열역학 제 2 법칙: 정의, 방정식 및 예

해변의 모래성은 하루가지나면서 서서히 무너집니다. 하지만 그 반대를 목격하는 사람은 즉흥적으로 성 모양으로 뛰어 드는 모래가 현실이 아니라 녹화물을보아야한다고 말할 것입니다. 마찬가지로 시간이 지남에 따라 큐브가 녹는 아이스 티 한잔은 우리의 기대와 일치하지만 얼음 큐브가 자발적으로 형성되는 액체 한잔은 아닙니다.

일부 자연적 과정이 시간이 지나면 의미가있는 것처럼 보이지만 시간이 거꾸로되지 않는 이유는 열역학 제 2 법칙과 관련이 있습니다. 이 중요한 법칙은 우리가 앞으로 나아갈 수있는 특정한 방향을 갖는 시간에 의존하는 유일한 우주의 물리적 묘사입니다.

대조적으로 뉴턴의 법칙이나 운동학 방정식은 모두 물체의 움직임을 설명하는 데 사용됩니다. 물리학자가 앞으로 나아갈 때 축구의 호를 분석하기로 결정하든 역전. 이것이 열역학 제 2 법칙이 "시간의 화살"이라고도하는 이유입니다.

통계 역학은 운동과 같은 미세한 규모의 행동과 관련된 물리학의 한 분야입니다. 밀폐 된 공간에있는 공기 분자, 방의 전체적인 관찰과 같은 후속 거시적 관찰 온도. 즉, 인간이 직접 관찰 할 수있는 것을 함께 만들어내는 무수한 보이지 않는 자발적인 과정과 연결하는 것입니다.

미시 상태는 닫힌 열역학 시스템에서 모든 분자의 가능한 배열 및 에너지 분포 중 하나입니다. 예를 들어, 미시 상태는 핫 초콜릿 보온병 내부의 각 설탕과 물 분자의 위치와 운동 에너지를 설명 할 수 있습니다.

반면에 거시 상태는 시스템의 가능한 모든 미시 상태의 집합입니다. 보온병 내부의 설탕과 물 분자가 배열 될 수있는 모든 가능한 방법입니다. 물리학자가 거시 상태를 설명하는 방식은 온도, 압력 및 부피와 같은 변수를 사용하는 것입니다.

이는 주어진 매크로 상태에서 가능한 미시 상태의 수가 너무 커서 처리 할 수 ​​없기 때문에 필요합니다. 섭씨 30 도의 방은 유용한 측정이지만 30 도라는 것을 안다고 방에있는 각 공기 분자의 특정 특성을 드러내지는 않습니다.

일반적으로 매크로 상태는 열역학에 대해 이야기 할 때 사용되지만 미세 상태 이해 더 큰 것으로 이끄는 기본 물리적 메커니즘을 설명하기 때문에 관련이 있습니다. 측정.

엔트로피는 종종 시스템의 장애 정도를 측정하는 것으로 말로 설명됩니다. 이 정의는 1877 년 Ludwig Boltzmann에 의해 처음 제안되었습니다.

열역학 측면에서보다 구체적으로 유용한 작업을 수행 할 수없는 폐쇄 시스템의 열 에너지 양으로 정의 할 수 있습니다.

유용한 에너지를 열 에너지로 변환하는 것은 돌이킬 수없는 과정입니다. 이 때문에 우주 전체를 포함하여 닫힌 시스템의 총 엔트로피 양은증가하다​.

이 개념은 엔트로피가 시간이 흐르는 방향과 어떻게 관련되는지 설명합니다. 물리학 자들이 엔트로피의 양에 대한 데이터로 닫힌 시스템의 여러 스냅 샷을 찍을 수 있다면 각각에서 그들은 "시간의 화살"에 따라 시간 순서대로 배치 할 수 있습니다. 엔트로피.

훨씬 더 기술적이고 수학적으로 시스템의 엔트로피는 Boltzmann이 제시 한 다음 공식으로 정의됩니다.

