Други закон термодинамике: дефиниција, једначина и примери

Дворац од песка на плажи полако се руши како дан одмиче. Али неко ко је сведок обрнутог - песак који спонтано скаче у облик замка - рекао би да мора да гледа снимак, а не стварност. Слично томе, чаша леденог чаја у којој се коцкице временом топе одговара нашим очекивањима, али не и чаша течности у којој се коцке леда спонтано формирају.

Разлог што неки природни процеси имају смисла да се дешавају унапред у времену, али не и уназад у времену, повезан је са другим законом термодинамике. Овај важан закон је једини физички опис универзума који зависи од времена које има одређени правац, у којем се можемо кретати само напред.

Насупрот томе, делују Њутнови закони или кинематичке једначине, које се користе за описивање кретања предмета једнако добро да ли физичар одлучи да анализира лук фудбала док се креће напред или у обрнуто. Због тога се други закон термодинамике понекад назива и „стрелом времена“.

Статистичка механика је грана физике која повезује понашање микроскопских размера, попут кретања молекули ваздуха у затвореној соби, до следећих макроскопских посматрања, као што је целокупни простор температура. Другим речима, повезивање онога што би човек могао директно да посматра са безброј невидљивих спонтаних процеса који то заједно чине.

Микростање је један од могућих распореда и расподеле енергије свих молекула у затвореном термодинамичком систему. На пример, микродржава може да опише положај и кинетичку енергију сваког молекула шећера и воде у термосици вруће чоколаде.

Макродржава је, с друге стране, скуп свих могућих микростана система: сви могући начини на које се молекули шећера и воде у термосу могу уредити. Начин на који физичар описује макростање је коришћењем променљивих као што су температура, притисак и запремина.

То је неопходно, јер је број могућих микродржава у датој макродржави превелик да би се њиме могло бавити. Соба на 30 степени Целзијуса је корисно мерење, иако сазнање да је 30 степени не открива специфична својства сваког молекула ваздуха у соби.

Иако се макростати углавном користе када се говори о термодинамици, разумевање микростања је релевантан јер описују основне физичке механизме који воде до оних већих мерења.

Ентропија се често описује речима као мера величине поремећаја у систему. Ову дефиницију је први предложио Лудвиг Болтзманн 1877. године.

У погледу термодинамике, може се прецизније дефинисати као количина топлотне енергије у затвореном систему која није доступна за обављање корисних послова.

Трансформација корисне енергије у топлотну је неповратан процес. Због овога следи да укупна количина ентропије у затвореном систему - укључујући и свемир у целини - може самоповећати​.

Овај концепт објашњава како се ентропија односи према правцу кретања времена. Кад би физичари успели да направе неколико снимака затвореног система са подацима о томе колика је била ентропија у сваком од њих могли су их распоредити на време пратећи „стрелицу времена“ - прелазећи са мање на више ентропија.

Да би математички био много техничкији, ентропија система дефинисана је следећом формулом, коју је Болтзманн такође смислио:

гдеИје број микродржава у систему (број начина на који се систем може наручити),кје Болтзманнова константа (пронађена дељењем идеалне гасне константе са Авогадровом константом: 1.380649 × 10⁻²³ Ј / К) илнје природни логаритам (логаритам за базуе​).

Главно изношење из ове формуле је показати да се, како се повећава број микродржава или начина наручивања система, повећава и његова ентропија.

Промена ентропије система при преласку из једне макростање у другу може се описати у терминима променљиве макростања топлота и време:

гдеТ.је температура иКје пренос топлоте у реверзибилном процесу док се систем креће између два стања.

Други закон термодинамике каже да се укупна ентропија свемира или изолованог система никада не смањује. У термодинамици, изоловани систем је онај у коме ни топлота ни материја не могу ући или изаћи из граница система.

Другим речима, у било ком изолованом систему (укључујући свемир), промена ентропије је увек нула или позитивна. Шта ово у суштини значи је да случајни термодинамички процеси теже да доведу до више нереда него реда.

Важан нагласак пада наимају тенденцију дадео тог описа. Случајни процесимогаодовести до више реда него нереда без кршења природних закона; само је много мање вероватно да ће се догодити.

На пример, од свих микродржава у којима би могао завршити насумично премешан шпил карата - 8.066 × 10⁶⁷ - само једна од тих опција једнака је редоследу у оригиналном паковању. Томогаодеси се, али изгледи су врло, врло мали. У целини, све природно тежи ка нереду.

