Valószínűleg ismeri azt az elképzelést, hogy a hő mindig úgy tűnik, hogy forró tárgyakról hideg tárgyakra áramlik, és nem fordítva. Ezenkívül két dolog összekeverése után valószínűleg nem keverednek össze, miközben folyamatosan kevered.
A törött teáscsésze spontán nem állítja össze magát, és az üvegből kiömlött tej nem könnyen nyerhető vissza. Mindezen jelenségek oka a termodinamika második törvényével és az entrópiának nevezett koncepcióval függ össze.
Az entrópia legjobb megértése érdekében először ismernie kell a statisztikai mechanika néhány alapvető fogalmát: a mikropozíciókat és a makroszinteket.
Mikrostátusok és makrostátumok
A statisztikai mechanikában a mikropozíció az egyik lehetséges elrendezés (és hőenergia vagy belső adott esetben a részecskék energiaeloszlása zárt rendszerben, amely néhánynál előfordulhat valószínűség.
Ennek egyik legegyszerűbb példája a kétoldalas érmék halmaza, amelyek lehetnek fejek vagy farok. Ha két egyforma érme van, akkor a rendszernek négy lehetséges mikrostátuma van: az 1. érme fej és a 2 érme farka, az 1 érme farka és a 2 érme fej, mindkét érme fej és mindkét érme frakk.
Ha az érméket folyamatosan egyidejűleg forgatják (hasonlóan a folyamatosan mozgó gáz molekuláihoz), akkor mindegyik mikrállapot lehetségesnek tekinthető"pillanatkép" a rendszerrőlegyetlen időpontban, minden mikrostátum bizonyos valószínűséggel bekövetkezik. Ebben az esetben mind a négy mikroszintű valószínűsége egyenlő.
Másik példaként képzeljen el egy rövid képet a ballon gázmolekuláiról: energiájukról, helyükről, sebességükről, egyetlen pillanat alatt. Ez az adott rendszer lehetséges mikrostátuma.
A makrostátum a rendszer összes lehetséges mikropozíciójának halmaza, adott állapotváltozókkal. Az állapotváltozók olyan változók, amelyek leírják a rendszer általános állapotát, függetlenül attól, hogy egy másikból hogyan került az adott állapotba (vagy a molekulák különböző elrendezésével, vagy egy részecske különböző lehetséges útjaival, hogy a kezdeti állapotból a végsőbe jusson állapot).
A léggömb esetében a lehetséges állapotváltozók a termodinamikai mennyiségi hőmérséklet, nyomás vagy térfogat. A léggömb makrostátuma a gázmolekulák minden lehetséges pillanatnyi képének halmaza, amely azonos hőmérsékletet, nyomást és térfogatot eredményezhet a ballon számára.
A két érme esetében három lehetséges makrostátum létezik: az egyik, ahol az egyik érme fej és egy a farok, az egyik, ahol mindkettő fej, és egy, ahol mindkettő farok.
Figyelje meg, hogy az első makrostátum két mikrotartalmat tartalmaz: 1 érmefej 2 érme farokkal és 1 érme farka 2 érme fejjel. Ezek a mikropozíciók lényegében ugyanazon makrostátum különböző elrendezései (egy érmefej és egy érme farka). Különböző módon lehet elérni ugyanaztállapotváltozó, ahol az állapotváltozó a fejek és a farok teljes száma.
A makrostátum lehetséges mikropozícióinak számát annak a makrostátumnak nevezzüksokaság. Több millió vagy több milliárd részecskével rendelkező rendszerek, például a ballon gázmolekulái esetében egyértelműnek tűnik az adott makrostátum lehetséges mikropozícióinak száma vagy a makrostát sokasága kezelhetetlenül nagy.
Ez a makrostát hasznossága, és ezért általában a makrostátok az, amellyel egy termodinamikai rendszerben dolgoznak. De a mikropozíciókat fontos megérteni az entrópia szempontjából.
Az entrópia meghatározása
A rendszer entrópiájának fogalma közvetlenül kapcsolódik a rendszerben lehetséges mikrostátumok számához. Az S = k * ln (Ω) képlettel definiáljuk, ahol Ω a rendszerben lévő mikropozíciók száma, k a Boltzmann-állandó és ln a természetes logaritmus.
