Otrais termodinamikas likums: definīcija, vienādojums un piemēri

Smilšu pils pludmalē lēnām sairst, dienai ritot uz priekšu. Bet kāds, kurš ir liecinieks pretējam virzienam - smiltis, kas spontāni ielec pils formā - teiktu, ka viņiem noteikti ir jāskatās ieraksts, nevis realitāte. Līdzīgi glāze ledus tējas, kurā kubi laika gaitā izkūst, atbilst mūsu cerībām, bet ne glāze šķidruma, kurā spontāni veidojas ledus gabaliņi.

Iemesls, kāpēc dažiem dabas procesiem, šķiet, ir jēga notikt uz priekšu, bet ne atpakaļ, ir saistīts ar otro termodinamikas likumu. Šis svarīgais likums ir vienīgais fiziskais Visuma apraksts, kas atkarīgs no laika, kuram ir noteikts virziens, kurā mēs varam virzīties tikai uz priekšu.

Turpretī Ņūtona likumi vai kinemātiskie vienādojumi, kurus abus izmanto objektu kustības aprakstam, darbojas tikpat labi, vai fiziķis nolemj analizēt futbola loku, virzoties uz priekšu vai reverss. Tāpēc otro termodinamikas likumu dažkārt dēvē arī par “laika bultiņu”.

Statistiskā mehānika ir fizikas nozare, kas saista mikroskopiskas mēroga uzvedību, piemēram, kustību gaisa molekulas slēgtā telpā, uz sekojošiem makroskopiskiem novērojumiem, piemēram, telpas kopējo temperatūra. Citiem vārdiem sakot, savienojot to, ko cilvēks varēja tieši novērot, ar neskaitāmiem neredzamiem spontāniem procesiem, kas kopā liek tam notikt.

Mikrostats ir viens no iespējamiem visu molekulu izvietojumiem un enerģijas sadalījumu slēgtā termodinamiskā sistēmā. Piemēram, mikrostats varētu aprakstīt katras cukura un ūdens molekulas atrašanās vietu un kinētisko enerģiju karstās šokolādes termosā.

Savukārt makrostats ir visu iespējamo sistēmas mikrostatu kopums: visi iespējamie veidi, kā cukura un ūdens molekulas termosā varētu sakārtot. Fiziķis apraksta makrostatu, izmantojot tādus mainīgos kā temperatūra, spiediens un tilpums.

Tas ir nepieciešams, jo iespējamo mikrostatu skaits konkrētajā makrostātā ir pārāk liels, lai ar to varētu rīkoties. Istaba, kuras temperatūra ir 30 grādi pēc Celsija, ir noderīgs mērījums, lai gan, zinot to par 30 grādiem, netiek atklātas katras telpā esošās gaisa molekulas īpašās īpašības.

Lai gan makrostatus parasti izmanto, runājot par termodinamiku, izprotot mikrostatus ir būtisks, jo tie apraksta pamatā esošos fiziskos mehānismus, kas noved pie lielākiem mērījumi.

Entropiju bieži vārdos raksturo kā traucējumu apjoma mēru sistēmā. Pirmo reizi šo definīciju 1877. gadā ierosināja Ludvigs Boltmans.

Termodinamikas ziņā to var precīzāk definēt kā siltumenerģijas daudzumu slēgtā sistēmā, kas nav pieejams noderīga darba veikšanai.

Noderīgās enerģijas pārveidošana par siltumenerģiju ir neatgriezenisks process. Tāpēc izriet, ka kopējais entropijas daudzums slēgtā sistēmā - ieskaitot Visumu kopumā - var tikaipalielināt​.

Šis jēdziens izskaidro, kā entropija ir saistīta ar laika plūsmas virzienu. Ja fiziķiem būtu iespēja uzņemt vairākus slēgtas sistēmas momentuzņēmumus ar datiem par entropijas daudzumu katrā no viņiem viņi varēja tos sakārtot pēc laika bultiņas - pārejot no mazāk uz vairāk entropija.

