Drugi zakon termodinamike: opredelitev, enačba in primeri

Peščeni grad na plaži se počasi drobi, ko dan mineva. Toda nekdo, ki je priča obratnemu - pesku, ki spontano skače v obliko gradu - bi rekel, da mora gledati posnetek, ne pa resničnosti. Podobno se kozarec ledenega čaja, v katerem se kocke sčasoma stopijo, ujema z našimi pričakovanji, ne pa tudi kozarec tekočine, v kateri ledene kocke nastanejo spontano.

Razlog, da se zdi, da se nekateri naravni procesi smiselno dogajajo naprej, ne pa nazaj, je povezan z drugim zakonom termodinamike. Ta pomembni zakon je edini fizični opis vesolja, ki je odvisen od časa, ki ima določeno smer, v kateri se lahko premikamo le naprej.

V nasprotju s tem delujejo Newtonovi zakoni ali kinematične enačbe, ki se uporabljajo za opis gibanja predmetov enako dobro, ali se fizik odloči analizirati lok nogometa, ko se premika naprej ali v vzvratno. Zato drugi zakon termodinamike včasih imenujemo tudi "puščica časa".

Statistična mehanika je veja fizike, ki povezuje vedenje mikroskopskega merila, kot je gibanje molekul zraka v zaprti sobi do kasnejših makroskopskih opazovanj, kot je celotna soba temperatura. Z drugimi besedami, povezovanje tistega, kar bi človek lahko neposredno opazoval, z neštetimi nevidnimi spontanimi procesi, ki skupaj to uresničijo.

Mikrostanje je ena od možnih ureditev in porazdelitev energije vseh molekul v zaprtem termodinamičnem sistemu. Na primer, mikrodržava lahko opiše lokacijo in kinetično energijo vsake molekule sladkorja in vode v termo vroče čokolade.

Makrodržava pa je skupek vseh možnih mikrostanov sistema: vsi možni načini, kako bi lahko uredili molekule sladkorja in vode v termosu. Način, kako fizik opisuje makrostanje, je z uporabo spremenljivk, kot so temperatura, tlak in prostornina.

To je potrebno, ker je število možnih mikrodržav v dani makrostanji veliko preveliko, da bi se z njim lahko ukvarjali. Prostor pri 30 stopinjah Celzija je koristna meritev, čeprav vedenje, da je 30 stopinj, ne razkriva posebnih lastnosti vsake molekule zraka v prostoru.

Čeprav se makrostanje običajno uporablja pri termodinamiki, je razumevanje mikrodržav je pomembno, saj opisujejo osnovne fizikalne mehanizme, ki vodijo do tistih večjih meritve.

Entropijo pogosto opisujejo z besedami kot merilo količine motnje v sistemu. To definicijo je leta 1877 prvič predlagal Ludwig Boltzmann.

Glede termodinamike jo lahko natančneje opredelimo kot količino toplotne energije v zaprtem sistemu, ki ni na voljo za koristno delo.

Preoblikovanje koristne energije v toplotno je nepovraten proces. Zaradi tega sledi, da lahko celotna količina entropije v zaprtem sistemu - vključno z vesoljem kot celoto - samoporast​.

Ta koncept pojasnjuje, kako se entropija nanaša na smer, v katero teče čas. Če bi fiziki lahko naredili več posnetkov zaprtega sistema s podatki o tem, koliko je bila entropija v vsakem bi jih lahko postavili v časovni vrstni red po "puščici časa" - od manj do več entropija.

Da bi dobili matematično bistveno večjo tehniko, je entropija sistema opredeljena z naslednjo formulo, ki jo je Boltzmann tudi pripravil:

kjeY.je število mikrodržav v sistemu (število načinov naročanja sistema),kje Boltzmannova konstanta (ugotovljena z delitvijo idealne plinske konstante z Avogadrovo konstanto: 1,380649 × 10⁻²³ J / K) inlnje naravni logaritem (logaritem do osnovee​).

Glavni odvzem te formule je pokazati, da se s povečevanjem števila mikrodržav ali načinov naročanja sistema povečuje tudi njegova entropija.

Spremembo entropije sistema, ko se premika iz ene makrostanje v drugo, lahko opišemo s spremenljivkama makrostanja toplota in čas:

kjeTje temperatura inVje prenos toplote v reverzibilnem procesu, ko se sistem premika med dvema stanjem.

Drugi zakon termodinamike pravi, da se celotna entropija vesolja ali izoliranega sistema nikoli ne zmanjša. V termodinamiki je izoliran sistem tisti, v katerem niti toplota niti snov ne moreta vstopiti ali izstopiti iz meja sistema.

Z drugimi besedami, v katerem koli izoliranem sistemu (vključno z vesoljem) je sprememba entropije vedno nič ali pozitivna. To v bistvu pomeni, da naključni termodinamični procesi ponavadi vodijo v več nereda kot v red.

Pomemben poudarek je naponavadidel tega opisa. Naključni procesilahkoprivedejo do več reda kot nereda, ne da bi kršili naravne zakone; veliko manj verjetno je, da se bo to zgodilo.

Na primer, od vseh mikro držav, v katerih bi lahko na koncu naključno premešan špil kart končal - 8,066 × 10⁶⁷ - samo ena od teh možnosti je enaka vrstnemu redu v prvotnem paketu. Tolahkose zgodi, vendar so verjetnosti zelo, zelo majhne. Na splošno vse naravno teži k motnjam.

