Druhý zákon termodynamiky: Definícia, rovnica a príklady

Ako sa deň posúva, hrad z piesku na pláži sa pomaly rozpadá. Ale niekto, kto je svedkom reverzu - piesku spontánne skáče do tvaru hradu -, by povedal, že musí sledovať záznam, nie realitu. Podobne pohár ľadového čaju, v ktorom sa kocky časom roztopia, zodpovedá našim očakávaniam, ale nie pohár tekutiny, v ktorej sa spontánne tvoria kocky ľadu.

Dôvod, prečo sa zdá, že niektoré prírodné procesy majú zmysel, sa dejú vpred, ale nie v čase, súvisí s druhým zákonom termodynamiky. Tento dôležitý zákon je jediný fyzický popis vesmíru, ktorý závisí od času, ktorý má konkrétny smer, v ktorom sa môžeme pohybovať iba vpred.

Naproti tomu fungujú Newtonove zákony alebo kinematické rovnice, ktoré sa používajú na popísanie pohybu objektov rovnako dobre, či sa fyzik rozhodne analyzovať futbalový oblúk, ktorý sa pohybuje vpred alebo v obrátiť. Preto sa druhý zákon termodynamiky niekedy označuje aj ako „šípka času“.

Štatistická mechanika je odvetvie fyziky, ktoré súvisí s chovaním v mikroskopickom meradle, napríklad s pohybom molekúl vzduchu v uzavretej miestnosti, k následným makroskopickým pozorovaniam, ako je napríklad celkový obraz miestnosti teplota. Inými slovami, spojenie toho, čo by človek mohol priamo pozorovať, s nespočetnými neviditeľnými spontánnymi procesmi, ktoré to spolu umožňujú.

Mikroštát je jedno možné usporiadanie a distribúcia energie všetkých molekúl v uzavretom termodynamickom systéme. Napríklad mikroštát môže popísať umiestnenie a kinetickú energiu každej molekuly cukru a vody vo vnútri termosky horkej čokolády.

Makrostát je na druhej strane súbor všetkých možných mikrostavov systému: všetky možné spôsoby usporiadania molekúl cukru a vody vo vnútri termosky. Fyzik popisuje makrostát pomocou premenných, ako sú teplota, tlak a objem.

Je to nevyhnutné, pretože počet možných mikrostavov v danom makrostáte je príliš veľký na to, aby sa s nimi dalo zaobchádzať. Izba pri 30 stupňoch Celzia je užitočné meranie, aj keď vedomie, že má 30 stupňov, neodhaľuje špecifické vlastnosti každej molekuly vzduchu v miestnosti.

Aj keď sa makrostáty všeobecne používajú, keď hovoríme o termodynamike, rozumieme mikrostavom je relevantná, pretože opisuje základné fyzické mechanizmy, ktoré vedú k tým väčším merania.

Entropia sa často slovami popisuje ako miera množstva poruchy v systéme. Túto definíciu prvýkrát navrhol Ludwig Boltzmann v roku 1877.

Z hľadiska termodynamiky sa dá konkrétnejšie definovať ako množstvo tepelnej energie v uzavretom systéme, ktoré nie je k dispozícii na vykonávanie užitočnej práce.

Transformácia užitočnej energie na energiu tepelnú je nezvratný proces. Z tohto dôvodu vyplýva, že celkové množstvo entropie v uzavretom systéme - vrátane vesmíru ako celku - môže ibazvýšiť​.

Tento koncept vysvetľuje, ako entropia súvisí so smerom, ktorým plynie čas. Keby fyzici dokázali urobiť niekoľko snímok uzavretého systému s údajmi o tom, koľko entropie bolo v každom z nich ich mohli zoradiť podľa časového posunu podľa „šípky času“ - z menej na viac entropia.

