Andra termodynamiklagen: definition, ekvation och exempel

Ett sandslott på stranden sönder sakta när dagen går vidare. Men någon som bevittnar det omvända - sand som spontant hoppar i form av ett slott - skulle säga att de måste titta på en inspelning, inte verkligheten. På samma sätt matchar ett glas iste i vilket kuberna smälter över tiden våra förväntningar, men inte ett glas vätska där isbitar spontant bildas.

Anledningen till att vissa naturliga processer verkar vara vettiga att hända framåt i tiden men inte bakåt i tiden har att göra med termodynamikens andra lag. Denna viktiga lag är den enda fysiska beskrivningen av universum som beror på att tiden har en viss riktning, i vilken vi bara kan gå framåt.

Däremot fungerar Newtons lagar eller kinematiska ekvationer, båda för att beskriva objektens rörelse lika bra om en fysiker bestämmer sig för att analysera en fotbolls båge när den rör sig framåt eller i omvänd. Det är därför termodynamikens andra lag ibland också kallas "tidens pil."

Statistisk mekanik är den fysikgren som relaterar beteende på mikroskopisk skala, såsom rörelse av luftmolekyler i ett stängt rum, till efterföljande makroskopiska observationer, såsom rumets övergripande temperatur. Med andra ord, att ansluta vad en människa direkt kunde observera till de otaliga osynliga spontana processerna som tillsammans får det att hända.

En mikrostat är ett möjligt arrangemang och energifördelning av alla molekyler i ett slutet termodynamiskt system. Till exempel kan en mikrostat beskriva placeringen och den kinetiska energin för varje socker- och vattenmolekyl i en termos varm choklad.

En makrostat, å andra sidan, är en uppsättning av alla möjliga mikrostater i ett system: alla möjliga sätt som socker- och vattenmolekylerna inuti termos kan ordnas. Hur en fysiker beskriver en makrostat är att använda variabler som temperatur, tryck och volym.

Detta är nödvändigt eftersom antalet möjliga mikrostater i en given makrostat är alldeles för stort för att hantera. Ett rum vid 30 grader Celsius är ett användbart mått, men att veta att det är 30 grader avslöjar inte de specifika egenskaperna för varje luftmolekyl i rummet.

Även om makrostater vanligtvis används när man talar om termodynamik, förstå mikrostat är relevant eftersom de beskriver de underliggande fysiska mekanismerna som leder till de större mätningar.

Entropi beskrivs ofta i ord som ett mått på mängden störningar i ett system. Denna definition föreslogs först av Ludwig Boltzmann 1877.

När det gäller termodynamik kan den definieras mer specifikt som mängden termisk energi i ett slutet system som inte är tillgängligt för att göra användbart arbete.

Omvandlingen av användbar energi till termisk energi är en oåterkallelig process. På grund av detta följer att den totala mängden entropi i ett slutet system - inklusive universum som helhet - bara kanöka​.

Detta koncept förklarar hur entropi relaterar till den riktning som tiden flyter. Om fysiker kunde ta flera ögonblicksbilder av ett slutet system med information om hur mycket entropi var i var och en kunde de sätta dem i tidsordning efter "tidens pil" - gå från mindre till mer entropi.

För att bli mycket mer tekniskt, matematiskt, definieras entropin för ett system av följande formel, som Boltzmann också kom med:

varYär antalet mikrostationer i systemet (antalet sätt som systemet kan beställas),kär Boltzmann-konstanten (hittad genom att dividera den ideala gaskonstanten med Avogadros konstant: 1.380649 × 10⁻²³ J / K) ochlnär den naturliga logaritmen (en logaritm till basene​).

Den huvudsakliga borttagningen från denna formel är att visa att, när antalet mikrostatus eller sätt att beställa ett system ökar, så ökar dess entropi.

Förändringen i ett systems entropi när det rör sig från en makrostat till en annan kan beskrivas i termer av makrostatliga variabler värme och tid:

varTär temperatur ochFär värmeöverföringen i en reversibel process när systemet rör sig mellan två tillstånd.

Den andra termodynamiklagen säger att den totala entropin i universum eller ett isolerat system aldrig minskar. I termodynamik är ett isolerat system ett där varken värme eller materia kan komma in eller ut ur systemets gränser.

Med andra ord, i något isolerat system (inklusive universum) är entropiändring alltid noll eller positiv. Vad detta i huvudsak betyder är att slumpmässiga termodynamiska processer tenderar att leda till mer störningar än ordning.

En viktig betoning ligger påbrukardel av den beskrivningen. Slumpmässiga processerskulle kunnaleda till mer ordning än oordning utan att bryta mot naturlagar; det är bara mycket mindre sannolikt att det händer.

Till exempel av alla mikrostater där en slumpmässigt blandad kortlek kan hamna - 8,066 × 10⁶⁷ - endast ett av dessa alternativ är lika med den ordning de hade i originalförpackningen. Detskulle kunnahända, men oddsen är väldigt, väldigt små. Sammantaget tenderar allt naturligt mot oordning.

