Andre lov om termodynamikk: definisjon, ligning og eksempler

Et sandslott på stranden smuldrer sakte opp når dagen går videre. Men noen som er vitne til det motsatte - sand hopper spontant i form av et slott - vil si at de må se på et opptak, ikke virkeligheten. Tilsvarende samsvarer et glass iste der terningene smelter over tid, våre forventninger, men ikke et glass væske der isbiter spontant dannes.

Årsaken til at noen naturlige prosesser ser ut til å gi mening å skje fremover i tid, men ikke bakover i tid, har å gjøre med termodynamikkens andre lov. Denne viktige loven er den eneste fysiske beskrivelsen av universet som avhenger av at tiden har en bestemt retning, der vi bare kan bevege oss fremover.

I kontrast fungerer Newtons lover eller kinematikklikningene, begge brukt til å beskrive bevegelsen til objekter like godt om en fysiker bestemmer seg for å analysere en fotballbue når den beveger seg fremover eller i omvendt. Dette er grunnen til at den andre loven om termodynamikk noen ganger også blir referert til som "tidens pil."

Statistisk mekanikk er den grenen av fysikk som forholder seg til mikroskopisk oppførsel, slik som bevegelsen til luftmolekyler i et lukket rom, til påfølgende makroskopiske observasjoner, slik som rommets samlede temperatur. Med andre ord, å koble det et menneske direkte kunne observere til de utallige usynlige spontane prosessene som sammen får det til å skje.

En mikrostat er et mulig arrangement og energifordeling av alle molekylene i et lukket termodynamisk system. For eksempel kan en mikrostat beskrive plasseringen og den kinetiske energien til hvert sukker og vannmolekyl i en termos med varm sjokolade.

En makrostat, derimot, er settet med alle mulige mikrostater i et system: alle mulige måter sukker og vannmolekyler inne i termosen kan ordnes. Måten en fysiker beskriver en makrostat er ved å bruke variabler som temperatur, trykk og volum.

Dette er nødvendig fordi antall mulige mikrostater i en gitt makrostat er altfor stort til å håndtere. Et rom ved 30 grader Celsius er en nyttig måling, men å vite at det er 30 grader avslører ikke de spesifikke egenskapene til hvert luftmolekyl i rommet.

Selv om makrostater vanligvis brukes når vi snakker om termodynamikk, forstå mikrostatene er relevant siden de beskriver de underliggende fysiske mekanismene som fører til de større målinger.

Entropi blir ofte beskrevet med ord som et mål på mengden uorden i et system. Denne definisjonen ble først foreslått av Ludwig Boltzmann i 1877.

Når det gjelder termodynamikk, kan den defineres mer spesifikt som mengden termisk energi i et lukket system som ikke er tilgjengelig for å gjøre nyttig arbeid.

Transformasjonen av nyttig energi til termisk energi er en irreversibel prosess. På grunn av dette følger det at den totale mengden entropi i et lukket system - inkludert universet som helhet - bare kanøke​.

Dette konseptet forklarer hvordan entropi forholder seg til retningen som tiden flyter. Hvis fysikere var i stand til å ta flere øyeblikksbilder av et lukket system med dataene om hvor mye entropi var i hver enkelt kunne de sette dem i tidsrekkefølge etter "tidens pil" - gå fra mindre til mer entropi.

For å bli mye mer teknisk, matematisk, er entropien til et system definert av følgende formel, som Boltzmann også kom på:

hvorYer antall mikrostater i systemet (antall måter systemet kan bestilles),ker Boltzmann-konstanten (funnet ved å dele den ideelle gasskonstanten med Avogadros konstant: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) oglner den naturlige logaritmen (en logaritme til basene​).

Den viktigste takeawayen fra denne formelen er å vise at, når antallet mikrostater, eller måter å bestille et system på, øker, øker dets entropi.

Endringen i entropi av et system når det beveger seg fra en makrostat til en annen, kan beskrives i form av makrostatvariablene varme og tid:

hvorTer temperatur ogQer varmeoverføringen i en reversibel prosess når systemet beveger seg mellom to tilstander.

Den andre loven om termodynamikk sier at den totale entropien til universet eller et isolert system aldri avtar. I termodynamikk er et isolert system et der verken varme eller materie kan komme inn eller ut av systemets grenser.

Med andre ord, i ethvert isolert system (inkludert universet), er entropiendring alltid null eller positiv. Hva dette egentlig betyr, er at tilfeldige termodynamiske prosesser har en tendens til å føre til mer forstyrrelse enn orden.

En viktig vekt faller påen tendens til ådel av den beskrivelsen. Tilfeldige prosesserkunneføre til mer orden enn uorden uten å bryte naturlovene; det er bare langt mindre sannsynlig å skje.

For eksempel av alle mikrostatene der en tilfeldig blandet kortstokk kan havne - 8.066 × 10⁶⁷ - bare ett av disse alternativene er lik ordren de hadde i originalpakken. Denkunneskje, men oddsen er veldig, veldig liten. I det hele tatt har alt naturlig en tendens til uorden.