Aby sme matematicky získali oveľa technickejšie, entropia systému je definovaná nasledujúcim vzorcom, s ktorým prišiel aj Boltzmann:

kdeY.je počet mikrostavov v systéme (počet spôsobov, ako je možné systém objednať),kje Boltzmannova konštanta (zistená vydelením konštanty ideálneho plynu Avogadrovou konštantou: 1,380649 × 10⁻²³ J / K) alnje prirodzený logaritmus (logaritmus k základnie​).

Hlavným riešením z tohto vzorca je ukázať, že s nárastom počtu mikrostavov alebo spôsobov objednávania systému sa zvyšuje aj jeho entropia.

Zmena entropie systému pri prechode z jedného makrostátu do druhého sa dá opísať z hľadiska premenných tepla a času makrostátu:

kdeTje teplota aQje prenos tepla v reverzibilnom procese, keď sa systém pohybuje medzi dvoma stavmi.

Druhý zákon termodynamiky hovorí, že celková entropia vesmíru alebo izolovaného systému sa nikdy neznižuje. V termodynamike je izolovaný systém taký, v ktorom ani teplo, ani hmota nemôžu vstúpiť alebo opustiť hranice systému.

Inými slovami, v akomkoľvek izolovanom systéme (vrátane vesmíru) je zmena entropie vždy nulová alebo pozitívna. To v podstate znamená, že náhodné termodynamické procesy majú tendenciu viesť k väčšiemu narušeniu ako k poriadku.

Dôležitý dôraz sa kladie namajú tendenciusúčasťou tohto opisu. Náhodné procesymoholviesť k väčšiemu poriadku ako neporiadku bez porušenia prírodných zákonov; je omnoho menej pravdepodobné, že sa to stane.

Napríklad zo všetkých mikrostavov, v ktorých by mohol náhodne zamiešaný balíček kariet skončiť - 8,066 × 10⁶⁷ - iba jedna z týchto možností sa rovná poradiu, ktoré mali v pôvodnom balení. Tomoholale šance sú veľmi, veľmi malé. Celkovo všetko prirodzene smeruje k neporiadku.

Entropiu možno považovať za mieru poruchy alebo náhodnosti systému. Druhý zákon termodynamiky hovorí, že zostáva vždy rovnaká alebo sa zvyšuje, ale nikdy sa neznižuje. Toto je priamy výsledok štatistickej mechaniky, pretože popis nezávisí od extrémne zriedkavej inštancie kde sa balíček kariet mieša do úplného poriadku, ale na celkovú tendenciu systému narastať neusporiadanosť.

Jedným zo zjednodušených spôsobov uvažovania o tomto koncepte je zvážiť, že zmiešanie dvoch súborov objektov si vyžaduje viac času a úsilia, ako ich zmiešanie. Požiadajte ktoréhokoľvek z rodičov batoľa o overenie; je jednoduchšie urobiť veľký neporiadok ako upratať!

Mnoho ďalších pozorovaní v skutočnom svete „dáva zmysel“, aby sa nám stalo jedným spôsobom, ale iným nie, pretože sa riadia druhým termodynamickým zákonom:

• Teplo prúdi z predmetov pri vyššej teplote do predmetov s nižšou teplotou a nie opačne okolo (kocky ľadu sa roztopia a horúca káva, ktorá zostala na stole, sa postupne ochladzuje, až sa vyrovná miestnosti teplota).
• Opustené budovy sa pomaly rozpadajú a neobnovujú sa.
• Lopta kotúľajúca sa po ihrisku sa spomalí a nakoniec zastaví, pretože trenie premieňa jej kinetickú energiu na nepoužiteľnú tepelnú energiu.
  

Druhý zákon termodynamiky je iba ďalším spôsobom, ako formálne opísať koncept šípky času: Pohybom vpred v čase nemôže byť zmena entropie vesmíru negatívna.

Ak poriadok stále pribúda, prečo sa zdá, že pohľad na celý svet odhaľuje množstvo príkladov usporiadaných situácií?

