Termodinamiğin İkinci Yasası: Tanım, Denklem ve Örnekler

Sahilde bir kumdan kale gün geçtikçe yavaş yavaş parçalanıyor. Ancak bunun tam tersine – kumun kendiliğinden bir kale şekline dönüşmesine – tanık olan biri, gerçeği değil, bir kaydı izliyor olmaları gerektiğini söyler. Benzer şekilde, küplerin zamanla eridiği bir bardak buzlu çay da beklentilerimizi karşılar, ancak içinde buz küplerinin kendiliğinden oluştuğu bir bardak sıvı değil.

Bazı doğal süreçlerin zamanda ileriye doğru gerçekleşmesinin mantıklı görünmesi, ancak zamanda geriye doğru gitmemesinin nedeni termodinamiğin ikinci yasası ile ilgilidir. Bu önemli yasa, yalnızca ileriye doğru hareket edebileceğimiz belirli bir yöne sahip zamana bağlı olan evrenin tek fiziksel tanımıdır.

Buna karşılık, her ikisi de nesnelerin hareketini tanımlamak için kullanılan Newton yasaları veya kinematik denklemleri, çalışır. Bir fizikçinin bir futbol arkını ilerlerken mi yoksa sahada mı analiz etmeye karar verdiği de aynı derecede iyi. tersine çevirmek. Bu nedenle termodinamiğin ikinci yasasına bazen "zamanın oku" da denir.

İstatistiksel mekanik, cisimlerin hareketi gibi mikroskobik ölçekteki davranışları ilişkilendiren fizik dalıdır. kapalı bir odadaki hava molekülleri, odanın genel durumu gibi müteakip makroskopik gözlemlere sıcaklık. Başka bir deyişle, bir insanın doğrudan gözlemleyebildiğini, birlikte gerçekleşmesini sağlayan sayısız görünmez kendiliğinden süreçlere bağlamak.

Bir mikro durum, kapalı bir termodinamik sistemdeki tüm moleküllerin olası bir düzenlemesi ve enerji dağılımıdır. Örneğin, bir mikro durum, bir sıcak çikolata termosu içindeki her şeker ve su molekülünün konumunu ve kinetik enerjisini tanımlayabilir.

Öte yandan bir makro durum, bir sistemin tüm olası mikro durumlarının kümesidir: termos içindeki şeker ve su moleküllerinin düzenlenebileceği tüm olası yollar. Bir fizikçinin bir makro durumu tanımlama şekli, sıcaklık, basınç ve hacim gibi değişkenleri kullanmaktır.

Bu gereklidir, çünkü belirli bir makro durumdaki olası mikro durumların sayısı başa çıkılamayacak kadar fazladır. 30 santigrat derecedeki bir oda yararlı bir ölçümdür, ancak 30 derece olduğunu bilmek odadaki her bir hava molekülünün spesifik özelliklerini ortaya çıkarmaz.

Genel olarak termodinamikten bahsederken makro haller kullanılsa da, mikro halleri anlamak daha büyük olanlara yol açan altta yatan fiziksel mekanizmaları tanımladıkları için önemlidir. ölçümler.

Entropi, genellikle bir sistemdeki düzensizlik miktarının bir ölçüsü olarak kelimelerle tanımlanır. Bu tanım ilk olarak 1877'de Ludwig Boltzmann tarafından önerildi.

Termodinamik açısından daha spesifik olarak, kapalı bir sistemdeki yararlı iş yapmaya müsait olmayan termal enerji miktarı olarak tanımlanabilir.

Yararlı enerjinin termal enerjiye dönüşümü geri dönüşü olmayan bir süreçtir. Bu nedenle, bir bütün olarak evren de dahil olmak üzere kapalı bir sistemdeki toplam entropi miktarının yalnızcaartırmak​.

Bu kavram, entropinin zamanın aktığı yönle nasıl ilişkili olduğunu açıklar. Fizikçiler, entropinin ne kadar olduğuna dair verilerle kapalı bir sistemin birkaç anlık görüntüsünü alabilseydi her birinde, "zamanın okunu" izleyerek onları zaman sırasına koyabilirlerdi - azdan çoka doğru entropi.

