A termodinamika második törvénye: Definíció, egyenlet és példák

A homokvár a tengerparton lassan omlik, ahogy halad a nap. De aki ennek a fordítottnak - a homok spontán kastély alakjába ugrásának - tanúja, azt mondaná, hogy bizonyára egy felvételt néz, nem pedig a valóságot. Hasonlóképpen egy pohár jeges tea, amelyben a kockák idővel megolvadnak, megfelel az elvárásainknak, de nem egy pohár folyadék, amelyben spontán jégkockák keletkeznek.

Annak az oka, hogy bizonyos természetes folyamatoknak van értelme az időben előre haladni, de az időben nem visszafelé, a termodinamika második törvényével függ össze. Ez a fontos törvény az univerzum egyetlen fizikai leírása, amely attól függ, hogy az időnek van egy adott iránya, amelyben csak előre haladhatunk.

Ezzel szemben Newton törvényei vagy a kinematikai egyenletek, mindkettő a tárgyak mozgásának leírására szolgál ugyanolyan jól, hogy egy fizikus úgy dönt-e, hogy elemzi a futball ívet, ahogy halad előre vagy a labdába fordított. Ezért nevezik a termodinamika második törvényét néha "az idő nyilának" is.

A statisztikai mechanika a fizika azon ága, amely a mikroszkopikus léptékű viselkedést, például a mozgását kapcsolja össze levegőmolekulák zárt helyiségben, későbbi makroszkopikus megfigyelésekhez, például a szoba összességéhez hőfok. Más szavakkal, összekapcsolva azt, amit egy ember közvetlenül megfigyelhet, a számtalan láthatatlan spontán folyamathoz, amelyek együttesen valósítják meg.

A mikropozíció az összes molekula egyik lehetséges elrendezése és energiaeloszlása ​​egy zárt termodinamikai rendszerben. Például egy mikrotartalom leírhatja az egyes cukor- és vízmolekulák helyét és mozgási energiáját a forró csokoládé termoszában.

A makrostátum viszont a rendszer összes lehetséges mikropozíciójának halmaza: a termosz belsejében található cukor- és vízmolekulák elrendezésének minden lehetséges módja. A fizikus leírja a makrostátumot olyan változók segítségével, mint a hőmérséklet, a nyomás és a térfogat.

Erre azért van szükség, mert egy adott makrostátumban a lehetséges mikropozíciók száma túl nagy ahhoz, hogy kezelni lehessen őket. A 30 Celsius fokos helyiség hasznos mérés, bár annak tudása, hogy 30 fok, nem fedi fel a helyiségben lévő egyes levegőmolekulák sajátos tulajdonságait.

Noha a termodinamikáról beszélve általában a makrostátumokat használják, a mikrostátumok megértése releváns, mivel leírják azokat a fizikai mechanizmusokat, amelyek nagyobbakhoz vezetnek mérések.

Az entrópiát gyakran szavakkal írják le, mint a rendszer rendellenességeinek mértékét. Ezt a meghatározást először Ludwig Boltzmann javasolta 1877-ben.

A termodinamika szempontjából pontosabban meghatározható a zárt rendszer hőenergia-mennyisége, amely nem áll rendelkezésre hasznos munkák elvégzésére.

A hasznos energia hőenergiává történő átalakítása visszafordíthatatlan folyamat. Emiatt következik, hogy a zárt rendszerben az entrópia teljes mennyisége - beleértve az univerzum egészét is - csaknövekedés​.

Ez a koncepció elmagyarázza, hogyan viszonyul az entrópia az idő áramlási irányához. Ha a fizikusok képesek lennének egy pillanatfelvételt készíteni egy zárt rendszerről az adatokkal, hogy mennyi az entrópia mindegyikben időrendbe állíthatták őket az "idő nyilát" követve - egyre kevesebbről a többire entrópia.

