Verjetno vam je znana ideja, da se zdi, da toplota vedno teče od vročih predmetov do hladnih predmetov, in ne obratno. Poleg tega se po mešanju dveh stvari verjetno ne bosta zmešala, ko nenehno mešate.
Zlomljena čajna čaša se ne bo spontano ponovno sestavila in mleko, ki se razlije iz steklenice, ne bo zlahka pridobljeno. Razlog za vse te pojave je povezan z drugim zakonom termodinamike in konceptom, imenovanim entropija.
Da bi entropijo najbolje razumeli, morate najprej poznati nekatere temeljne koncepte statistične mehanike: mikrostanje in makrostanje.
Mikrostanja in makrostati
V statistični mehaniki je mikrodržava ena od možnih ureditev (in toplotna ali notranja porazdelitev energije, če je primerno) delcev v zaprtem sistemu, ki se lahko pojavijo pri nekaterih verjetnost.
Eden najpreprostejših primerov tega je niz dvostranskih kovancev, ki so lahko glave ali repi. Če sta dva enaka kovanca, obstajajo štiri možne mikro države: kovanec 1 je glava in kovanec 2 je rep, kovanec 1 je rep in kovanec 2 je glava, oba kovanca sta glavi in oba kovanca sta repi.
Če kovance nenehno istočasno obračamo (podobno kot molekule v plinu, ki se nenehno giblje), lahko vsako mikrodržavo štejemo za možno"posnetek" sistemav določenem trenutku, pri čemer ima vsaka mikrodržava določeno verjetnost, da se bo pojavila. V tem primeru je verjetnost vseh štirih mikrodržav enaka.
Kot drug primer si predstavljamo kratek posnetek molekul plina v balonu: njihove energije, lokacije, hitrosti, vse posnete v enem trenutku. To je možna mikrodržava tega sistema.
Makrodržava je skupek vseh možnih mikrodržav sistema glede na spremenljivke stanja. Spremenljivke stanja so spremenljivke, ki opisujejo splošno stanje sistema, ne glede na to, kako je v to stanje prišlo iz drugega (bodisi z različno razporeditvijo molekul ali različnimi možnimi potmi, ki jih delček preide iz začetnega stanja v končno država).
Za balon so možne spremenljivke stanja termodinamična količina temperatura, tlak ali prostornina. Makrodržava balona je niz vseh možnih trenutnih slik molekul plina, ki bi lahko imele balon enake temperature, tlaka in prostornine.
V primeru dveh kovancev obstajajo trije možni makrostanji: eden, pri katerem je en kovanec glava in en rep, eden, kjer sta oba kovanca, in eden, kjer sta oba repa.
Opazite, da prva makrodržava vsebuje dve mikrodržavi: kovanec 1 glava z repom kovanca 2 in repi kovanca 1 z glavo 2 kovanca. Te mikrodržave so v bistvu različne možne ureditve iste makrostanje (ena glava kovanca in ena kovanca). Obstajajo različni načini, kako doseči enakospremenljivka stanja, kjer je spremenljivka stanja skupno število glav in skupno število repov.
Število možnih mikrodržav v makrotanji se imenuje makrodržavavečkratnost. Za sisteme z milijoni ali milijardami ali več delci, kot so molekule plina v balonu, se zdi jasno število možnih mikrodržav v dani makrostanji ali večkratnost makrostanja je neobvladljivo velik.
To je koristnost makrostanja in zato so makrostanje na splošno tisto, s čimer se dela v termodinamičnem sistemu. Vendar je za entropijo pomembno razumeti mikrodržave.
Opredelitev entropije
Pojem entropija sistema je neposredno povezana s številom možnih mikrodržav v sistemu. Opredeljena je s formulo S = k * ln (Ω), kjer je Ω število mikrostanov v sistemu, k Boltzmannova konstanta in ln naravni logaritem.