Na entropijo lahko mislimo kot na merilo motnje ali naključnosti sistema. Drugi zakon termodinamike pravi, da ostane vedno enak ali narašča, vendar se nikoli ne zmanjšuje. To je neposreden rezultat statistične mehanike, saj opis ni odvisen od izjemno redkih primerov kjer se krov kart premeša v popoln red, vendar glede na splošno težnjo sistema, da narašča v neredu.

Enostavnejši način razmišljanja o tem konceptu je upoštevanje, da je za mešanje dveh sklopov predmetov potrebno več časa in truda kot za njihovo mešanje. Prosite katerega koli starša malčka, da preveri; lažje je narediti veliko zmešnjavo kot jo očistiti!

Veliko drugih opazovanj v resničnem svetu nam je "smiselno", da se dogajajo na en način, ne pa tudi na drugega, ker sledijo drugemu zakonu termodinamike:

• Toplota teče od predmetov z višjo temperaturo do predmetov z nižjo temperaturo in ne obratno okrog (kocke ledu se stopijo in vroča kava, ki ostane na mizi, se postopoma ohladi, dokler se ne ujema s prostorom temperatura).
• Zapuščene stavbe se počasi sesujejo in se ne obnavljajo več.
• Krogla, ki se valja po igrišču, se upočasni in sčasoma ustavi, saj trenje spremeni svojo kinetično energijo v neuporabno toplotno energijo.
  

Drugi zakon termodinamike je le še en način, da formalno opišemo koncept puščice časa: Če gremo naprej skozi čas, sprememba entropije vesolja ne more biti negativna.

Če se red le še povečuje, zakaj se zdi, da pogled po svetu razkriva veliko primerov urejenih situacij?

Medtem ko entropijav celotise vedno povečuje, lokalnozmanjšujev entropiji so možni v žepih večjih sistemov. Na primer, človeško telo je zelo organiziran, urejen sistem - neurejeno juho celo spremeni v izvrstne kosti in druge zapletene strukture. Za to pa telo prevzame energijo in ustvarja odpadke, ko komunicira z okolico. Torej, čeprav bi oseba, ki dela vse to, morda imela manj entropije v svojem telesu na koncu cikla prehranjevanja / gradnje delov telesa / izločanja odpadkov,celotna entropija sistema- telo in vse okoli njega - še vednopovečuje​.

Podobno bi motivirani otrok morda lahko pospravil svojo sobo, vendar je med tem energijo pretvarjal v toploto proces (pomislite na lastni znoj in toploto, ki nastane zaradi trenja med premikajočimi se predmeti okoli). Verjetno so vrgli tudi veliko kaotičnih smeti, pri čemer so pri tem morda zlomili koščke. Ponovno se entropija na splošno poveča v poštni številki, tudi če se ta soba konča s pikami.

V velikem obsegu drugi zakon termodinamike napoveduje morebitnovročinska smrtvesolja. Da bi ga ne zamenjali z vesoljem, ki umira v ognjenem muku, se stavek natančneje nanaša na idejo, ki je sčasoma koristna energija se bo pretvorila v toplotno energijo ali toploto, saj se nepovratni proces ves čas dogaja skoraj povsod. Poleg tega bo vsa ta toplota sčasoma dosegla stabilno temperaturo ali toplotno ravnovesje, saj se ji ne bo zgodilo nič drugega.

Pogosta napačna predstava o toplotni smrti vesolja je, da predstavlja čas, ko v vesolju ni več energije. To ni tako! Namesto tega opisuje čas, ko se je vsa koristna energija preoblikovala v toplotno energijo, ki je že vsa dosegla enake temperature, kot je bazen, napolnjen s pol vroče in pol hladne vode, nato pa zunaj vse popoldan.

Drugi zakon je morda najbolj vroč (ali vsaj najbolj poudarjen) v uvodni termodinamiki, a kot že ime pove, ni edini. O drugih podrobneje razpravljamo v drugih člankih na spletnem mestu, a tukaj je njihov kratek oris:

​Nulti zakon termodinamike.Tako imenovan, ker temelji na drugih termodinamičnih zakonih, ničli zakon v bistvu opisuje, kaj je temperatura. Navaja, da kadar sta dva sistema v toplotnem ravnovesju s tretjim sistemom, morata biti nujno tudi medsebojno v toplotnem ravnovesju. Z drugimi besedami, vsi trije sistemi morajo imeti enako temperaturo. James Clerk Maxwell je glavni rezultat tega zakona opisal kot "Vsa toplota je iste vrste."

​Prvi zakon termodinamike.Ta zakon ohranja energijo v termodinamiki. Navaja, da je sprememba notranje energije sistema enaka razliki med toploto, dodano sistemu, in delom, ki ga sistem opravi:

KjeUje energija,Vje toplota inWje delo, ki se običajno meri v džulih (čeprav včasih v Btusu ali kalorijah).

​Tretji zakon termodinamike.Ta zakon določaabsolutna ničlav smislu entropije. Navaja, da ima popoln kristal nič entropije, kadar je njegova temperatura absolutna nič ali 0 Kelvinov. Kristal mora biti popolnoma razporejen, sicer bi imel v svoji strukturi neko lastno motnjo (entropijo). Pri tej temperaturi molekule v kristalu nimajo gibanja (kar bi lahko šteli tudi za toplotno energijo ali entropijo).

Upoštevajte, da ko bo vesolje doseglo končno stanje toplotnega ravnovesja - svojo toplotno smrt -, bo doseglo temperaturovišjekot absolutna ničla.