어디와이시스템의 미시 상태 수 (시스템을 주문할 수있는 방법 수)케이볼츠만 상수 (이상 기체 상수를 아보가드로 상수로 나눈 값: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) 및ln자연 로그 (밑수에 대한 로그이자형​).

이 공식의 주요 내용은 미시 상태의 수 또는 시스템 주문 방식이 증가함에 따라 엔트로피도 증가한다는 것을 보여주는 것입니다.

한 매크로 상태에서 다른 매크로 상태로 이동할 때 시스템의 엔트로피 변화는 매크로 상태 변수 열과 시간으로 설명 할 수 있습니다.

어디티온도이고큐시스템이 두 상태 사이를 이동할 때 가역적 프로세스에서 열 전달입니다.

열역학의 두 번째 법칙은 우주 또는 고립 된 시스템의 전체 엔트로피가 결코 감소하지 않는다고 말합니다. 열역학에서 격리 된 시스템은 열이나 물질이 시스템의 경계에 들어 오거나 나갈 수없는 시스템입니다.

즉, 우주를 포함한 고립 된 시스템에서 엔트로피 변화는 항상 0이거나 양수입니다. 이것이 본질적으로 의미하는 것은 무작위 열역학 과정이 질서보다 더 많은 무질서를 유발하는 경향이 있다는 것입니다.

중요한 강조점은경향이그 설명의 일부. 무작위 프로세스할 수 있었다자연 법칙을 위반하지 않고 무질서보다 더 많은 질서를 이끌어냅니다. 일어날 가능성이 훨씬 적습니다.

예를 들어 무작위로 섞인 카드 더미가 끝날 수있는 모든 미시 상태 중 – 8.066 × 10⁶⁷ – 이러한 옵션 중 하나만 원래 패키지에있는 순서와 동일합니다. 그것할 수 있었다하지만 확률은 아주 아주 작습니다. 전체적으로 모든 것이 자연스럽게 무질서 해지는 경향이 있습니다.

엔트로피는 무질서의 척도 또는 시스템의 무작위성으로 생각할 수 있습니다. 열역학의 두 번째 법칙은 항상 동일하게 유지되거나 증가하지만 결코 감소하지 않는다고 말합니다. 설명이 극히 드문 경우에 의존하지 않기 때문에 이것은 통계 역학의 직접적인 결과입니다. 카드 한 벌이 완벽한 순서로 섞이는 곳이지만 시스템의 전반적인 경향이 무질서하게 증가합니다.

이 개념에 대해 간단하게 생각하는 한 가지 방법은 두 세트의 오브젝트를 혼합 해제하는 것이 처음에 혼합하는 것보다 더 많은 시간과 노력이 필요하다는 점을 고려하는 것입니다. 유아의 부모에게 확인을 요청하십시오. 정리하는 것보다 큰 엉망진창을 만드는 것이 더 쉽습니다!

현실 세계의 많은 다른 관측은 열역학의 두 번째 법칙을 따르기 때문에 한 가지 방식으로 발생하지만 다른 방식으로는 발생하지 않습니다.

• 열은 높은 온도의 물체에서 낮은 온도의 물체로 흐릅니다. (얼음이 녹고 테이블에 남은 뜨거운 커피는 방에 맞을 때까지 서서히 식습니다. 온도).
• 버려진 건물은 천천히 무너지고 스스로 재건하지 않습니다.
• 마찰이 운동 에너지를 사용할 수없는 열 에너지로 변환함에 따라 놀이터를 따라 구르는 공이 느려지고 결국 멈 춥니 다.
  

열역학 제 2 법칙은 시간의 화살의 개념을 공식적으로 설명하는 또 다른 방법 일뿐입니다. 시간이 흐르면서 우주의 엔트로피 변화는 음수가 될 수 없습니다.

질서가 계속 증가하는 경우, 왜 세계를 둘러 보면 질서있는 상황의 많은 예가 드러나는 것 같습니까?

