A doua lege a termodinamicii: definiție, ecuație și exemple

Un castel de nisip de pe plajă se năruie încet pe măsură ce ziua trece. Dar cineva care este martor invers - nisipul care sare în mod spontan în forma unui castel - ar spune că trebuie să urmărească o înregistrare, nu realitatea. În mod similar, un pahar de ceai cu gheață în care cuburile se topesc în timp se potrivește cu așteptările noastre, dar nu un pahar de lichid în care se formează spontan cuburi de gheață.

Motivul pentru care unele procese naturale par să aibă sens se întâmplă înainte în timp, dar nu înapoi în timp, are legătură cu a doua lege a termodinamicii. Această lege importantă este singura descriere fizică a universului care depinde de timpul având o anumită direcție, în care putem merge doar înainte.

În contrast, legile lui Newton sau ecuațiile cinematice, ambele utilizate pentru a descrie mișcarea obiectelor, funcționează la fel de bine dacă un fizician decide să analizeze arcul unui fotbal pe măsură ce se mișcă înainte sau în verso. Acesta este motivul pentru care a doua lege a termodinamicii este uneori denumită și „săgeata timpului”.

Mecanica statistică este ramura fizicii care leagă comportamentul la scară microscopică, cum ar fi mișcarea molecule de aer într-o cameră închisă, la observațiile macroscopice ulterioare, cum ar fi ansamblul camerei temperatura. Cu alte cuvinte, conectarea a ceea ce un om ar putea observa direct la nenumăratele procese spontane invizibile care împreună o fac să se întâmple.

Un microstat este un posibil aranjament și distribuție a energiei tuturor moleculelor dintr-un sistem termodinamic închis. De exemplu, un microstat ar putea descrie locația și energia cinetică a fiecărei molecule de zahăr și apă în interiorul unui termos de ciocolată fierbinte.

Un macrostat, pe de altă parte, este setul tuturor microstatelor posibile ale unui sistem: toate modurile posibile în care ar putea fi aranjate moleculele de zahăr și apă din interiorul termos. Modul în care un fizician descrie un macrostat este prin utilizarea variabilelor precum temperatura, presiunea și volumul.

Acest lucru este necesar, deoarece numărul de microstate posibile într-un anumit macrostat este mult prea mare pentru a fi abordat. O cameră la 30 de grade Celsius este o măsurătoare utilă, deși știind că este de 30 de grade nu dezvăluie proprietățile specifice fiecărei molecule de aer din cameră.

Deși macrostatele sunt utilizate în general atunci când vorbim despre termodinamică, înțelegerea microstatelor este relevant, deoarece descriu mecanismele fizice care stau la baza celor mai mari măsurători.

Entropia este adesea descrisă în cuvinte ca o măsură a cantității de tulburare dintr-un sistem. Această definiție a fost propusă pentru prima dată de Ludwig Boltzmann în 1877.

În termeni de termodinamică, acesta poate fi definit mai specific ca cantitatea de energie termică dintr-un sistem închis care nu este disponibilă pentru a face lucrări utile.

Transformarea energiei utile în energie termică este un proces ireversibil. Din această cauză, rezultă că cantitatea totală de entropie într-un sistem închis - inclusiv universul ca întreg - poate fi doarcrește​.

Acest concept explică relația entropiei cu direcția în care curge timpul. Dacă fizicienii au fost capabili să facă mai multe instantanee ale unui sistem închis cu datele despre cât de multă entropie a fost în fiecare dintre ele, le-ar putea pune în ordine în timp urmând „săgeata timpului” - mergând de la mai puțin la mai mult entropie.

Pentru a obține mult mai mult tehnic, matematic, entropia unui sistem este definită de următoarea formulă, pe care Boltzmann a venit, de asemenea, cu:

UndeDaeste numărul de microstate din sistem (numărul de moduri în care sistemul poate fi comandat),keste constanta Boltzmann (găsită prin împărțirea constantei gazului ideal la constanta lui Avogadro: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) șilneste logaritmul natural (un logaritm la bazăe​).

Principala soluție din această formulă este de a arăta că, pe măsură ce numărul microstatelor, sau modalitățile de ordonare a unui sistem, crește, crește și entropia acestuia.

Schimbarea entropiei unui sistem pe măsură ce trece de la un macrostat la altul poate fi descrisă în termeni de variabile de macrostat de căldură și timp:

UndeTeste temperatura șiÎeste transferul de căldură într-un proces reversibil pe măsură ce sistemul se deplasează între două stări.

A doua lege a termodinamicii afirmă că entropia totală a universului sau a unui sistem izolat nu scade niciodată. În termodinamică, un sistem izolat este unul în care nici căldura, nici materia nu pot intra sau ieși din limitele sistemului.

Cu alte cuvinte, în orice sistem izolat (inclusiv universul), schimbarea entropiei este întotdeauna zero sau pozitivă. Ceea ce înseamnă în esență acest lucru este că procesele termodinamice aleatorii tind să conducă la mai multe tulburări decât ordine.

Un accent important cade petind săparte din acea descriere. Procese aleatoriiar puteaduce la mai multă ordine decât dezordine fără a încălca legile naturale; este mult mai puțin probabil să se întâmple.

De exemplu, din toate microstatele în care ar putea ajunge un pachet de cărți amestecat aleatoriu - 8,066 × 10⁶⁷ - doar una dintre aceste opțiuni este egală cu ordinea pe care o aveau în pachetul original. Aceastaar putease întâmplă, dar șansele sunt foarte, foarte mici. În ansamblu, totul tinde în mod natural spre dezordine.

