Antrasis termodinamikos dėsnis: apibrėžimas, lygtis ir pavyzdžiai

Smėlio pilis paplūdimyje pamažu byrėja, kai diena eina į priekį. Bet kažkas, kas mato atvirkštinį variantą - smėlis spontaniškai šokinėja į pilies formą - pasakytų, kad turi žiūrėti ne tikrovę, o įrašą. Panašiai ir stiklinė ledinės arbatos, kurioje kubeliai laikui bėgant ištirpsta, atitinka mūsų lūkesčius, bet ne stiklinė skysčio, kuriame spontaniškai susidaro ledo kubeliai.

Priežastis, kad kai kurie natūralūs procesai atrodo prasmingi vykstant į priekį, bet ne atgal, yra susijusi su antruoju termodinamikos dėsniu. Šis svarbus dėsnis yra vienintelis fizinis visatos apibūdinimas, kuris priklauso nuo laiko, turinčio tam tikrą kryptį, kuria mes galime judėti tik pirmyn.

Priešingai, veikia Niutono dėsniai ar kinematikos lygtys, naudojami objektų judėjimui apibūdinti lygiai taip pat gerai, ar fizikas nusprendžia analizuoti futbolo lanką jam judant į priekį ar į priekį atvirkščiai. Štai kodėl antrasis termodinamikos dėsnis kartais dar vadinamas „laiko rodykle“.

Statistinė mechanika yra fizikos šaka, siejanti mikroskopinės skalės elgesį, pavyzdžiui, judesį oro molekulių uždaroje patalpoje, atliekant tolesnius makroskopinius stebėjimus, pavyzdžiui, kambario bendrą temperatūra. Kitaip tariant, susieti tai, ką žmogus gali tiesiogiai stebėti, su begale nematomų spontaniškų procesų, kurie kartu priverčia tai įvykti.

Mikrostatas yra vienas iš galimų molekulių išdėstymo ir energijos paskirstymo uždaroje termodinaminėje sistemoje. Pvz., Mikroklasė galėtų apibūdinti kiekvienos cukraus ir vandens molekulės vietą ir kinetinę energiją karšto šokolado termose.

Kita vertus, makrostatas yra visų galimų sistemos mikropastatų rinkinys: visi galimi būdai, kaip cukrui ir vandeniui molekules sudaryti termose. Fizikas apibūdina makrolygį naudodamas tokius kintamuosius kaip temperatūra, slėgis ir tūris.

Tai yra būtina, nes tam tikroje makrolygčio valstybėje galimų mikrovalstybių skaičius yra per didelis, kad būtų galima su ja susidoroti. 30 laipsnių Celsijaus temperatūra yra naudingas matavimas, nors žinant, kad ji yra 30 laipsnių, neatskleidžiamos kiekvienos patalpoje esančios oro molekulės specifinės savybės.

Nors kalbant apie termodinamiką paprastai naudojami makrostatai, reikia suprasti mikrostatus yra aktualus, nes jie apibūdina pagrindinius fizinius mechanizmus, kurie lemia didesnius matavimai.

Entropija dažnai apibūdinama žodžiais kaip sutrikimo kiekio sistemoje matas. Pirmą kartą šį apibrėžimą pasiūlė Ludwigas Boltzmannas 1877 m.

Termodinamikos požiūriu tai galima tiksliau apibrėžti kaip šilumos energijos kiekį uždaroje sistemoje, kurios nėra naudingo darbo.

Naudingos energijos pavertimas šilumine energija yra negrįžtamas procesas. Dėl to išplaukia, kad bendras entropijos kiekis uždaroje sistemoje - įskaitant visatą kaip visumą - gali tikpadidinti​.

Ši koncepcija paaiškina, kaip entropija siejasi su laiko tekėjimo kryptimi. Jei fizikai sugebėjo padaryti keletą uždarytos sistemos nuotraukų su duomenimis apie tai, kiek buvo entropijos kiekviename jie galėjo juos išdėstyti laike, laikydamiesi „laiko rodyklės“ - nuo mažesnio iki daugiau entropija.