Zatiaľ čo entropiana celomsa vždy zvyšuje, miestneklesáv kapsách väčších systémov je možná entropia. Napríklad ľudské telo je veľmi organizovaný a usporiadaný systém - dokonca z chaotickej polievky urobí vynikajúce kosti a ďalšie zložité štruktúry. Telo však za týmto účelom prijíma energiu a pri interakcii s okolím vytvára odpad. Takže aj keď človek, ktorý to všetko robí, môže na konci cyklu stravovania / budovania častí tela / vylučovania odpadu zažiť vo svojom tele menej entropie,úplná entropia systému- telo plus všetko okolo neho - stálezvyšuje​.

Podobne by mohlo byť motivované dieťa schopné upratať si izbu, ale počas neho premieňalo energiu na teplo proces (myslite na ich vlastný pot a teplo generované trením medzi pohybovanými objektmi okolo). Pravdepodobne tiež vyhodili veľa chaotického odpadu, ktorý by sa pri tom mohol rozpadnúť. Znova sa entropia v poštovom smerovacom čísle zvyšuje, aj keď táto miestnosť končí pikantne a rozpätie.

Vo veľkej miere predpovedá druhý zákon termodynamiky prípadsmrť teplomvesmíru. Nezamieňajte s vesmírom zomierajúcim v ohnivých kŕčoch, veta presnejšie odkazuje na myšlienku, že nakoniec všetko užitočné energia sa premení na tepelnú energiu alebo teplo, pretože nezvratný proces sa deje takmer všade stále. Navyše všetko toto teplo nakoniec dosiahne stabilnú teplotu alebo tepelnú rovnováhu, pretože sa s ňou už nič iné nebude diať.

Bežná mylná predstava o tepelnej smrti vesmíru je taká, že predstavuje čas, keď vo vesmíre nezostane žiadna energia. Toto nie je ten prípad! Skôr popisuje dobu, keď sa všetka užitočná energia transformovala na tepelnú energiu, ktorá už dosiahla rovnakú teplotu, ako napríklad bazén naplnený napoly teplou a napoly studenou vodou, potom zostal vonku vonku popoludnie.

Druhý zákon môže byť najteplejší (alebo aspoň najviac zdôraznený) v úvodnej termodynamike, ale ako už z názvu vyplýva, nie je jediný. Ostatným sa podrobnejšie venujeme v iných článkoch na tejto stránke, tu je však ich stručná osnova:

​Nultý zákon termodynamiky.Nultý zákon, ktorý je pomenovaný preto, lebo je základom ostatných zákonov termodynamiky, v podstate popisuje, čo je teplota. Uvádza sa v ňom, že ak sú dva systémy každý v tepelnej rovnováhe s tretím systémom, musia byť nevyhnutne tiež navzájom v tepelnej rovnováhe. Inými slovami, všetky tri systémy musia mať rovnakú teplotu. James Clerk Maxwell opísal hlavný výsledok tohto zákona ako „Všetko teplo je rovnakého druhu“.

​Prvý zákon termodynamiky.Tento zákon uplatňuje uchovanie energie na termodynamiku. Uvádza sa v ňom, že zmena vnútornej energie v systéme sa rovná rozdielu medzi teplom pridaným do systému a prácou vykonanou v systéme:

KdeUje energia,Qje teplo aŽje práca, všetko sa zvyčajne meria v jouloch (aj keď niekedy v Btus alebo kalóriách).

​Tretí zákon termodynamiky.Tento zákon definujeabsolútna nulaz hľadiska entropie. Tvrdí, že dokonalý kryštál má nulovú entropiu, keď je jeho teplota absolútne nulová, alebo 0 Kelvinov. Kryštál musí byť perfektne usporiadaný, inak by mal vo svojej štruktúre nejakú inherentnú poruchu (entropiu). Pri tejto teplote nemajú molekuly v kryštáli žiadny pohyb (čo by sa tiež považovalo za tepelnú energiu alebo entropiu).

Všimnite si, že keď vesmír dosiahne svoj konečný stav tepelnej rovnováhy - svoju tepelnú smrť - dosiahne teplotuvyššieako absolútna nula.