Matematiksel olarak daha teknik hale getirmek için, bir sistemin entropisi, Boltzmann'ın da ortaya koyduğu aşağıdaki formülle tanımlanır:

neredeYsistemdeki mikro durum sayısıdır (sistemin sipariş edilebileceği yol sayısı),kBoltzmann sabitidir (ideal gaz sabitinin Avogadro sabitine bölünmesiyle bulunur: 1.380649 × 10⁻²³ J/K) veiçindedoğal logaritmadır (tabakaya göre bir logaritmae​).

Bu formülün ana çıkarımı, mikro durum sayısı veya bir sistemi düzenleme yolları arttıkça entropisinin de arttığını göstermektir.

Bir sistemin bir makro-durumdan diğerine geçerken entropisindeki değişim, ısı ve zaman makro-durum değişkenleri açısından tanımlanabilir:

neredeTsıcaklık veSsistem iki durum arasında hareket ederken tersinir bir süreçteki ısı transferidir.

Termodinamiğin ikinci yasası, evrenin veya yalıtılmış bir sistemin toplam entropisinin asla azalmadığını belirtir. Termodinamikte, yalıtılmış bir sistem, ne ısının ne de maddenin sistemin sınırlarına girip çıkamadığı sistemdir.

Başka bir deyişle, herhangi bir yalıtılmış sistemde (evren dahil), entropi değişimi her zaman sıfır veya pozitiftir. Bunun esas olarak anlamı, rastgele termodinamik süreçlerin düzenden çok düzensizliğe yol açma eğiliminde olmasıdır.

önemli bir vurgu yapılıyoreğilimibu açıklamanın bir parçası. rastgele süreçlerabilirdoğa yasalarını ihlal etmeden düzensizlikten daha fazla düzene yol açar; bunun gerçekleşmesi çok daha az olasıdır.

Örneğin, rastgele karıştırılmış bir kart destesinin son bulabileceği tüm mikro durumlar arasında – 8.066 × 10⁶⁷ – bu seçeneklerden sadece biri orijinal paketteki sıraya eşittir. Oabilirolur, ancak olasılıklar çok, çok küçüktür. Genel olarak, her şey doğal olarak düzensizliğe eğilimlidir.

Entropi, bir sistemin düzensizliği veya rastgeleliği olarak düşünülebilir. Termodinamiğin ikinci yasası, her zaman aynı kaldığını veya arttığını, ancak asla azalmadığını belirtir. Bu, istatistiksel mekaniğin doğrudan bir sonucudur, çünkü açıklama son derece nadir örneğe bağlı değildir. bir kart destesinin mükemmel bir düzen içinde karıştırıldığı, ancak bir sistemin genel düzensizlik eğilimine göre.

Bu kavram hakkında düşünmenin basitleştirilmiş bir yolu, iki nesne kümesini karıştırmanın, onları karıştırmaktan daha fazla zaman ve çaba gerektirdiğini düşünmektir. Küçük bir çocuğun herhangi bir ebeveyninden doğrulamasını isteyin; Büyük bir karışıklık yaratmak, onu temizlemekten daha kolaydır!

Gerçek dünyadaki pek çok başka gözlem, termodinamiğin ikinci yasasını takip ettikleri için bir şekilde, başka bir şekilde değil, bizim için "mantıklı":

• Isı, daha yüksek sıcaklıktaki nesnelerden daha düşük sıcaklıktaki nesnelere akar, tersi olmaz (buz küpleri erir ve masanın üzerinde bırakılan sıcak kahve, oda sıcaklığına gelene kadar yavaş yavaş soğur) sıcaklık).
• Terk edilmiş binalar yavaş yavaş parçalanır ve kendilerini yeniden inşa etmezler.
• Oyun alanında yuvarlanan bir top yavaşlar ve sonunda durur, çünkü sürtünme kinetik enerjisini kullanılamaz termal enerjiye dönüştürür.
  

Termodinamiğin ikinci yasası, zaman oku kavramını resmen tanımlamanın başka bir yoludur: Zamanda ileriye doğru hareket ederken, evrenin entropi değişimi negatif olamaz.

