Tweede wet van de thermodynamica: definitie, vergelijking en voorbeelden

Een zandkasteel op het strand brokkelt langzaam af naarmate de dag vordert. Maar iemand die getuige is van het omgekeerde - zand dat spontaan in de vorm van een kasteel springt - zou zeggen dat ze naar een opname moeten kijken, niet naar de realiteit. Evenzo voldoet een glas ijsthee waarin de blokjes na verloop van tijd smelten aan onze verwachtingen, maar geen glas vloeistof waarin zich spontaan ijsblokjes vormen.

De reden dat sommige natuurlijke processen logisch lijken te gebeuren vooruit in de tijd, maar niet achteruit in de tijd, heeft te maken met de tweede wet van de thermodynamica. Deze belangrijke wet is de enige fysieke beschrijving van het universum die afhankelijk is van de tijd die een bepaalde richting heeft, waarin we alleen vooruit kunnen gaan.

Daarentegen werken de wetten van Newton of de kinematicavergelijkingen, die beide worden gebruikt om de beweging van objecten te beschrijven, even goed of een natuurkundige besluit de boog van een voetbal te analyseren terwijl deze vooruit of in de omgekeerde. Dit is de reden waarom de tweede wet van de thermodynamica soms ook wel 'de pijl van de tijd' wordt genoemd.

Statistische mechanica is de tak van de natuurkunde die gedrag op microscopische schaal in verband brengt, zoals de beweging van luchtmoleculen in een afgesloten ruimte, tot daaropvolgende macroscopische waarnemingen, zoals de totale ruimte van de ruimte temperatuur. Met andere woorden, het verbinden van wat een mens direct zou kunnen waarnemen met de talloze onzichtbare spontane processen die het samen laten gebeuren.

Een microstaat is een mogelijke rangschikking en energieverdeling van alle moleculen in een gesloten thermodynamisch systeem. Een microstaat zou bijvoorbeeld de locatie en kinetische energie van elk suiker- en watermolecuul in een thermoskan warme chocolademelk kunnen beschrijven.

Een macrotoestand daarentegen is de verzameling van alle mogelijke microtoestanden van een systeem: alle mogelijke manieren waarop de suiker- en watermoleculen in de thermoskan worden gerangschikt. De manier waarop een natuurkundige een macrotoestand beschrijft, is door variabelen zoals temperatuur, druk en volume te gebruiken.

Dit is nodig omdat het aantal mogelijke microtoestanden in een bepaalde macrotoestand veel te groot is om mee om te gaan. Een kamer op 30 graden Celsius is een nuttige meting, maar wetende dat het 30 graden is, onthult niet de specifieke eigenschappen van elk luchtmolecuul in de kamer.

Hoewel macrostaten over het algemeen worden gebruikt als we het hebben over thermodynamica, is het begrijpen van microstaten is relevant omdat ze de onderliggende fysieke mechanismen beschrijven die leiden tot grotere afmetingen.

Entropie wordt vaak in woorden beschreven als een maat voor de hoeveelheid wanorde in een systeem. Deze definitie werd voor het eerst voorgesteld door Ludwig Boltzmann in 1877.

In termen van thermodynamica kan het meer specifiek worden gedefinieerd als de hoeveelheid thermische energie in een gesloten systeem die niet beschikbaar is om nuttig werk te doen.

De omzetting van nuttige energie in thermische energie is een onomkeerbaar proces. Hieruit volgt dat de totale hoeveelheid entropie in een gesloten systeem – inclusief het universum als geheel – slechtstoename​.

Dit concept legt uit hoe entropie zich verhoudt tot de richting waarin de tijd stroomt. Als natuurkundigen verschillende snapshots van een gesloten systeem konden maken met de gegevens over hoeveel entropie was in elk daarvan konden ze ze in tijdsvolgorde plaatsen volgens "de pijl van de tijd" - van minder naar meer entropie.