Ентропија се може сматрати мером поремећаја или случајности система. Други закон термодинамике каже да увек остаје исти или се повећава, али никада не смањује. Ово је директан резултат статистичке механике, јер опис не зависи од изузетно ретке инстанце где се шпил карата премешта у савршен ред, али на укупну тенденцију система да расте у нереду.

Један поједностављени начин размишљања о овом концепту је сматрати да је за мешање два скупа предмета потребно више времена и напора него за њихово мешање. Замолите било којег родитеља детета да верификује; лакше је направити велику збрку, него је очистити!

Много других запажања у стварном свету „имају смисла“ за нас да се дешавају на један начин, али не и на други, јер следе други закон термодинамике:

• Топлота тече од предмета на вишој температури до објеката на нижој температури, а не обрнуто около (коцкице леда се топе, а врућа кафа изостављена на столу постепено се хлади док се не подудара са простором температура).
• Напуштене зграде полако се руше и не обнављају се више.
• Лопта која се котрља дуж игралишта успорава и на крају се зауставља, јер трење претвара своју кинетичку енергију у неупотребљиву топлотну енергију.
  

Други закон термодинамике је само још један начин да се формално опише концепт стрелице времена: Крећући се напред у времену, промена ентропије универзума не може бити негативна.

Ако се ред само повећава, зашто изгледа да поглед око света открива мноштво примера уређених ситуација?

Док ентропијау целостисе увек повећава, локалноопадау ентропији су могући у џеповима већих система. На пример, људско тело је веома организован, уређен систем - чак и неуредну супу претвара у изврсне кости и друге сложене структуре. Међутим, да би то учинило, тело узима енергију и ствара отпад док комуницира са околином. Дакле, иако би особа која ради све ово могла имати мање ентропије у свом телу на крају циклуса исхране / грађења тела / излучивања отпада,тотална ентропија система- тело плус све око њега - и даљеповећава​.

Слично томе, мотивисано дете можда може да очисти своју собу, али је током тога енергију претварало у топлоту процес (мислите на сопствени зној и топлоту која настаје трењем између предмета који се померају око). Вероватно су избацили и пуно хаотичног смећа, при чему су можда разломили комаде. Опет, ентропија се у целости повећава у поштанском броју, чак и ако та соба заврши нагло.

У великим размерама, други закон термодинамике предвиђа евентуалнитоплотна смртсвемира. Да се ​​не помеша са универзумом који умире у ватреној муци, тачније се фраза односи на идеју која је на крају сва корисна енергија ће се претворити у топлотну енергију, или топлоту, јер се неповратни процес непрестано дешава свуда. Штавише, сва ова топлота ће на крају достићи стабилну температуру или топлотну равнотежу, јер јој се ништа друго неће дешавати.

Уобичајена заблуда о топлотној смрти универзума је да она представља време када у универзуму више нема енергије. Ово није случај! Уместо тога, описује време када се сва корисна енергија трансформише у топлотну енергију која је све достигла исте температуре, попут базена напуњеног напола врућом и напола хладном водом, а затим остављеног напољу поподневни.

Други закон је можда најтоплији (или барем најизраженији) у уводној термодинамики, али као што назив говори, није једини. О осталим се детаљније говори у другим чланцима на веб локацији, али ево кратког описа:

​Нулти закон термодинамике.Тако назван јер лежи у основи осталих закона термодинамике, нулти закон у основи описује шта је температура. У њему се наводи да када су два система у топлотној равнотежи са трећим системом, они такође морају нужно бити у топлотној равнотежи један са другим. Другим речима, сва три система морају бити исте температуре. Јамес Цлерк Маквелл је главни исход овог закона описао као „Сва топлота је исте врсте“.

​Први закон термодинамике.Овај закон примењује очување енергије на термодинамику. У њему се наводи да је промена унутрашње енергије система једнака разлици између топлоте додате систему и рада система:

ГдеУје енергија,Кје топлота иВје посао, све се обично мери у џулима (мада понекад у Бтусу или калоријама).

​Трећи закон термодинамике.Овај закон дефинишеапсолутна нулау погледу ентропије. У њему се наводи да савршени кристал има нулту ентропију када је његова температура апсолутна нула или 0 Келвина. Кристал мора бити савршено распоређен, иначе би у својој структури имао неки својствени поремећај (ентропију). На овој температури, молекули у кристалу немају кретање (што би се такође сматрало топлотном енергијом или ентропијом).

Имајте на уму да ће свемир достићи коначно стање топлотне равнотеже - своју топлотну смрт - да ће достићи температурувишенего апсолутна нула.