Drugie prawo termodynamiki: definicja, równanie i przykłady

Zamek z piasku na plaży powoli rozpada się wraz z upływem dnia. Ale ktoś, kto jest świadkiem czegoś odwrotnego – piasku spontanicznie podskakującego w kształt zamku – powiedziałby, że musi oglądać nagranie, a nie rzeczywistość. Podobnie szklanka mrożonej herbaty, w której kostki z czasem się topią, odpowiada naszym oczekiwaniom, a nie szklanka płynu, w którym samoistnie tworzą się kostki lodu.

Powód, dla którego niektóre naturalne procesy wydają się mieć sens zachodzący w czasie, ale nie wstecz, ma związek z drugą zasadą termodynamiki. To ważne prawo jest jedynym fizycznym opisem wszechświata, który zależy od tego, czy czas ma określony kierunek, w którym możemy poruszać się tylko do przodu.

W przeciwieństwie do tego, prawa Newtona lub równania kinematyczne, oba używane do opisu ruchu obiektów, działają równie dobrze, niezależnie od tego, czy fizyk zdecyduje się analizować łuk piłki nożnej, gdy porusza się do przodu, czy w odwrócić. To dlatego druga zasada termodynamiki jest czasami nazywana „strzałką czasu”.

Mechanika statystyczna jest gałęzią fizyki, która dotyczy zachowania w skali mikroskopowej, takiego jak ruch motion cząsteczki powietrza w zamkniętym pomieszczeniu, do kolejnych obserwacji makroskopowych, takich jak ogólne pomieszczenie temperatura. Innymi słowy, łączenie tego, co człowiek może bezpośrednio zaobserwować, z niezliczonymi niewidzialnymi spontanicznymi procesami, które razem sprawiają, że to się dzieje.

Mikrostan to jeden z możliwych układów i dystrybucji energii wszystkich cząsteczek w zamkniętym układzie termodynamicznym. Na przykład mikrostan może opisywać położenie i energię kinetyczną każdej cząsteczki cukru i wody w termosie gorącej czekolady.

Z drugiej strony makrostan to zbiór wszystkich możliwych mikrostanów systemu: wszystkie możliwe sposoby ułożenia cząsteczek cukru i wody wewnątrz termosu. Sposób, w jaki fizyk opisuje makrostan, polega na wykorzystaniu zmiennych, takich jak temperatura, ciśnienie i objętość.

Jest to konieczne, ponieważ liczba możliwych mikrostanów w danym makrostanie jest zbyt duża, aby sobie z nimi poradzić. Pomieszczenie o temperaturze 30 stopni Celsjusza jest użytecznym pomiarem, chociaż znajomość 30 stopni nie ujawnia specyficznych właściwości każdej cząsteczki powietrza w pomieszczeniu.

Chociaż makrostany są ogólnie używane, gdy mówimy o termodynamice, rozumienie mikrostanów jest istotne, ponieważ opisują podstawowe mechanizmy fizyczne, które prowadzą do tych większych pomiary.

Entropia jest często opisywana słowami jako miara stopnia nieporządku w systemie. Ta definicja została po raz pierwszy zaproponowana przez Ludwiga Boltzmanna w 1877 roku.

Pod względem termodynamiki można ją dokładniej zdefiniować jako ilość energii cieplnej w układzie zamkniętym, która nie jest dostępna do wykonania użytecznej pracy.

Przekształcenie energii użytecznej w energię cieplną jest procesem nieodwracalnym. Z tego powodu wynika, że ​​całkowita ilość entropii w układzie zamkniętym – w tym we wszechświecie jako całości – może tylkozwiększać​.

Ta koncepcja wyjaśnia, w jaki sposób entropia odnosi się do kierunku, w którym płynie czas. Gdyby fizycy byli w stanie wykonać kilka migawek zamkniętego systemu z danymi o tym, jaka była entropia w każdym z nich mogli ułożyć je w kolejności czasowej zgodnie ze „strzałką czasu” – przechodząc od mniej do więcej entropia.