Entropi kan betraktes som et mål på forstyrrelse eller tilfeldighet i et system. Den andre loven om termodynamikk sier at den alltid forblir den samme eller øker, men aldri avtar. Dette er et direkte resultat av statistisk mekanikk, siden beskrivelsen ikke avhenger av det ekstremt sjeldne tilfellet der en kortstokk blandes i perfekt rekkefølge, men på den generelle tendensen til et system å øke i uorden.

En forenklet måte å tenke på dette konseptet er å vurdere at det å blande to sett med objekter tar mer tid og krefter enn å blande dem i utgangspunktet. Be enhver forelder til en smårolling bekrefte; det er lettere å lage et stort rot enn å rydde det opp!

Mange andre observasjoner i den virkelige verden "gir mening" for oss som skjer på en måte, men ikke en annen fordi de følger termodynamikkens andre lov:

• Varme strømmer fra gjenstander ved høyere temperatur til gjenstander ved lavere temperatur og ikke den andre veien rundt (isbiter smelter og varm kaffe som blir liggende ute på bordet, avkjøles gradvis til den samsvarer med rommet temperatur).
• Forlatte bygninger smuldrer sakte opp og bygger seg ikke opp igjen.
• En ball som ruller langs lekeplassen bremser og stopper til slutt, ettersom friksjon forvandler sin kinetiske energi til ubrukelig termisk energi.
  

Den andre loven om termodynamikk er bare en annen måte å formelt beskrive begrepet tidens pil: Å bevege seg fremover i tid, entropiendringen i universet kan ikke være negativ.

Hvis orden bare øker, hvorfor ser det ut til å se rundt i verden mange eksempler på ordnede situasjoner?

Mens entropii det hele tattøker alltid, lokaltavtari entropi er mulig i lommene på større systemer. For eksempel er menneskekroppen et veldig organisert, ordnet system - det gjør til og med en rotete suppe til utsøkte bein og andre komplekse strukturer. For å gjøre det, tar kroppen inn energi og skaper avfall når den samhandler med omgivelsene. Så selv om personen som gjør alt dette kan oppleve mindre entropi i kroppen sin på slutten av en spiser / bygger kroppsdeler / utskiller avfallssyklus,total entropi av systemet- kroppen pluss alt rundt den - fortsattøker​.

På samme måte kan et motivert barn være i stand til å rense rommet sitt, men de konverterte energi til varme i løpet av prosessen (tenk på deres egen svette og varmen som genereres av friksjon mellom gjenstander som flyttes rundt). De kastet sannsynligvis også ut mye kaotisk søppel, muligens å bryte brikker ned i prosessen. Igjen øker entropien totalt i postnummeret, selv om det rommet ender med spic og span.

I stor skala forutsier termodynamikkens andre lov det eventuellevarme dødav universet. For ikke å forveksles med et univers som dør i brennende slag, refererer uttrykket mer presist til ideen som til slutt alle er nyttige energi vil bli konvertert til termisk energi, eller varme, siden den irreversible prosessen skjer nesten overalt hele tiden. Videre vil all denne varmen til slutt nå en stabil temperatur eller termisk likevekt, siden ingenting annet vil skje med den.

En vanlig misforståelse om universets varmedød er at den representerer en tid da det ikke er energi igjen i universet. Det er ikke slik det er! Snarere beskriver den en tid da all nyttig energi har blitt transformert til termisk energi som alt har nådd samme temperatur, som et svømmebasseng fylt med halvt varmt og halvt kaldt vann, og deretter liggende utenfor alle ettermiddag.

Den andre loven kan være den hotteste (eller i det minste den mest fremhevede) i innledende termodynamikk, men som navnet antyder, er den ikke den eneste. De andre blir diskutert mer detaljert i andre artikler på nettstedet, men her er en kort oversikt over dem:

​Termodynamikkens nul lov.Så kalt fordi det ligger til grunn for de andre lovene om termodynamikk, beskriver null-loven egentlig hva temperaturen er. Den sier at når to systemer hver er i termisk likevekt med et tredje system, må de nødvendigvis også være i termisk likevekt med hverandre. Med andre ord må alle tre systemene ha samme temperatur. James Clerk Maxwell beskrev et hovedresultat av denne loven som "All heat is of the same sort."

​Den første loven om termodynamikk.Denne loven gjelder bevaring av energi på termodynamikk. Den sier at endringen i intern energi for et system er lik forskjellen mellom varmen tilført systemet og arbeidet som gjøres av systemet:

HvorUer energi,Qer varme ogWer arbeid, alt målt i joule (men noen ganger i Btus eller kalorier).

​Den tredje loven om termodynamikk.Denne loven definererabsolutt nullnår det gjelder entropi. Den sier at en perfekt krystall har null entropi når temperaturen er absolutt null, eller 0 Kelvin. Krystallet må være perfekt ordnet, ellers ville det ha en eller annen iboende lidelse (entropi) i strukturen. Ved denne temperaturen har molekylene i krystallet ingen bevegelse (som også betraktes som termisk energi eller entropi).

Merk at når universet når sin endelige tilstand av termisk likevekt - dets varmedød - vil det ha nådd en temperaturhøyereenn absolutt null.