Matematiniu požiūriu sistemos entropija apibrėžiama pagal šią formulę, kurią Boltzmannas taip pat sugalvojo:

kurYyra mikrovalstybių skaičius sistemoje (sistemos užsakymo būdų skaičius),kyra Boltzmanno konstanta (nustatyta dalijant idealią dujų konstantą iš Avogadro konstantos: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) irlnyra natūralusis logaritmas (logaritmas prie pagrindoe​).

Pagrindinis šios formulės išsiskyrimas yra parodyti, kad didėjant mikrovalstybių skaičiui ar sistemos užsakymo būdams, didėja ir jos entropija.

Sistemos entropijos pokytį jai pereinant iš vieno makrolygio į kitą galima apibūdinti atsižvelgiant į makrostato kintamuosius šiluma ir laikas:

kurTyra temperatūra irKlausimasyra šilumos perdavimas grįžtamuoju procesu, sistemai judant tarp dviejų būsenų.

Antrasis termodinamikos dėsnis teigia, kad bendra visatos ar izoliuotos sistemos entropija niekada nesumažėja. Termodinamikoje izoliuota sistema yra ta, kurioje nei šiluma, nei medžiaga negali patekti į sistemos ribas ar išeiti iš jų.

Kitaip tariant, bet kurioje izoliuotoje sistemoje (įskaitant visatą) entropijos pokytis visada yra lygus nuliui arba teigiamas. Iš esmės tai reiškia, kad atsitiktiniai termodinaminiai procesai dažniausiai sukelia daugiau netvarkos nei tvarkos.

Svarbus akcentas tenkalinkęs įto aprašymo dalis. Atsitiktiniai procesaigalėjosukelti daugiau tvarkos nei netvarkos, nepažeidžiant gamtos įstatymų; tai yra tikimybė rečiau įvykti.

Pvz., Iš visų mikrovaldžių, kuriose gali atsirasti atsitiktinai sumaišyta kortų kaladė - 8,066 × 10⁶⁷ - tik vienas iš šių variantų yra lygus užsakymui, kurį jie turėjo originalioje pakuotėje. Taigalėjobet tikimybė yra labai, labai maža. Apskritai viskas natūraliai linksta į netvarką.

Entropija gali būti laikoma sutrikimo arba sistemos atsitiktinumo rodikliu. Antrasis termodinamikos dėsnis teigia, kad jis visada lieka tas pats arba didėja, bet niekada nesumažėja. Tai yra tiesioginis statistinės mechanikos rezultatas, nes aprašymas priklauso ne nuo itin reto atvejo kur kortų kaladė maišosi tobulai, tačiau atsižvelgiant į bendrą sistemos polinkį didėti netvarkai.

Vienas iš supaprastintų šios koncepcijos mąstymo būdų yra manyti, kad dviejų objektų rinkinių nemaišymas reikalauja daugiau laiko ir pastangų, nei visų pirma jų sumaišymas. Paprašykite bet kurio mažylio tėvo patikrinti; lengviau padaryti didelę netvarką, nei ją išvalyti!

Daugybė kitų stebėjimų realiame pasaulyje „turi prasmę“, kad tai vyksta vienaip, bet ne kitaip, nes jie vadovaujasi antruoju termodinamikos dėsniu:

• Šiluma teka iš aukštesnės temperatūros objektų į žemesnės temperatūros objektus, o ne kitaip aplink (tirpsta ledo kubeliai, o ant stalo palikta karšta kava palaipsniui vėsta, kol sutampa su kambariu temperatūra).
• Apleisti pastatai pamažu byrėja ir neatstatinėja savęs.
• Žaidimų aikštelėje riedantis rutulys sulėtėja ir galiausiai sustoja, nes trintis paverčia jo kinetinę energiją netinkama šilumine energija.
  

Antrasis termodinamikos dėsnis yra tik dar vienas būdas oficialiai apibūdinti laiko rodyklės sampratą: Žengiant į priekį laike, visatos entropijos pokytis negali būti neigiamas.

Jei tvarka tik didėja, kodėl atrodo, kad apsižvalgius pasaulį, gausu užsakytų situacijų pavyzdžių?