Om veel technischer te worden, wiskundig gezien, wordt de entropie van een systeem gedefinieerd door de volgende formule, die Boltzmann ook bedacht:

waarYis het aantal microtoestanden in het systeem (het aantal manieren waarop het systeem kan worden besteld),kis de Boltzmann-constante (gevonden door de ideale gasconstante te delen door de constante van Avogadro: 1,380649 × 10⁻²³ J/K) enlnis de natuurlijke logaritme (een logaritme met het grondtal)e​).

De belangrijkste conclusie van deze formule is om aan te tonen dat, naarmate het aantal microtoestanden, of manieren om een ​​systeem te ordenen, toeneemt, ook de entropie toeneemt.

De verandering in entropie van een systeem terwijl het van de ene macrotoestand naar de andere gaat, kan worden beschreven in termen van de macrotoestandsvariabelen warmte en tijd:

waarTis temperatuur enVraagis de warmteoverdracht in een omkeerbaar proces als het systeem tussen twee toestanden beweegt.

De tweede wet van de thermodynamica stelt dat de totale entropie van het heelal of een geïsoleerd systeem nooit afneemt. In de thermodynamica is een geïsoleerd systeem een ​​systeem waarin noch warmte noch materie de systeemgrenzen kan binnenkomen of verlaten.

Met andere woorden, in elk geïsoleerd systeem (inclusief het universum) is entropieverandering altijd nul of positief. Wat dit in wezen betekent, is dat willekeurige thermodynamische processen de neiging hebben om tot meer wanorde dan orde te leiden.

Een belangrijke nadruk ligt op deneiging omonderdeel van die beschrijving. Willekeurige processenkonleiden tot meer orde dan wanorde zonder natuurwetten te schenden; het is gewoon veel minder waarschijnlijk dat het gebeurt.

Bijvoorbeeld, van alle microtoestanden waarin een willekeurig geschud kaartspel zou kunnen eindigen - 8.066 × 10⁶⁷ – slechts één van die opties is gelijk aan de bestelling die ze hadden in de originele verpakking. Hetkongebeuren, maar de kans is heel erg klein. Over het algemeen neigt alles van nature naar wanorde.

Entropie kan worden gezien als een maat voor wanorde of de willekeur van een systeem. De tweede wet van de thermodynamica stelt dat het altijd hetzelfde blijft of toeneemt, maar nooit afneemt. Dit is een direct gevolg van statistische mechanica, aangezien de beschrijving niet afhangt van het uiterst zeldzame geval waar een pak kaarten in perfecte volgorde wordt geschud, maar op de algemene neiging van een systeem om in wanorde toe te nemen.

Een vereenvoudigde manier om over dit concept na te denken, is te bedenken dat het ontmengen van twee sets objecten meer tijd en moeite kost dan ze in de eerste plaats door elkaar te halen. Vraag een ouder van een peuter om te verifiëren; het is gemakkelijker om een ​​grote puinhoop te maken dan om het op te ruimen!

Tal van andere waarnemingen in de echte wereld "begrijpen" dat we op de ene manier gebeuren, maar niet op een andere, omdat ze de tweede wet van de thermodynamica volgen:

• Warmte stroomt van objecten met een hogere temperatuur naar objecten met een lagere temperatuur en niet andersom rond (ijsblokjes smelten en hete koffie die op tafel wordt weggelaten, koelt geleidelijk af totdat deze overeenkomt met de kamer) temperatuur).
• Verlaten gebouwen brokkelen langzaam af en herbouwen zichzelf niet.
• Een bal die over de speelplaats rolt, vertraagt ​​en stopt uiteindelijk, omdat wrijving zijn kinetische energie omzet in onbruikbare thermische energie.
  

De tweede wet van de thermodynamica is gewoon een andere manier om het concept van de pijl van de tijd formeel te beschrijven: vooruitgaand in de tijd kan de entropieverandering van het universum niet negatief zijn.