Aby być bardziej technicznym, matematycznie, entropia układu jest zdefiniowana przez następujący wzór, który również wymyślił Boltzmann:

gdzieTakto liczba mikrostanów w systemie (ilość sposobów zamawiania systemu),kjest stałą Boltzmanna (wyznaczoną przez podzielenie stałej gazu doskonałego przez stałą Avogadro: 1,380649 × 10⁻²³ J/K) ijajest logarytmem naturalnym (logarytmem do podstawymi​).

Głównym wnioskiem z tego wzoru jest pokazanie, że wraz ze wzrostem liczby mikrostanów, czyli sposobów uporządkowania systemu, rośnie jego entropia.

Zmianę entropii układu podczas przechodzenia z jednego makrostanu do drugiego można opisać za pomocą zmiennych makrostanu ciepła i czasu:

gdzieTjest temperatura iQto wymiana ciepła w procesie odwracalnym, gdy system przechodzi między dwoma stanami.

Druga zasada termodynamiki mówi, że całkowita entropia wszechświata lub systemu izolowanego nigdy się nie zmniejsza. W termodynamice izolowany system to taki, w którym ani ciepło, ani materia nie mogą wejść ani wyjść z granic systemu.

Innymi słowy, w każdym izolowanym systemie (w tym we wszechświecie) zmiana entropii jest zawsze zerowa lub dodatnia. Zasadniczo oznacza to, że losowe procesy termodynamiczne prowadzą do większego nieporządku niż porządku.

Ważny nacisk kładzie się namają tendencję doczęść tego opisu. Procesy losowemógłbyprowadzić do więcej porządku niż nieporządku bez naruszania praw natury; jest to po prostu znacznie mniej prawdopodobne.

Na przykład ze wszystkich mikrostanów, w których może znaleźć się losowo potasowana talia kart – 8,066 × 10⁶⁷ – tylko jedna z tych opcji jest równa zamówieniu, które mieli w oryginalnym opakowaniu. Tomógłbysię zdarzają, ale szanse są bardzo, bardzo małe. Ogólnie rzecz biorąc, wszystko w naturalny sposób prowadzi do nieładu.

Entropia może być traktowana jako miara nieporządku lub losowości systemu. Druga zasada termodynamiki mówi, że zawsze pozostaje taka sama lub wzrasta, ale nigdy nie maleje. Wynika to bezpośrednio z mechaniki statystycznej, ponieważ opis nie zależy od niezwykle rzadkiego przypadku gdzie talia kart tasuje się w idealnym porządku, ale na ogólnej tendencji systemu do zwiększania nieładu.

Jednym z uproszczonych sposobów myślenia o tym pojęciu jest rozważenie, że rozmieszanie dwóch zestawów obiektów zajmuje więcej czasu i wysiłku niż pomieszanie ich w pierwszej kolejności. Poproś dowolnego rodzica malucha o weryfikację; łatwiej jest zrobić wielki bałagan niż go posprzątać!

Mnóstwo innych obserwacji w rzeczywistym świecie „ma sens” dla nas dziejących się w taki, ale nie inny sposób, ponieważ są zgodne z drugą zasadą termodynamiki:

• Ciepło przepływa z obiektów o wyższej temperaturze do obiektów o niższej temperaturze, a nie odwrotnie wokół (kostki lodu topią się, a gorąca kawa pozostawiona na stole stopniowo stygnie, aż dopasuje się do pokoju temperatura).
• Opuszczone budynki powoli się kruszą i nie odbudowują.
• Piłka tocząca się po placu zabaw zwalnia i ostatecznie zatrzymuje się, ponieważ tarcie przekształca jej energię kinetyczną w bezużyteczną energię cieplną.
  

Druga zasada termodynamiki jest po prostu kolejnym sposobem formalnego opisania pojęcia strzałki czasu: posuwając się naprzód w czasie, zmiana entropii wszechświata nie może być ujemna.

Jeśli porządek stale się zwiększa, dlaczego rozglądanie się po świecie wydaje się ujawniać wiele przykładów uporządkowanych sytuacji?

