Второй закон термодинамики: определение, уравнения и примеры

Песчаный замок на пляже медленно рушится с течением дня. Но тот, кто станет свидетелем обратного - песок спонтанно принимает форму замка, - скажет, что он, должно быть, смотрит запись, а не реальность. Точно так же стакан чая со льдом, в котором кубики тают со временем, соответствует нашим ожиданиям, но не стакан жидкости, в котором кубики льда образуются спонтанно.

Причина, по которой некоторые естественные процессы, кажется, имеют смысл происходить вперед во времени, а не назад во времени, связана со вторым законом термодинамики. Этот важный закон - единственное физическое описание Вселенной, которое зависит от времени, имеющего определенное направление, в котором мы можем двигаться только вперед.

Напротив, законы Ньютона или уравнения кинематики, которые используются для описания движения объектов, работают одинаково хорошо независимо от того, решает ли физик анализировать футбольную дугу по мере ее движения вперед или в обеспечить регресс. Вот почему второй закон термодинамики иногда называют «стрелой времени».

Микросостояния и макросостояния

Статистическая механика - это раздел физики, который связывает поведение в микроскопическом масштабе, такое как движение молекулы воздуха в закрытой комнате, для последующих макроскопических наблюдений, таких как общий температура. Другими словами, связь того, что человек может непосредственно наблюдать, с мириадами невидимых спонтанных процессов, которые вместе заставляют это происходить.

Микросостояние - это одно возможное расположение и распределение энергии всех молекул в замкнутой термодинамической системе. Например, микросостояние может описывать местоположение и кинетическую энергию каждой молекулы сахара и воды внутри термоса с горячим шоколадом.

С другой стороны, макросостояние - это набор всех возможных микросостояний системы: все возможные способы расположения молекул сахара и воды внутри термоса. Физик описывает макросостояние с помощью таких переменных, как температура, давление и объем.

Это необходимо, потому что количество возможных микросостояний в данном макросостоянии слишком велико, чтобы с ними можно было иметь дело. Помещение с температурой 30 градусов Цельсия - полезное измерение, хотя знание того, что это 30 градусов, не раскрывает конкретных свойств каждой молекулы воздуха в комнате.

Хотя макросостояния обычно используются, когда говорят о термодинамике, понимание микросостояний актуален, поскольку они описывают лежащие в основе физические механизмы, которые приводят к более значительным измерения.

Что такое энтропия?

Энтропию часто описывают словами как меру беспорядка в системе. Это определение было впервые предложено Людвигом Больцманом в 1877 году.

С точки зрения термодинамики, это может быть определено более конкретно как количество тепловой энергии в замкнутой системе, которая не может выполнять полезную работу.

Преобразование полезной энергии в тепловую - необратимый процесс. Из этого следует, что общее количество энтропии в замкнутой системе - включая Вселенную в целом - может толькоувеличивать​.

Эта концепция объясняет, как энтропия соотносится с направлением течения времени. Если бы физики могли сделать несколько снимков замкнутой системы с данными о том, сколько энтропии было в каждом из них они могли расположить их во временном порядке, следуя «стреле времени» - от меньшего к большему. энтропия.

С математической точки зрения энтропия системы определяется следующей формулой, которую также придумал Больцман:

S = k \ ln {Y}

гдеY- количество микросостояний в системе (количество способов, которыми система может быть упорядочена),k- постоянная Больцмана (найденная делением постоянной идеального газа на постоянную Авогадро: 1,380649 × 10−23 Дж / К) ипернатуральный логарифм (логарифм по основаниюе​).

Главный вывод этой формулы - показать, что с увеличением числа микросостояний или способов упорядочения системы увеличивается и ее энтропия.

Изменение энтропии системы при переходе от одного макросостояния к другому можно описать с помощью переменных теплоты макросостояния и времени:

\ Delta S = \ int \ dfrac {dQ} {T}

гдеТэто температура иQпредставляет собой теплопередачу в обратимом процессе при перемещении системы между двумя состояниями.

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики гласит, что полная энтропия Вселенной или изолированной системы никогда не уменьшается. В термодинамике изолированная система - это система, в которой ни тепло, ни материя не могут входить или выходить за границы системы.

Другими словами, в любой изолированной системе (включая Вселенную) изменение энтропии всегда равно нулю или положительно. По сути, это означает, что случайные термодинамические процессы приводят к большему беспорядку, чем к порядку.

Важный акцент делается накак правилочасть этого описания. Случайные процессымогпривести к большему порядку, чем к беспорядку, не нарушая законов природы; это просто гораздо менее вероятно.

Например, из всех микросостояний, в которых может оказаться случайно перемешанная колода карт - 8,066 × 1067 - только один из этих вариантов соответствует порядку, который они были в исходной упаковке. Этомогслучаются, но шансы очень и очень малы. В общем, все естественно имеет тенденцию к беспорядку.