Ezt az egyenletet, valamint a statisztikai mechanika területének nagy részét a német fizikus hozta létreLudwig Boltzmann. Különösen elméletei, amelyek azt feltételezték, hogy a gázok statisztikai rendszerek, mivel egy nagyból állnak atomok vagy molekulák száma, akkor jöttek el, amikor még ellentmondásos volt, függetlenül attól, hogy atomok vannak-e vagy sem léteztek. Az egyenlet
S = k \ ln {\ Omega}
sírkövére van vésve.
A rendszer entrópiájának változása, amikor egyik makrostátumról a másikra mozog, állapotváltozókkal írható le:
\ Delta S = \ frac {dQ} {T}
ahol T a hőmérséklet kelvinben és dQ a Joule-ban lévő hő, amelyet egy reverzibilis folyamat során cserélnek ki, ahogy a rendszer változik az állapotok között.
A termodinamika második törvénye
Az entrópiát úgy tekinthetjük, mint a rendellenesség vagy a rendszer véletlenszerűségének mértékét. Minél több lehetséges mikrostátusz, annál nagyobb az entrópia. A több mikrotérség lényegében azt jelenti, hogy több lehetséges módja van a rendszer összes molekulájának elrendezésére, amelyek nagyjából egyenértékűnek tűnnek nagyobb léptékben.
Gondoljon arra a példára, amikor megpróbálta összekeverni valamit, ami összekeveredett. Abszurd módon vannak olyan mikrostátumok, amelyekben az anyagok keverve maradnak, de csak nagyon-nagyon kevesen vannak tökéletesen összekeverve. Ezért annak a valószínűsége, hogy egy újabb keverés mindent összekever, elenyészően kicsi. Ez a keveretlen mikroszint csak akkor valósul meg, ha időben visszalép.
A termodinamika egyik legfontosabb törvénye, a második törvény kimondja, hogy a világegyetem (vagy bármely tökéletesen elszigetelt rendszer) teljes entrópiájasoha nem csökken. Vagyis az entrópia növekszik vagy ugyanaz marad. Ezt a koncepciót, miszerint a rendszerek az idők folyamán mindig rendezetlenségre hajlamosak, időnként nyílnak is nevezzük: csak egy irányba mutat. Azt mondják, hogy ez a törvény az univerzum esetleges hőhalálára mutat.
Munka- és hőmotorok
A hőmotor a meleg tárgyaktól a hideg tárgyakig mozgó hő fogalmát használja a hasznos munka létrehozására. Példa erre a gőzmozdony. Amint az üzemanyag elégetve hő keletkezik, ez a hő vízbe költözik, ami gőzt képez, amely a dugattyúkat mechanikus mozgás létrehozásához nyomja. A tüzelőanyag-tüz által létrehozott hő nem jut a dugattyúk mozgatásába; a többi a levegő fűtésére megy. A belső égésű motorok szintén példák a hőmotorokra.
Bármely motorban a munka során a környezetnek adott entrópiának többnek kell lennie, mint a belőle vett entrópia, negatívvá téve az entrópia nettó változását.
Ez az úgynevezettClausius egyenlőtlenség:
\ ken \ frac {dQ} {T} \ leq 0
Az integrál a motor egy teljes ciklusán keresztül zajlik. Ez egyenlő 0-val egy Carnot-ciklusban, vagy egy elméleti ideális motorkerékpárban, ahol a motor és környezete nettó entrópiája nem növekszik vagy csökken. Mivel az entrópia nem csökken, ez a motorciklus megfordítható. Visszafordíthatatlan lenne, ha az entrópia csökkenne a termodinamika második törvénye miatt.
Maxwell démona
James Clerk Maxwell fizikus létrehozott egy entrópiával járó gondolatkísérletet, amely szerinte tovább érti a termodinamika második törvényét. A gondolatkísérletben két azonos hőmérsékletű gáztartály van, közöttük fal.
Egy "démon" (bár ez nem Maxwell szava volt) szinte mindenütt jelen van: kinyit egy kis ajtót a fal, amely lehetővé teszi a gyorsan mozgó molekulák elmozdulását az 1. dobozból a 2. dobozba, de lezárja a lassabb mozgás érdekében molekulák. Megfordítja az inverzet is, kinyitva egy kis ajtót, hogy lassan mozgó molekulák kerülhessenek a 2. dobozból az 1. dobozba.
Végül az 1. mezőben több gyors mozgású molekula, a 2. mezőben pedig lassabban mozgó molekulák lesznek, és a rendszer nettó entrópiája a II. törvény második megsértésével csökken termodinamika.