Другий закон термодинаміки: визначення, рівняння та приклади

Піщаний замок на пляжі повільно руйнується, коли день рухається далі. Але той, хто є свідком зворотного - пісок, що спонтанно стрибає у формі замку - сказав би, що він, мабуть, дивиться запис, а не реальність. Так само склянка холодного чаю, в якій кубики з часом плавляться, відповідає нашим сподіванням, але не склянка рідини, в якій кубики льоду мимовільно утворюються.

Причина того, що деякі природні процеси, здається, мають сенс відбуватися вперед у часі, а не назад у часі, пов’язана з другим законом термодинаміки. Цей важливий закон є єдиним фізичним описом Всесвіту, який залежить від часу, що має певний напрямок, в якому ми можемо рухатись лише вперед.

На відміну від них, працюють закони Ньютона або рівняння кінематики, обидва використовувані для опису руху предметів однаково добре, чи вирішує фізик аналізувати дугу футболу під час руху вперед або в напрямку зворотний. Ось чому другий закон термодинаміки іноді також називають "стрілою часу".

Статистична механіка - це розділ фізики, який пов’язує поведінку мікроскопічного масштабу, таку як рух молекули повітря в закритій кімнаті до подальших макроскопічних спостережень, таких як загальний обсяг кімнати температури. Іншими словами, підключення того, що людина могла безпосередньо спостерігати, до незліченних невидимих ​​спонтанних процесів, які разом роблять це.

Мікродержава - це одне з можливих розташування та розподілу енергії всіх молекул у закритій термодинамічній системі. Наприклад, мікродержава могла б описати розташування та кінетичну енергію кожної молекули цукру та води всередині термоса з гарячим шоколадом.

Натомість макродержава - це сукупність усіх можливих мікростанів системи: усі можливі способи розташування молекул цукру та води всередині термоса. Те, як фізик описує макродержаву, використовує такі змінні, як температура, тиск і об’єм.

Це необхідно, оскільки кількість можливих мікродержав у даній макродержаві занадто велика, щоб мати справу з нею. Кімната при температурі 30 градусів Цельсія є корисним виміром, хоча знання, що вона 30 градусів, не виявляє конкретних властивостей кожної молекули повітря в кімнаті.

Хоча макростатики зазвичай використовують, коли говорять про термодинаміку, розуміння мікростанів є актуальним, оскільки вони описують основні фізичні механізми, що ведуть до тих, що є більшими вимірювання.

Ентропія часто описується словами як міра величини розладу в системі. Вперше це визначення було запропоноване Людвігом Больцманом у 1877 році.

З точки зору термодинаміки, це можна визначити більш конкретно як кількість теплової енергії в замкнутій системі, яка недоступна для корисної роботи.

Перетворення корисної енергії в теплову - незворотний процес. З цього випливає, що загальна кількість ентропії в замкнутій системі - включаючи Всесвіт в цілому - може лишезбільшувати​.

Ця концепція пояснює, як ентропія співвідноситься з напрямком течії часу. Якби фізики змогли зробити кілька знімків замкнутої системи з даними про те, скільки була ентропія в кожному з них вони могли впорядковувати їх за часом, дотримуючись "стрілки часу" - від меншого до більшого ентропія.

Щоб отримати набагато більше технічного, математично, ентропія системи визначається за такою формулою, яку також придумав Больцман:

деY- кількість мікродержав у системі (кількість способів замовлення системи),k- постійна Больцмана (знайдена діленням ідеальної газової константи на константу Авогадро: 1,380649 × 10⁻²³ J / K) таln- природний логарифм (логарифм до основиe​).

Основний висновок з цієї формули - показати, що зі збільшенням кількості мікродержав або способів упорядкування системи зростає і її ентропія.

Зміна в ентропії системи при переході від однієї макродержави до іншої може бути описана з точки зору змінних макродержави тепло і час:

деТ- це температура іПитання- це тепловіддача в оборотному процесі, коли система рухається між двома станами.

Другий закон термодинаміки говорить, що повна ентропія Всесвіту або ізольованої системи ніколи не зменшується. У термодинаміці ізольованою системою є система, в якій ні тепло, ні речовина не можуть входити або виходити за межі системи.

Іншими словами, в будь-якій ізольованій системі (включаючи Всесвіт) зміна ентропії завжди дорівнює нулю або позитивно. Це, по суті, означає, що випадкові термодинамічні процеси, як правило, призводять до більших розладів, ніж до порядку.