Nors entropijaApskritaivisada didėja, vietinismažėjaentropijoje galima didesnių sistemų kišenėse. Pavyzdžiui, žmogaus kūnas yra labai organizuota, sutvarkyta sistema - netvarkingą sriubą jis paverčia net išskirtiniais kaulais ir kitomis sudėtingomis struktūromis. Tačiau, norėdamas tai padaryti, kūnas sąveikaudamas su aplinka ima energiją ir sukuria atliekas. Taigi, nors visa tai darantis asmuo gali patirti mažiau entropijos savo kūne pasibaigus valgymo / kūno dalių statybai / šalinamų atliekų ciklui,visos sistemos entropijos- kūnas plius viskas aplinkui - vis tiekdideja​.

Panašiai motyvuotas vaikas gali išvalyti savo kambarį, tačiau jie energiją pavertė šiluma procesą (pagalvokite apie savo prakaitą ir šilumą, atsirandančią dėl trinties tarp judančių objektų aplink). Tikriausiai jie taip pat išmetė daug chaotiškų šiukšlių, galbūt sulaužydami gabalus. Vėlgi, entropija apskritai padidėja pašto indeksu, net jei tas kambarys baigsis spic ir span.

Dideliu mastu antrasis termodinamikos dėsnis numato galimąkarščio mirtisvisatos. Negalima būti painiojama su visata, mirštančia ugningais potraukiais, frazė tiksliau nurodo idėją, kuri galiausiai yra naudinga energija bus paversta šilumine energija arba šiluma, nes negrįžtamas procesas visą laiką vyksta beveik visur. Be to, visa ši šiluma galiausiai pasieks stabilią temperatūrą arba šiluminę pusiausvyrą, nes jai nieko daugiau nevyks.

Dažnas neteisingas supratimas apie visatos mirtį dėl šilumos yra tai, kad jis reiškia laiką, kai visatoje nebelieka energijos. Tai nėra tas atvejis! Veikiau jis apibūdina laiką, kai visa naudinga energija buvo paversta šilumos energija, kuri visa pasiekė ta pati temperatūra, kaip baseinas, užpildytas puse karšto ir pusiau šalto vandens, tada paliktas už visų ribų popietė.

Antrasis dėsnis gali būti karščiausias (arba bent jau labiausiai pabrėžtas) įžanginėje termodinamikoje, tačiau, kaip rodo pavadinimas, jis nėra vienintelis. Kiti yra išsamiau aptariami kituose svetainės straipsniuose, tačiau čia pateikiamas trumpas jų aprašymas:

​Nulinis termodinamikos dėsnis.Taip pavadintas todėl, kad jis yra kitų termodinamikos dėsnių pagrindas, nulinis įstatymas iš esmės apibūdina, kas yra temperatūra. Jame teigiama, kad kai dvi sistemos yra šiluminėje pusiausvyroje su trečiąja sistema, jos būtinai taip pat turi būti šilumos pusiausvyroje viena su kita. Kitaip tariant, visos trys sistemos turi būti vienodos temperatūros. James Clerk Maxwell apibūdino pagrindinį šio įstatymo rezultatą: „Visa šiluma yra tos pačios rūšies“.

​Pirmasis termodinamikos dėsnis.Šis įstatymas energijos taupymą taiko termodinamikai. Jame teigiama, kad sistemos vidinės energijos pokytis yra lygus skirtumui tarp į sistemą įdėtos šilumos ir sistemos atlikto darbo:

KurUyra energija,Klausimasyra šiluma irWyra darbas, visi paprastai matuojami džauliais (nors kartais ir Btus arba kalorijomis).

​Trečiasis termodinamikos dėsnis.Šis įstatymas apibrėžiaabsoliutus nuliskalbant apie entropiją. Jame teigiama, kad tobulas kristalas turi nulinę entropiją, kai jo temperatūra yra absoliuti nulis arba 0 kelvinų. Krištolas turi būti puikiai išdėstytas, nes kitaip jo struktūroje yra būdingas sutrikimas (entropija). Esant tokiai temperatūrai, kristalo molekulės neturi judesio (tai taip pat būtų laikoma šilumos energija arba entropija).

Atkreipkite dėmesį, kad visatai pasiekus galutinę šiluminės pusiausvyros būseną - jos šilumos mirtį - ji pasieks temperatūrądidesnisnei absoliutus nulis.