Значение второго начала термодинамики

Энтропию можно рассматривать как меру беспорядка или случайности системы. Второй закон термодинамики гласит, что он всегда остается неизменным или увеличивается, но никогда не уменьшается. Это прямой результат статистической механики, так как описание зависит не от крайне редкого случая. где колода карт перемешивается в идеальном порядке, но при общей тенденции системы к увеличению беспорядка.

Один из упрощенных способов осмыслить эту концепцию - это учесть, что разделение двух наборов объектов требует больше времени и усилий, чем их смешивание в первую очередь. Попросите любого из родителей малыша проверить; проще навести беспорядок, чем навести порядок!

Множество других наблюдений в реальном мире "имеют смысл" для нас происходить одним способом, но не другим, потому что они следуют второму закону термодинамики:

  • Тепло течет от предметов с более высокой температурой к предметам с более низкой температурой, а не наоборот вокруг (кубики льда тают, а горячий кофе, оставленный на столе, постепенно остывает, пока не станет равным комнате температура).
  • Заброшенные здания медленно разрушаются и не восстанавливаются сами по себе.
  • Мяч, катящийся по игровой площадке, замедляется и в конечном итоге останавливается, поскольку трение преобразует его кинетическую энергию в непригодную для использования тепловую энергию.

Второй закон термодинамики - это просто еще один способ формального описания концепции стрелы времени: продвигаясь вперед во времени, изменение энтропии Вселенной не может быть отрицательным.

А как насчет неизолированных систем?

Если порядок только увеличивается, почему, кажется, если оглядываться по всему миру, можно найти множество примеров упорядоченных ситуаций?

Пока энтропияв целомвсегда увеличивается, местныеуменьшаетсяв энтропии возможны в карманах более крупных систем. Например, человеческое тело - это очень организованная, упорядоченная система - оно даже превращает грязный суп в изысканные кости и другие сложные структуры. Однако для этого тело поглощает энергию и создает отходы при взаимодействии с окружающей средой. Таким образом, даже если человек, делающий все это, может испытывать меньшую энтропию в своем теле в конце цикла еды / построения частей тела / выделения отходов,полная энтропия системы- кузов плюс все вокруг - ещеувеличивается​.

Точно так же мотивированный ребенок мог бы убрать свою комнату, но он преобразовывал энергию в тепло во время процесс (подумайте о собственном поту и тепле, генерируемом трением между перемещаемыми объектами вокруг). Вероятно, они также выбросили много хаотичного мусора, возможно, сломавшегося в процессе. Опять же, энтропия увеличивается в целом в почтовом индексе, даже если эта комната оказывается излишней.

Тепловая смерть Вселенной

В широком смысле второй закон термодинамики предсказывает возможноетепловая смертьВселенной. Не путать со вселенной, умирающей в огненных муках, эта фраза более точно относится к идее, что в конечном итоге все полезно. энергия будет преобразована в тепловую энергию или тепло, поскольку необратимый процесс происходит почти повсюду постоянно. Более того, все это тепло в конечном итоге достигнет стабильной температуры или теплового равновесия, поскольку с ним больше ничего не будет происходить.

Распространенное заблуждение о тепловой смерти Вселенной заключается в том, что она представляет собой время, когда во Вселенной не остается энергии. Это не тот случай! Скорее, он описывает время, когда вся полезная энергия была преобразована в тепловую энергию, которая была достигнута. такая же температура, как в бассейне, наполненном наполовину горячей и наполовину холодной водой, а затем оставленном на улице. после полудня.

Другие законы термодинамики

Второй закон может быть самым горячим (или, по крайней мере, наиболее подчеркиваемым) во вводной термодинамике, но, как следует из названия, он не единственный. Остальные обсуждаются более подробно в других статьях на сайте, но вот их краткое описание:

Нулевой закон термодинамики.Названный так потому, что он лежит в основе других законов термодинамики, нулевой закон по существу описывает, что такое температура. Он гласит, что когда две системы находятся в тепловом равновесии с третьей системой, они обязательно также должны находиться в тепловом равновесии друг с другом. Другими словами, все три системы должны иметь одинаковую температуру. Джеймс Клерк Максвелл описал основной результат этого закона как «Все тепло однотипно».

Первый закон термодинамики.Этот закон применяет закон сохранения энергии к термодинамике. В нем говорится, что изменение внутренней энергии для системы равно разнице между теплом, добавленным к системе, и работой, выполняемой системой:

\ Delta U = Q-W

ГдеUэто энергия,Qтепло иWэто работа, обычно измеряемая в джоулях (хотя иногда в Btus или калориях).

Третий закон термодинамики.Этот закон определяетабсолютный нольс точки зрения энтропии. Он утверждает, что идеальный кристалл имеет нулевую энтропию, когда его температура равна абсолютному нулю или 0 Кельвина. Кристалл должен быть идеально устроен, иначе в его структуре будет присущий беспорядок (энтропия). При этой температуре молекулы в кристалле не движутся (что также считается тепловой энергией или энтропией).

Обратите внимание: когда Вселенная достигает своего конечного состояния теплового равновесия - тепловой смерти - она ​​достигает температурывышечем абсолютный ноль.

Teachs.ru
  • Доля
instagram viewer