Entropia poate fi considerată o măsură a tulburării sau aleatoriei unui sistem. A doua lege a termodinamicii afirmă că rămâne întotdeauna la fel sau crește, dar nu scade niciodată. Acesta este un rezultat direct al mecanicii statistice, deoarece descrierea nu depinde de instanța extrem de rară unde un pachet de cărți se amestecă într-o ordine perfectă, dar pe tendința generală a unui sistem de a crește în dezordine.

Un mod simplificat de a gândi la acest concept este de a considera că dezamestecarea a două seturi de obiecte necesită mai mult timp și efort decât amestecarea lor în primul rând. Rugați orice părinte al unui copil mic să verifice; este mai ușor să faci o mare mizerie decât să o cureți!

O mulțime de alte observații din lumea reală „au sens” să se întâmple într-un fel, dar nu în altul, deoarece respectă a doua lege a termodinamicii:

• Căldura curge de la obiecte la temperatură mai mare la obiecte la temperatură mai scăzută și nu invers în jur (cuburile de gheață se topesc și cafeaua fierbinte lăsată pe masă se răcește treptat până se potrivește cu camera temperatura).
• Clădirile abandonate se prăbușesc încet și nu se reconstruiesc singure.
• O minge care se rostogolește de-a lungul terenului de joacă încetinește și, în cele din urmă, se oprește, deoarece fricțiunea își transformă energia cinetică în energie termică inutilizabilă.
  

A doua lege a termodinamicii este doar un alt mod de a descrie formal conceptul săgeții timpului: Mergând înainte în timp, schimbarea entropiei universului nu poate fi negativă.

Dacă ordinea crește mereu, de ce privirea în jurul lumii pare să dezvăluie numeroase exemple de situații ordonate?

În timp ce entropieîn ansamblueste mereu în creștere, localscadeîn entropie sunt posibile în buzunarele unor sisteme mai mari. De exemplu, corpul uman este un sistem foarte organizat, ordonat - chiar transformă o supă dezordonată în oase rafinate și alte structuri complexe. Cu toate acestea, pentru a face acest lucru, corpul preia energie și creează deșeuri pe măsură ce interacționează cu împrejurimile sale. Deci, chiar dacă persoana care face toate acestea ar putea experimenta mai puțină entropie în corpul său la sfârșitul unui ciclu de mâncare / construire a părților corpului / eliminarea deșeurilor,entropia totală a sistemului- corpul plus tot ceea ce îl înconjoară - încăcrește​.

În mod similar, un copil motivat ar putea să-și curățe camera, dar a transformat energia în căldură în timpul procesul (gândiți-vă la propria transpirație și la căldura generată de fricțiunea dintre obiecte în mișcare în jurul). Probabil că au aruncat și o mulțime de gunoi haotic, eventual rupând bucăți în acest proces. Din nou, entropia crește, în general, în codul poștal, chiar dacă acea cameră se termină cu spice și span.

La scară largă, a doua lege a termodinamicii prezice eventualulmoarte de căldurăa universului. Pentru a nu fi confundat cu un univers care moare în gloanțe aprinse, expresia se referă mai precis la ideea care în cele din urmă este utilă energia va fi convertită în energie termică sau căldură, deoarece procesul ireversibil se petrece aproape peste tot tot timpul. Mai mult, toată această căldură va ajunge în cele din urmă la o temperatură stabilă sau echilibru termic, deoarece nu i se va întâmpla nimic altceva.

O concepție greșită obișnuită despre moartea prin căldură a universului este că aceasta reprezintă un moment în care nu mai există energie în univers. Nu este cazul! Mai degrabă, descrie un moment în care toată energia utilă a fost transformată în energie termică care a atins toate aceeași temperatură, ca o piscină plină cu apă jumătate fierbinte și jumătate rece, apoi lăsată în afara tuturor dupa amiaza.

A doua lege poate fi cea mai tare (sau cel puțin cea mai accentuată) din termodinamica introductivă, dar, după cum sugerează și numele, nu este singura. Celelalte sunt discutate mai detaliat în alte articole de pe site, dar iată o scurtă schiță a acestora:

​Legea zero a termodinamicii.Așa numită pentru că stă la baza celorlalte legi ale termodinamicii, legea zeroth descrie în esență ce este temperatura. Se afirmă că atunci când două sisteme sunt fiecare în echilibru termic cu un al treilea sistem, ele trebuie să fie în mod necesar și în echilibru termic unul cu altul. Cu alte cuvinte, toate cele trei sisteme trebuie să aibă aceeași temperatură. James Clerk Maxwell a descris un rezultat principal al acestei legi ca „toată căldura este de același fel”.

​Prima lege a termodinamicii.Această lege aplică conservarea energiei termodinamicii. Se afirmă că schimbarea energiei interne pentru un sistem este egală cu diferența dintre căldura adăugată sistemului și munca depusă de sistem:

UndeUeste energie,Îeste căldură șiWeste muncă, toate măsurate în mod obișnuit în jouli (deși uneori în Btus sau calorii).

​A treia lege a termodinamicii.Această lege defineștezero absolutdin punct de vedere al entropiei. Se afirmă că un cristal perfect are entropie zero atunci când temperatura sa este zero absolută sau 0 Kelvins. Cristalul trebuie să fie perfect aranjat sau altfel ar avea o anumită tulburare inerentă (entropie) în structura sa. La această temperatură, moleculele din cristal nu au mișcare (ceea ce ar fi considerat și energie termică sau entropie).

Rețineți că, atunci când universul atinge starea finală de echilibru termic - moartea sa de căldură - va fi atins o temperaturăsuperiordecât zero absolut.