Lai iegūtu daudz tehniskāku, matemātiski sistēmas entropiju nosaka šāda formula, kuru Boltzmans arī nāca klajā:

kurJāir mikrostatu skaits sistēmā (sistēmas pasūtīšanas veidu skaits),kir Boltzmana konstante (atrasta, dalot ideālo gāzes konstanti ar Avogadro konstanti: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) unlnir dabiskais logaritms (logaritms uz pamatue​).

Galvenais šīs formulas atņemšana ir parādīt, ka, palielinoties mikrostatu skaitam jeb sistēmas pasūtīšanas veidiem, palielinās arī tās entropija.

Sistēmas entropijas izmaiņas, pārejot no viena makrostata uz citu, var raksturot ar makrostata mainīgajiem lielumiem siltums un laiks:

kurTir temperatūra unJir siltuma pārnese atgriezeniskā procesā, sistēmai pārvietojoties starp diviem stāvokļiem.

Otrais termodinamikas likums nosaka, ka kopējā Visuma vai izolētās sistēmas entropija nekad nemazinās. Termodinamikā izolēta sistēma ir tāda, kurā ne siltums, ne vielas nevar iekļūt vai iziet no sistēmas robežām.

Citiem vārdiem sakot, jebkurā izolētā sistēmā (ieskaitot Visumu) entropijas izmaiņas vienmēr ir nulle vai pozitīvas. Tas būtībā nozīmē to, ka nejaušie termodinamiskie procesi mēdz izraisīt vairāk traucējumu nekā kārtību.

Svarīgs uzsvars tiek likts uzmēdzdaļa no šī apraksta. Nejauši procesivarējaradīt vairāk kārtības nekā nekārtības, nepārkāpjot dabas likumus; tas ir tikai ievērojami retāk.

Piemēram, no visiem mikrostatiem, kuros varētu nonākt nejauši sajaukts kāršu klājs - 8,066 × 10⁶⁷ - tikai viena no šīm iespējām ir vienāda ar pasūtījumu, kāds viņiem bija oriģinālajā iepakojumā. Tāvarējabet izredzes ir ļoti, ļoti mazas. Kopumā viss dabiski tiecas uz nekārtībām.

Entropiju var uzskatīt par traucējumu mērījumu vai sistēmas nejaušību. Otrais termodinamikas likums nosaka, ka tas vienmēr paliek nemainīgs vai palielinās, bet nekad nesamazinās. Tas ir tiešs statistikas mehānikas rezultāts, jo apraksts nav atkarīgs no ārkārtīgi retā gadījuma kur kāršu klājs sajaucas nevainojamā kārtībā, bet ņemot vērā sistēmas kopējo tendenci pieaugt traucējumiem.

Viens vienkāršots domāšanas veids par šo jēdzienu ir uzskatīt, ka divu objektu kopu nesajaukšana prasa vairāk laika un pūļu nekā to sajaukšana. Palūdziet pārbaudīt jebkuru mazuļa vecāku; vieglāk uztaisīt lielu putru nekā to iztīrīt!

Daudziem citiem novērojumiem reālajā pasaulē ir "jēga", lai mēs notiktu vienā veidā, bet ne citādi, jo tie ievēro otro termodinamikas likumu:

• Siltums plūst no objektiem augstākā temperatūrā uz objektiem zemākā temperatūrā, nevis otrādi apkārt (ledus gabaliņi kūst, un uz galda atstātā karstā kafija pamazām atdziest, līdz tā atbilst telpai temperatūra).
• Pamestās ēkas lēnām sairst un nepārbūvējas.
• Bumba, kas ripo gar rotaļu laukumu, palēninās un galu galā apstājas, jo berze pārveido tās kinētisko enerģiju par neizmantojamu siltuma enerģiju.
  

Otrais termodinamikas likums ir tikai vēl viens veids, kā oficiāli aprakstīt laika bultas jēdzienu: virzoties uz priekšu laikā, Visuma entropijas izmaiņas nevar būt negatīvas.

Ja kārtība tikai palielinās, kāpēc, skatoties apkārt, šķiet, ka tiek parādīti daudz pasūtītu situāciju piemēri?