Eğer düzen sürekli artıyorsa, neden dünyaya bakmak, düzenli durumların birçok örneğini ortaya koyuyor gibi görünüyor?

entropi ikenher şey hesaba katılırsaher zaman artan, yerelazalırentropide daha büyük sistemlerin ceplerinde mümkündür. Örneğin, insan vücudu çok düzenli, düzenli bir sistemdir - hatta dağınık bir çorbayı enfes kemiklere ve diğer karmaşık yapılara dönüştürür. Ancak bunu yapmak için vücut enerji alır ve çevresiyle etkileşime girerken atık üretir. Dolayısıyla, tüm bunları yapan kişi, yeme/vücut parçalarını oluşturma/atık salgılama döngüsünün sonunda vücudunda daha az entropi deneyimlese bile,sistemin toplam entropisi– beden artı etrafındaki her şey – halaartışlar​.

Benzer şekilde, motive olmuş bir çocuk odasını temizleyebilir, ancak çalışma sırasında enerjiyi ısıya dönüştürdü. süreç (kendi terlerini ve hareket ettirilen nesneler arasındaki sürtünmeden kaynaklanan ısıyı düşünün) etrafında). Muhtemelen bir sürü kaotik çöpü de attılar, muhtemelen bu süreçte parçaları parçaladılar. Yine, o oda spic ve span ile sonuçlansa bile, posta kodundaki entropi genel olarak artar.

Büyük ölçekte, termodinamiğin ikinci yasası, nihai durumu öngörür.ısı ölümüevrenin. Ateşli sancılar içinde ölmekte olan bir evrenle karıştırılmaması için, tabir daha kesin olarak, sonunda tüm yararlı enerji, termal enerjiye veya ısıya dönüştürülecektir, çünkü geri dönüşü olmayan süreç neredeyse her zaman her yerde meydana gelir. Ayrıca, tüm bu ısı sonunda sabit bir sıcaklığa veya termal dengeye ulaşacaktır, çünkü ona başka hiçbir şey olmayacak.

Evrenin ısı ölümüyle ilgili yaygın bir yanılgı, evrende hiç enerji kalmadığı bir zamanı temsil etmesidir. Olay bu değil! Daha ziyade, tüm yararlı enerjinin termal enerjiye dönüştürüldüğü bir zamanı tanımlar. aynı sıcaklıkta, yarı sıcak ve yarı soğuk suyla dolu bir yüzme havuzu gibi, sonra hepsi dışarıda kaldı öğleden sonra.

İkinci yasa, termodinamiğe girişteki en sıcak (veya en azından en çok vurgulanan) olabilir, ancak adından da anlaşılacağı gibi, tek yasa değildir. Diğerleri, sitedeki diğer makalelerde daha ayrıntılı olarak tartışılmaktadır, ancak işte bunlardan kısa bir anahat:

​Termodinamiğin sıfırıncı yasası.Termodinamiğin diğer yasalarının temelini oluşturduğu için bu adla anılan sıfırıncı yasa, esasen sıcaklığın ne olduğunu tanımlar. İki sistemin her biri üçüncü bir sistemle termal dengede olduğunda, mutlaka birbirleriyle de termal dengede olmaları gerektiğini belirtir. Başka bir deyişle, her üç sistem de aynı sıcaklıkta olmalıdır. James Clerk Maxwell, bu yasanın ana sonucunu "Tüm ısı aynı türdendir" olarak tanımladı.

​Termodinamiğin birinci yasası.Bu yasa, enerjinin korunumunu termodinamiğe uygular. Bir sistemin iç enerjisindeki değişimin sisteme eklenen ısı ile sistem tarafından yapılan iş arasındaki farka eşit olduğunu belirtir:

Neredesenenerjidir,Sısıdır veWiştir, tümü tipik olarak joule cinsinden ölçülür (bazen Btus veya kalori cinsinden olsa da).

​Termodinamiğin üçüncü yasası.Bu yasa tanımlartamamen sıfırentropi açısından. Mükemmel bir kristalin sıcaklığı mutlak sıfır veya 0 Kelvin olduğunda sıfır entropiye sahip olduğunu belirtir. Kristal mükemmel bir şekilde düzenlenmiş olmalıdır, yoksa yapısında doğal bir düzensizlik (entropi) olurdu. Bu sıcaklıkta, kristaldeki moleküllerin hareketi yoktur (bu da termal enerji veya entropi olarak kabul edilir).

Evrenin son termal denge durumuna - ısı ölümü - ulaştığında, bir sıcaklığa ulaşmış olacağına dikkat edin.daha yüksekmutlak sıfırdan daha