Matematikailag sokkal technikai szempontból a rendszer entrópiáját a következő képlet határozza meg, amelyet Boltzmann is előállt:

holYa rendszerben lévő mikropéldányok száma (a rendszer megrendelésének száma),ka Boltzmann-állandó (az ideális gázállandót elosztva Avogadro konstansával: 1,380649 × 10⁻²³ J / K) éslna természetes logaritmus (logaritmus az alaprae​).

Ennek a képletnek az a fő elvonása, hogy megmutassa, hogy ahogy növekszik a mikrostátusok száma vagy a rendszer megrendelésének módja, növekszik annak entrópiája is.

A rendszer entrópiájának változása, amikor az egyik makrostátumról a másikra mozog, a hő és idő makrostátum változókkal írható le:

holTa hőmérséklet ésQa hőátadás visszafordítható folyamatban, amikor a rendszer két állapot között mozog.

A termodinamika második törvénye kimondja, hogy a világegyetem vagy egy elszigetelt rendszer teljes entrópiája soha nem csökken. A termodinamikában egy elszigetelt rendszer az, amelyben sem hő, sem anyag nem léphet be, illetve nem léphet ki a rendszer határain.

Más szavakkal, bármely izolált rendszerben (ideértve az univerzumot is) az entrópia változása mindig nulla vagy pozitív. Ez lényegében azt jelenti, hogy a véletlenszerű termodinamikai folyamatok általában több rendellenességhez vezetnek, mint rendhez.

Fontos hangsúlyt fektet ahajlamosrésze ennek a leírásnak. Véletlenszerű folyamatoktudotttöbb rendhez vezet, mint rendetlenség a természeti törvények megsértése nélkül; ez csak jóval kevésbé valószínű.

Például azokból a mikropéldányokból, amelyekbe véletlenszerűen megkevert kártyacsomag kerülhet - 8,066 × 10⁶⁷ - ezek közül az opciók közül csak egy egyenlő az eredeti csomagban szereplő sorrenddel. Azttudottelőfordul, de az esély nagyon-nagyon kicsi. Összességében minden természetesen rendezetlenség felé hajlik.

Az entrópiát úgy tekinthetjük, mint a rendellenesség vagy a rendszer véletlenszerűségének mértékét. A termodinamika második törvénye kimondja, hogy mindig ugyanaz marad vagy növekszik, de soha nem csökken. Ez a statisztikai mechanika közvetlen eredménye, mivel a leírás nem a rendkívül ritka eseten múlik ahol egy kártyacsomag tökéletes sorrendben keveredik, de a rendszer általános tendenciája a rendellenesség növekedésére.

Ennek a koncepciónak az egyik leegyszerűsített gondolkodási módja az a megfontolás, hogy két objektumkészlet összekeverése több időt és erőfeszítést igényel, mint eleve. Kérje meg a kisgyermek bármelyik szülőjét, hogy ellenőrizze; könnyebb nagy rendetlenséget csinálni, mint megtisztítani!

Rengeteg más megfigyelés a való világban "értelmes" abban, hogy egyféleképpen történnénk, máshogy nem, mert a termodinamika második törvényét követik:

• A hő a magasabb hőmérsékletű tárgyaktól az alacsonyabb hőmérsékletű tárgyakig áramlik, és nem fordítva körül (jégkockák olvadnak és az asztalon maradt forró kávé fokozatosan hűl, amíg meg nem egyezik a szobával hőfok).
• Az elhagyott épületek lassan összeomlanak, és nem építik újra magukat.
• A játszótér mentén gördülő labda lelassul és végül megáll, mivel a súrlódás mozgási energiáját használhatatlan hőenergiává alakítja.
  

A termodinamika második törvénye csak egy újabb módja annak, hogy formálisan leírják az idő nyila fogalmát: Az időben előre haladva a világegyetem entrópiaváltozása nem lehet negatív.

Ha a rend csak növekszik, miért tűnik úgy, hogy a világ körüli szétnézés rengeteg példát mutat a rendezett helyzetekre?