Podczas entropiiogólnie rzecz biorączawsze rośnie, lokalniemalejew entropii są możliwe w kieszeniach większych systemów. Na przykład ludzkie ciało jest bardzo zorganizowanym, uporządkowanym systemem – zamienia nawet niechlujną zupę w wykwintne kości i inne złożone struktury. Jednak aby to zrobić, ciało pobiera energię i wytwarza odpady, gdy wchodzi w interakcję z otoczeniem. Tak więc, nawet jeśli osoba robiąca to wszystko może doświadczyć mniejszej entropii w swoim ciele pod koniec cyklu jedzenia/budowania części ciała/wydalania odpadów,całkowita entropia układu– ciało plus wszystko wokół – nadalwzrasta​.

Podobnie zmotywowany dzieciak może być w stanie posprzątać swój pokój, ale zamienia energię w ciepło podczas proces (pomyśl o własnym pocie i cieple wytwarzanym przez tarcie między poruszanymi przedmiotami) na około). Prawdopodobnie wyrzucili też dużo chaotycznych śmieci, prawdopodobnie rozbijając przy tym kawałki. Ponownie, entropia wzrasta ogólnie w kodzie pocztowym, nawet jeśli ten pokój kończy się spikem i rozpiętością.

W dużej skali druga zasada termodynamiki przewiduje, żeśmierć cieplnaWszechświata. Nie należy mylić z wszechświatem umierającym w ognistych awanturach, wyrażenie to odnosi się dokładniej do idei, że ostatecznie wszystkie przydatne energia zostanie zamieniona na energię cieplną, czyli ciepło, ponieważ nieodwracalny proces zachodzi prawie wszędzie przez cały czas. Co więcej, całe to ciepło w końcu osiągnie stabilną temperaturę lub równowagę termiczną, ponieważ nic więcej się z nim nie stanie.

Powszechnym błędnym przekonaniem na temat śmierci cieplnej wszechświata jest to, że reprezentuje ona czas, w którym we wszechświecie nie ma już energii. Nie o to chodzi! Raczej opisuje czas, w którym cała użyteczna energia została przekształcona w energię cieplną, która wszystko osiągnęła taka sama temperatura, jak basen wypełniony w połowie gorącą i w połowie zimną wodą, a potem pozostawiony na zewnątrz wszystko popołudnie.

Drugie prawo może być najgorętsze (a przynajmniej najbardziej podkreślane) we wstępnej termodynamice, ale jak sama nazwa wskazuje, nie jest jedyne. Pozostałe są omówione bardziej szczegółowo w innych artykułach na stronie, ale oto ich krótki zarys:

​Zerowa zasada termodynamiki.Nazwane tak, ponieważ leży u podstaw innych praw termodynamiki, zerowe prawo zasadniczo opisuje, czym jest temperatura. Stwierdza, że ​​gdy dwa układy są w równowadze termicznej z trzecim układem, to muszą one koniecznie być ze sobą w równowadze termicznej. Innymi słowy, wszystkie trzy systemy muszą mieć tę samą temperaturę. James Clerk Maxwell opisał główny rezultat tego prawa jako „Wszelkie ciepło jest tego samego rodzaju”.

​Pierwsza zasada termodynamiki.To prawo stosuje zasadę zachowania energii do termodynamiki. Stwierdza, że ​​zmiana energii wewnętrznej dla systemu jest równa różnicy między ciepłem dodanym do systemu a pracą wykonaną przez system:

GdzieUjest energia,Qjest ciepło iWto praca, zwykle mierzona w dżulach (choć czasami w Btus lub kaloriach).

​Trzecia zasada termodynamiki.To prawo określa:zero absolutnepod względem entropii. Stwierdza, że ​​idealny kryształ ma zerową entropię, gdy jego temperatura wynosi zero absolutne, czyli 0 kelwinów. Kryształ musi być idealnie ułożony, inaczej będzie miał w swojej strukturze jakiś wrodzony nieporządek (entropię). W tej temperaturze cząsteczki w krysztale nie poruszają się (co byłoby również uważane za energię cieplną lub entropię).

Zauważ, że kiedy wszechświat osiągnie swój końcowy stan równowagi termicznej – śmierć cieplną – osiągnie temperaturę willwyższyniż zero absolutne.