Entropi kan betraktas som ett mått på oordning eller slumpmässighet i ett system. Den andra lagen om termodynamik säger att den alltid förblir densamma eller ökar, men aldrig minskar. Detta är ett direkt resultat av statistisk mekanik, eftersom beskrivningen inte beror på den extremt sällsynta instansen där en kortlek blandas i perfekt ordning, men på systemets totala tendens att öka i oordning.

Ett förenklat sätt att tänka på detta koncept är att överväga att un-mixa två uppsättningar objekt tar mer tid och ansträngning än att blanda dem i första hand. Be alla föräldrar till ett barn att verifiera; det är lättare att göra en stor röra än att städa upp den!

Massor av andra observationer i den verkliga världen "är vettiga" för oss som händer på ett sätt men inte på annat sätt för att de följer termodynamikens andra lag:

• Värme flyter från föremål vid högre temperatur till föremål vid lägre temperatur och inte tvärtom runt (isbitar smälter och varmt kaffe kvar på bordet svalnar gradvis tills det matchar rummet temperatur).
• Övergivna byggnader smuler långsamt och byggs inte upp igen.
• En boll som rullar längs lekplatsen saktar och slutar slutligen, eftersom friktion omvandlar sin kinetiska energi till oanvändbar termisk energi.
  

Den andra lagen om termodynamik är bara ett annat sätt att formellt beskriva begreppet tidens pil: Att gå framåt i tiden kan entropiförändringen i universum inte vara negativ.

Om ordningen bara ökar ständigt, varför verkar det vara många exempel på ordnade situationer när man tittar runt i världen?

Medan entropipå det helaökar alltid, lokaltminskari entropi är möjliga i fickorna på större system. Till exempel är människokroppen ett mycket organiserat, ordnat system - det förvandlar till och med en rörig soppa till utsökta ben och andra komplexa strukturer. Men för att göra det tar kroppen energi och skapar avfall när den interagerar med omgivningen. Så även om personen som gör allt detta kan uppleva mindre entropi i kroppen i slutet av en ätande / byggande kroppsdel ​​/ utsöndringsavfall,systemets totala entropi- kroppen plus allt runt det - fortfarandeökar​.

På samma sätt kan ett motiverat barn kunna städa sitt rum, men de omvandlade energi till värme under processen (tänk på deras egen svett och värmen som genereras av friktion mellan föremål som flyttas runt omkring). De kastade förmodligen också ut en hel del kaotiskt skräp, eventuellt nedbrytande bitar under processen. Återigen ökar entropin totalt sett i postnumret, även om det rummet hamnar spic och span.

I stor skala förutspår termodynamikens andra lag det eventuellavärme dödav universum. För att inte förväxlas med ett universum som dör i eldiga krafter, hänvisar frasen mer exakt till idén som så småningom är användbar energi kommer att omvandlas till termisk energi eller värme, eftersom den irreversibla processen sker nästan överallt hela tiden. Dessutom kommer all denna värme så småningom att nå en stabil temperatur eller termisk jämvikt, eftersom inget annat kommer att hända med den.

En vanlig missuppfattning om universums värmedöd är att det representerar en tid då det inte finns någon energi kvar i universum. Så är inte fallet! Snarare beskriver den en tid då all användbar energi har omvandlats till termisk energi som alla har nått samma temperatur, som en pool fylld med halvt varmt och halvt kallt vatten, sedan lämnat utanför alla eftermiddag.

Den andra lagen kan vara den hetaste (eller åtminstone den mest betonade) i inledande termodynamik, men som namnet antyder är det inte den enda. De andra diskuteras mer detaljerat i andra artiklar på webbplatsen, men här är en kort beskrivning av dem:

​Termodynamikens nolllag.Så benämnt för att det ligger till grund för andra termodynamiska lagar, beskriver noll-lagen i huvudsak vad temperaturen är. Den säger att när två system var och en är i termisk jämvikt med ett tredje system, måste de nödvändigtvis också vara i termisk jämvikt med varandra. Med andra ord måste alla tre systemen ha samma temperatur. James Clerk Maxwell beskrev ett huvudresultat av denna lag som "All värme är av samma slag."

​Den första lagen om termodynamik.Denna lag gäller bevarande av energi på termodynamik. Den säger att förändringen i intern energi för ett system är lika med skillnaden mellan värmen som tillförs systemet och det arbete som utförs av systemet:

VarUär energi,Fär värme ochWär arbete, allt vanligtvis uppmätt i joule (men ibland i Btus eller kalorier).

​Den tredje lagen om termodynamik.Denna lag definierarabsolut nollnär det gäller entropi. Den säger att en perfekt kristall har noll entropi när dess temperatur är absolut noll, eller 0 Kelvins. Kristallen måste vara perfekt ordnad, annars skulle den ha någon inneboende störning (entropi) i sin struktur. Vid denna temperatur har molekylerna i kristallen ingen rörelse (vilket också skulle betraktas som termisk energi eller entropi).

Observera att när universum når sitt slutliga tillstånd för termisk jämvikt - dess värmedöd - kommer det att ha nått en temperaturhögreän absolut noll.