엔트로피 동안전체적으로항상 증가하고 있습니다.감소엔트로피에서는 더 큰 시스템의 포켓 내에서 가능합니다. 예를 들어, 인체는 매우 체계적이고 정돈 된 시스템입니다. 심지어 지저분한 수프를 절묘한 뼈와 기타 복잡한 구조로 바꿉니다. 그러나 그렇게하기 위해 신체는 에너지를 흡수하고 주변 환경과 상호 작용할 때 폐기물을 생성합니다. 따라서이 모든 작업을 수행하는 사람이 식사 / 신체 일부 생성 / 노폐물 배설주기가 끝날 때 신체 내에서 엔트로피를 덜 경험하더라도시스템의 총 엔트로피– 몸과 그 주변의 모든 것 – 여전히증가​.

마찬가지로 동기 부여가 된 어린이는 방을 청소할 수 있지만 그 과정 (자신의 땀과 움직이는 물체 사이의 마찰에 의해 생성되는 열을 생각해보십시오. 주위에). 그들은 또한 혼란스러운 쓰레기를 많이 버렸을 것입니다. 다시 말하지만, 그 방이 멋지고 스팬으로 끝나더라도 우편 번호 전체에서 엔트로피가 증가합니다.

대규모로 열역학 제 2 법칙은열사병우주의. 극심한 고통 속에서 죽어가는 우주와 혼동하지 말자, 이 문구는 결국 모든 것이 유용하다는 생각을 더 정확하게 나타냅니다. 비가역적인 과정이 거의 모든 곳에서 항상 일어나기 때문에 에너지는 열 에너지 또는 열로 변환됩니다. 더욱이, 이 모든 열은 결국 안정된 온도 또는 열 평형에 도달 할 것입니다.

우주의 열사에 대한 일반적인 오해는 우주에 에너지가 남아 있지 않은 시간을 나타내는 것입니다. 그렇지 않다! 오히려 모든 유용한 에너지가 모두 도달 한 열 에너지로 변환 된 시간을 설명합니다. 반은 뜨거운 물과 반은 찬 물로 채워진 수영장처럼 같은 온도로 대낮.

두 번째 법칙은 입문 열역학에서 가장 뜨겁거나 적어도 가장 강조 될 수 있지만 이름에서 알 수 있듯이 유일한 법칙은 아닙니다. 나머지는 사이트의 다른 기사에서 더 자세히 논의되지만 다음은 이에 대한 간략한 개요입니다.

​열역학 제로 법칙.열역학의 다른 법칙의 기초가되기 때문에 이름이 붙여진 제로 법칙은 본질적으로 온도가 무엇인지를 설명합니다. 두 시스템이 각각 세 번째 시스템과 열 평형 상태에있을 때 반드시 서로 열 평형 상태에 있어야 함을 나타냅니다. 즉, 세 시스템 모두 동일한 온도 여야합니다. James Clerk Maxwell은이 법칙의 주요 결과를 "모든 열은 같은 종류"라고 설명했습니다.

​열역학의 첫 번째 법칙.이 법칙은 열역학에 에너지 보존을 적용합니다. 시스템 내부 에너지의 변화는 시스템에 추가 된 열과 시스템이 수행하는 작업 간의 차이와 같습니다.

어디유에너지,큐열이고W일반적으로 모두 줄 단위로 측정됩니다 (때로는 Btus 또는 칼로리로 표시됨).

​열역학의 세 번째 법칙.이 법은절대 제로엔트로피 측면에서. 온도가 절대 0 또는 0 켈빈 일 때 완벽한 결정은 엔트로피가 0임을 나타냅니다. 크리스탈은 완벽하게 배열되어야합니다. 그렇지 않으면 구조에 내재 된 장애 (엔트로피)가있을 것입니다. 이 온도에서 결정의 분자는 움직임이 없습니다 (열 에너지 또는 엔트로피로 간주 됨).

우주가 열 평형의 최종 상태에 도달하면 열 사멸에 도달 할 것입니다.더 높은절대 0보다.