlastiti znoj i toplinu koja nastaje trenjem između predmeta koji se premještaju oko). Vjerojatno su izbacili i puno kaotičnog smeća, pri čemu su možda razlomili komade. Opet, entropija se sve više povećava u poštanskom broju, čak i ako ta soba završi naglo.

U velikoj mjeri, drugi zakon termodinamike predviđa konačnitoplinska smrtsvemira. Da se ne bi zbunio sa svemirom koji umire u vatrenom muku, fraza se preciznije odnosi na ideju koja je na kraju sva korisna energija će se pretvoriti u toplinsku energiju, ili toplinu, budući da se nepovratni proces događa gotovo posvuda cijelo vrijeme. Štoviše, sva ta toplina na kraju će doseći stabilnu temperaturu ili toplinsku ravnotežu, jer joj se ništa drugo neće događati.

Uobičajena zabluda o toplinskoj smrti svemira je da ona predstavlja vrijeme kada u svemiru više nema energije. Ovo nije slučaj! Umjesto toga, opisuje vrijeme kada se sva korisna energija transformirala u toplinsku energiju koja je sve dosegla iste temperature, poput bazena napunjenog napola vrućom i napola hladnom vodom, a zatim ostavljenog izvan svih poslijepodne.

Drugi je zakon možda najtopliji (ili barem najizraženiji) u uvodnoj termodinamici, ali kao što naziv govori, nije jedini. O ostalim se detaljnije raspravlja u drugim člancima na web mjestu, ali evo kratkog pregleda:

​Nulti zakon termodinamike.Tako nazvan jer leži u osnovi ostalih zakona termodinamike, nulti zakon u osnovi opisuje što je temperatura. Navodi da kada su dva sustava u toplinskoj ravnoteži s trećim sustavom, oni nužno moraju biti i u toplinskoj ravnoteži jedan s drugim. Drugim riječima, sva tri sustava moraju biti iste temperature. James Clerk Maxwell opisao je glavni ishod ovog zakona kao "Sva je vrućina iste vrste."

​Prvi zakon termodinamike.Ovaj zakon primjenjuje očuvanje energije na termodinamiku. Navodi se da je promjena unutarnje energije za sustav jednaka razlici između topline dodane sustavu i posla koji sustav radi:

GdjeUje energija,Qje toplina iWje posao, a sve se obično mjeri u džulima (iako ponekad u Btusima ili kalorijama).

​Treći zakon termodinamike.Ovaj zakon definiraapsolutna nulau smislu entropije. U njemu se navodi da savršeni kristal ima nultu entropiju kada je njegova temperatura apsolutna nula ili 0 Kelvina. Kristal mora biti savršeno uređen, inače bi u svojoj strukturi imao svojstveni poremećaj (entropiju). Pri toj temperaturi, molekule u kristalu nemaju gibanja (što bi se također smatralo toplinskom energijom ili entropijom).

Imajte na umu da će svemir doseći konačno stanje toplinske ravnoteže - svoju toplinsku smrt - postići će temperaturuvišenego apsolutna nula.