Kamēr entropijakopumāvienmēr palielinās, lokālssamazināsentropijā ir iespējamas lielāku sistēmu kabatās. Piemēram, cilvēka ķermenis ir ļoti organizēta, sakārtota sistēma - tā pat nesakārtotu zupu pārvērš izsmalcinātos kaulos un citās sarežģītās struktūrās. Tomēr, lai to izdarītu, ķermenis mijiedarbojoties ar apkārtni, uzņem enerģiju un rada atkritumus. Tātad, pat ja personai, kas to visu dara, ēšanas / ķermeņa daļu celtniecības / izdalīšanās atkritumu cikla beigās organismā var rasties mazāka entropija,kopējā sistēmas entropija- ķermenis plus viss apkārt - joprojāmpalielinās​.

Tāpat motivēts bērns varētu iztīrīt savu istabu, taču enerģijas laikā viņi pārvērta enerģiju siltumā process (domājiet par viņu pašu sviedriem un siltumu, ko rada berze starp pārvietojamiem objektiem apkārt). Viņi, iespējams, arī izmeta daudz haotisku atkritumu, iespējams, procesa gaitā sadalot gabalus. Atkal, entropija kopumā palielina pasta indeksu, pat ja šī istaba beidzas ar spicu un span.

Lielā mērogā otrais termodinamikas likums paredz galīgokarstuma nāveVisuma. Nevajadzētu jaukt ar Visumu, kas mirst ugunīgās drosmēs, šī frāze precīzāk norāda uz ideju, kas galu galā ir noderīga enerģija tiks pārveidota par siltuma enerģiju vai siltumu, jo neatgriezenisks process visu laiku notiek gandrīz visur. Turklāt viss šis siltums galu galā sasniegs stabilu temperatūru jeb termisko līdzsvaru, jo nekas cits ar to nenotiks.

Vispārējs nepareizs priekšstats par Visuma karstuma nāvi ir tāds, ka tas atspoguļo laiku, kad Visumā vairs nav enerģijas. Tas tā nav! Drīzāk tas apraksta laiku, kad visa lietderīgā enerģija ir pārveidota par siltuma enerģiju, kas visu ir sasniegusi tāda pati temperatūra kā peldbaseinam, kas piepildīts ar pusi karsta un pusi auksta ūdens, pēc tam atstāts ārpus visiem pēcpusdiena.

Otrais likums var būt karstākais (vai vismaz visvairāk uzsvērtais) ievada termodinamikā, taču, kā norāda nosaukums, tas nav vienīgais. Pārējie ir sīkāk aplūkoti citos vietnes rakstos, taču šeit ir īss to izklāsts:

​Termodinamikas nulles likums.Tā nosaukts tāpēc, ka tas ir pārējo termodinamikas likumu pamatā, nulles likums būtībā apraksta, kas ir temperatūra. Tajā teikts, ka tad, kad divām sistēmām ir termiskā līdzsvars ar trešo sistēmu, tām obligāti jābūt arī termiskā līdzsvara stāvoklī. Citiem vārdiem sakot, visām trim sistēmām jābūt vienādai temperatūrai. Džeimss Klerks Maksvels raksturoja šī likuma galveno iznākumu kā "Viss karstums ir vienāda veida".

​Pirmais termodinamikas likums.Šis likums attiecas uz enerģijas saglabāšanu termodinamikai. Tajā teikts, ka sistēmas iekšējās enerģijas izmaiņas ir vienādas ar starpību starp sistēmai pievienoto siltumu un sistēmas paveikto darbu:

KurUir enerģija,Jir siltums unWir darbs, to visu mēra džoulos (lai gan dažreiz Btus vai kalorijās).

​Trešais termodinamikas likums.Šis likums nosakaabsolūtā nulleentropijas ziņā. Tajā teikts, ka ideālam kristālam ir nulle entropijas, ja tā temperatūra ir absolūta nulle vai 0 kelvini. Kristālam jābūt perfekti sakārtotam, pretējā gadījumā tā struktūrā būtu kādi raksturīgi traucējumi (entropija). Šajā temperatūrā kristāla molekulām nav kustības (kas arī būtu uzskatāma par siltuma enerģiju jeb entropiju).

Ņemiet vērā, ka tad, kad Visums sasniegs galīgo termiskā līdzsvara stāvokli - tā siltuma nāvi -, tas būs sasniedzis temperatūruaugstāknekā absolūtā nulle.