To enačbo, pa tudi veliko področje statistične mehanike, je ustvaril nemški fizikLudwig Boltzmann. Predvsem njegove teorije, ki so domnevale, da so plini statistični sistemi, ker so sestavljeni iz velikega število atomov ali molekul, je prišlo v času, ko je bilo še vedno sporno, ali atomi sploh obstajala. Enačba
S = k \ ln {\ Omega}
je vklesan na njegovem nagrobniku.
Spremembo entropije sistema, ko se premika iz ene makrostanje v drugo, lahko opišemo s spremenljivkami stanja:
\ Delta S = \ frac {dQ} {T}
kjer je T temperatura v kelvinu in dQ toplota v Joulih, ki se izmenjuje v reverzibilnem procesu, ko se sistem spreminja med stanji.
Drugi zakon termodinamike
Entropijo lahko razumemo kot merilo motnje ali naključnosti sistema. Več kot je možnih mikrostanov, večja je entropija. Več mikrostatov v bistvu pomeni, da obstaja več možnih načinov ureditve vseh molekul v sistemu, ki so v večjem obsegu videti precej enakovredno.
Pomislite na primer, kako poskušate zmešati nekaj, kar je bilo pomešano. Obstaja absurdno veliko mikrodržav, v katerih materiali ostanejo mešani, vendar le zelo, zelo malo, v katerih se popolnoma ne mešajo. Zato je verjetnost ponovnega mešanja, ki povzroči, da se vse premeša, izginilo majhna. Ta nemešana mikrodržava se uresniči le, če gremo nazaj v čas.
Eden najpomembnejših zakonov termodinamike, drugi zakon, navaja, da celotna entropija vesolja (ali katerega koli popolnoma izoliranega sistema)se nikoli ne zmanjša. To pomeni, da se entropija poveča ali ostane enaka. Ta koncept, da sistemi sčasoma vedno težijo k motnjam, se včasih imenuje tudi Časovna puščica: kaže le v eno smer. Rečeno je, da ta zakon kaže na morebitno toplotno smrt vesolja.
Delovni in toplotni motorji
Toplotni stroj uporablja koncept toplote, ki se premika od vročih predmetov do hladnih predmetov, da ustvari koristno delo. Primer tega je parna lokomotiva. Ko gorivo izgoreva in ustvarja toploto, se ta toplota premika v vodo, ki ustvarja paro, ki potiska bate, da ustvari mehansko gibanje. Ni vsa toplota, ki jo ustvari požar z gorivom, namenjena premikanju batov; ostalo gre za ogrevanje zraka. Primeri toplotnih motorjev so tudi motorji z notranjim zgorevanjem.
Ko je delo opravljeno, mora biti v vsakem motorju entropija večja kot entropija, vzeta iz njega, zaradi česar je neto sprememba entropije negativna.
To je znano kotKlavzijeva neenakost:
\ oint \ frac {dQ} {T} \ leq 0
Sestavni del je celoten cikel motorja. V Carnotovem ciklu je enak 0 ali teoretični idealni motorni cikel, pri katerem se neto entropija motorja in okolice niti ne poveča niti ne zmanjša. Ker se entropija ne zmanjšuje, je ta cikel motorja reverzibilen. Nepovratno bi bilo, če bi se entropija zmanjšala zaradi drugega zakona termodinamike.
Maxwellov demon
Fizik James Clerk Maxwell je ustvaril miselni eksperiment z entropijo, za katerega je menil, da bo še bolj razumel drugi zakon termodinamike. V miselnem poskusu sta dve posodi s plinom enake temperature s steno med njima.
"Demon" (čeprav to ni bila Maxwellova beseda) ima skorajda vseprisotno moč: Odpre majhna vrata stena, da se molekule, ki se hitro premikajo, premikajo iz polja 1 v polje 2, vendar ga zaprejo za počasnejše gibanje molekul. Naredi tudi obratno in odpre majhna vrata, ki omogočajo počasi premikajoče se molekule iz polja 2 v polje 1.
Sčasoma bo polje 1 imelo več hitro premikajočih se molekul, polje 2 pa bo imelo več počasnih molekul, in neto entropija sistema se bo zmanjšala s kršitvijo drugega zakona termodinamika.