Miközben az entrópiaösszességébenmindig növekszik, lokáliscsökkenaz entrópiában nagyobb rendszerek zsebében lehetségesek. Például az emberi test nagyon szervezett, rendezett rendszer - a rendetlen levest még finom csontokká és más összetett struktúrákká is alakítja. Ehhez azonban a test energiát vesz fel és hulladékot hoz létre, amikor kölcsönhatásba lép a környezetével. Tehát annak ellenére, hogy mindezt végző személynek kevesebb entrópiája tapasztalható a testén belül az étkezési / testrész-építési / ürítési ciklus végén, aa rendszer teljes entrópiája- a test plusz minden körülötte - még mindignövekszik​.

Hasonlóképpen, egy motivált gyerek képes lehet takarítani a szobáját, de közben energiává alakította hővé a folyamat (gondoljunk saját izzadságukra és a mozgatható tárgyak közötti súrlódás által létrehozott hőre körül). Valószínűleg rengeteg kaotikus szemetet is kidobtak, esetleg darabokat bontottak fel közben. Ismét az entrópia összességében növekszik az irányítószámban, még akkor is, ha ez a szoba spicc és span.

Nagy terjedelemben a termodinamika második törvénye megjósolja az esetleges eseményekethőhalálaz univerzum. Nem tévesztendő össze a tüzes torkokban haldokló univerzummal, a kifejezés pontosabban utal arra az elképzelésre, hogy végül minden hasznos az energia hőenergiává vagy hővé alakul, mivel a visszafordíthatatlan folyamat szinte mindenhol végbemegy. Sőt, ez a hő végül eléri a stabil hőmérsékletet, vagyis a hőegyensúlyt, mivel semmi más nem fog történni vele.

Az univerzum hőhalálával kapcsolatos általános tévhit, hogy ez azt az időt jelenti, amikor az univerzumban nem marad energia. Nem ez a helyzet! Inkább azt az időszakot írja le, amikor az összes hasznos energia átalakult hőenergiává, amely mind elérte ugyanolyan hőmérsékletű, mint egy úszómedence, amelyet félig meleg és félig hideg víz tölt meg, majd mindenki előtt kívül hagyja délután.

A második törvény lehet a legforróbb (vagy legalábbis a leginkább hangsúlyozott) a bevezető termodinamikában, de amint a neve is mutatja, nem ez az egyetlen. A többiekről a webhely más cikkei foglalkoznak részletesebben, de itt van egy rövid vázlat:

​A termodinamika nulladik törvénye.Azért nevezték el, mert a termodinamika többi törvényének alapját képezi, a nulladik törvény lényegében leírja, hogy mi a hőmérséklet. Megállapítja, hogy amikor két rendszer egy-egy termikus egyensúlyban van egy harmadik rendszerrel, akkor szükségszerűen egymásnak is termikus egyensúlyban kell lenniük. Más szavakkal, mindhárom rendszernek azonos hőmérsékletűnek kell lennie. James Clerk Maxwell a törvény fő kimenetelét a következőképpen írta le: "Minden hőség egyforma".

​A termodinamika első törvénye.Ez a törvény az energia megőrzését alkalmazza a termodinamikára. Kimondja, hogy a rendszer belső energiájának változása megegyezik a rendszerbe adott hő és a rendszer által végzett munka különbségével:

HolUenergia,Qhő ésWmunka, mindezt általában joule-ban mérve (bár néha Btus-ban vagy kalóriában).

​A termodinamika harmadik törvénye.Ez a törvény meghatározzaabszolút nullaaz entrópia szempontjából. Azt állítja, hogy egy tökéletes kristály nulla entrópiával rendelkezik, ha hőmérséklete abszolút nulla vagy 0 kelvin. A kristálynak tökéletesen kell elrendeződnie, különben annak valamilyen eredendő rendellenessége (entrópiája) lenne. Ezen a hőmérsékleten a kristályban lévő molekulák nem mozognak (ezt hőenergiának vagy entrópiának is tekintenék).

Ne feledje, hogy amikor az univerzum eléri a hőegyensúly végső állapotát - a hőhalált -, akkor elér egy hőmérsékletetmagasabbmint abszolút nulla.