Als de orde alleen maar toeneemt, waarom lijkt het kijken rond de wereld dan genoeg voorbeelden van geordende situaties te onthullen?

terwijl entropiein het geheelneemt altijd toe, lokaalneemt afin entropie zijn mogelijk binnen zakken van grotere systemen. Het menselijk lichaam is bijvoorbeeld een zeer georganiseerd, geordend systeem - het verandert zelfs een rommelige soep in prachtige botten en andere complexe structuren. Om dat te doen, neemt het lichaam echter energie op en creëert het afval terwijl het in wisselwerking staat met zijn omgeving. Dus ook al ervaart de persoon die dit alles doet minder entropie in zijn lichaam aan het einde van een cyclus van eten/lichaamsdelen opbouwen/uitscheiden van afvalstoffen, detotale entropie van het systeem– het lichaam plus alles eromheen – nog steedsneemt toe​.

Evenzo kan een gemotiveerd kind zijn kamer misschien opruimen, maar ze zetten energie om in warmte tijdens het proces (denk aan hun eigen zweet en de warmte die wordt gegenereerd door wrijving tussen objecten die worden verplaatst) in de omgeving van). Ze hebben waarschijnlijk ook veel chaotisch afval weggegooid, waarbij mogelijk stukjes kapot gingen. Nogmaals, de entropie neemt in het algemeen toe in de postcode, zelfs als die kamer er spic en span uitziet.

Op grote schaal voorspelt de tweede wet van de thermodynamica de uiteindelijkehitte doodvan het universum. Niet te verwarren met een universum dat in vurige weeën sterft, de uitdrukking verwijst nauwkeuriger naar het idee dat uiteindelijk allemaal nuttig kan zijn energie zal worden omgezet in thermische energie, of warmte, aangezien het onomkeerbare proces bijna overal de hele tijd plaatsvindt. Bovendien zal al deze warmte uiteindelijk een stabiele temperatuur of thermisch evenwicht bereiken, aangezien er verder niets mee gebeurt.

Een veel voorkomende misvatting over de hittedood van het universum is dat het een tijd vertegenwoordigt waarin er geen energie meer in het universum is. Dit is niet het geval! Het beschrijft eerder een tijd waarin alle nuttige energie is getransformeerd in thermische energie die alle heeft bereikt dezelfde temperatuur, zoals een zwembad gevuld met half heet en half koud water, en dan allemaal buiten gelaten namiddag.

De tweede wet is misschien wel de populairste (of op zijn minst de meest benadrukte) in de inleidende thermodynamica, maar zoals de naam al aangeeft, is het niet de enige. De anderen worden in meer detail besproken in andere artikelen op de site, maar hier is een korte schets van hen:

​De nulde wet van de thermodynamica.Zo genoemd omdat het ten grondslag ligt aan de andere wetten van de thermodynamica, beschrijft de nulde wet in wezen wat temperatuur is. Het stelt dat wanneer twee systemen elk in thermisch evenwicht zijn met een derde systeem, ze noodzakelijkerwijs ook in thermisch evenwicht met elkaar moeten zijn. Met andere woorden, alle drie de systemen moeten dezelfde temperatuur hebben. James Clerk Maxwell beschreef een belangrijke uitkomst van deze wet als "Alle warmte is van dezelfde soort."

​De eerste wet van de thermodynamica.Deze wet past het behoud van energie toe op de thermodynamica. Het stelt dat de verandering in interne energie voor een systeem gelijk is aan het verschil tussen de warmte die aan het systeem wordt toegevoegd en het werk dat door het systeem wordt gedaan:

WaarUis energie,Vraagis warmte enWis werk, meestal gemeten in joules (hoewel soms in Btus of calorieën).

​De derde wet van de thermodynamica.Deze wet definieertabsolute nulpuntin termen van entropie. Het stelt dat een perfect kristal nul entropie heeft wanneer de temperatuur het absolute nulpunt is, of 0 Kelvin. Het kristal moet perfect gerangschikt zijn, anders zou het een inherente wanorde (entropie) in zijn structuur hebben. Bij deze temperatuur hebben de moleculen in het kristal geen beweging (wat ook als thermische energie of entropie zou worden beschouwd).

Merk op dat wanneer het universum zijn laatste staat van thermisch evenwicht bereikt - zijn hittedood - het een temperatuur zal hebben bereikthogerdan het absolute nulpunt.