Важливий акцент припадає насхилятися дочастина цього опису. Випадкові процесимоглипривести до більше порядку, ніж до безладу, не порушуючи природних законів; просто набагато рідше це трапиться.

Наприклад, з усіх мікродержав, в яких може потрапити випадково перемішана колода карт - 8,066 × 10⁶⁷ - лише один із цих варіантів дорівнює порядку, який вони мали в оригінальній упаковці. Цемоглитрапляються, але шанси дуже, дуже малі. Загалом, все природно тяжіє до безладу.

Ентропію можна сприймати як міру безладу або випадковості системи. Другий закон термодинаміки говорить, що він завжди залишається незмінним або збільшується, але ніколи не зменшується. Це прямий результат статистичної механіки, оскільки опис залежить не від надзвичайно рідкісного випадку де колода карт перемішується в ідеальний порядок, але на загальну тенденцію системи до зростання безладу.

Одним спрощеним способом мислення щодо цієї концепції є врахування того, що для змішування двох наборів об’єктів потрібно більше часу та зусиль, ніж для їх змішування. Попросіть будь-кого з батьків малюка перевірити; простіше зробити великий безлад, ніж прибрати його!

Багато інших спостережень у реальному світі "мають сенс" для нас, що відбуваються одним чином, але не іншим, оскільки вони дотримуються другого закону термодинаміки:

• Тепло надходить від предметів з більш високою температурою до предметів з нижчою температурою, а не в інший бік навколо (кубики льоду тануть, а гаряча кава, залишена на столі, поступово остигає, поки не збігається з кімнатою температура).
• Покинуті будівлі повільно руйнуються і не відновлюються.
• Куля, що котиться вздовж дитячого майданчика, сповільнюється і врешті-решт зупиняється, оскільки тертя перетворює свою кінетичну енергію в непридатну теплову енергію.
  

Другий закон термодинаміки - це лише ще один спосіб формального опису поняття стріли часу: рухаючись вперед у часі, зміна ентропії Всесвіту не може бути негативним.

Якщо порядок лише зростає, чому, здається, огляд навколо світу відкриває безліч прикладів упорядкованих ситуацій?

Поки ентропіяв ціломузавжди збільшується, локальнийзменшуєтьсяв ентропії можливі в кишенях більших систем. Наприклад, людське тіло - це дуже організована, упорядкована система - вона навіть перетворює безладний суп на вишукані кістки та інші складні структури. Однак для цього організм забирає енергію і створює відходи під час взаємодії з оточенням. Отже, навіть незважаючи на те, що людина, що робить все це, може відчувати менше ентропії у своєму тілі в кінці циклу прийому їжі / побудови частин тіла / виведення відходів,повна ентропія системи- тіло плюс все навколо - все щезбільшується​.

Подібним чином мотивована дитина могла б прибирати свою кімнату, але вони перетворювали енергію в тепло протягом процес (подумайте про власний піт і тепло, яке утворюється внаслідок тертя між предметами, що переміщуються навколо). Можливо, вони також викинули багато хаотичного сміття, можливо, розбиваючи шматки в процесі. Знову ж таки, ентропія в цілому збільшується в поштовому індексі, навіть якщо ця кімната закінчується гостротою.

У великому масштабі другий закон термодинаміки передбачає можливий результаттеплова смертьВсесвіту. Щоб не плутати із Всесвітом, що вмирає у вогняній муці, фраза точніше стосується ідеї, яка врешті-решт все корисна енергія буде перетворена в теплову енергію, або тепло, оскільки незворотний процес відбувається майже скрізь весь час. Більше того, все це тепло з часом досягне стабільної температури або теплової рівноваги, оскільки з ним нічого іншого не відбуватиметься.

Поширена помилкова думка щодо теплової смерті Всесвіту полягає в тому, що вона являє собою час, коли у Всесвіті не залишається енергії. Це не так! Швидше, він описує час, коли вся корисна енергія перетворюється на теплову енергію, яка досягла всієї тієї ж температури, як басейн, наповнений наполовину гарячою і наполовину холодною водою, а потім залишений поза всім вдень.

Другий закон може бути найгарячішим (або, принаймні, найбільш підкресленим) у вступній термодинаміці, але, як випливає з назви, він не єдиний. Інші обговорюються більш докладно в інших статтях на сайті, але ось їх короткий опис:

​Нульовий закон термодинаміки.Так названий, оскільки лежить в основі інших законів термодинаміки, нульовий закон по суті описує, що таке температура. Він стверджує, що коли дві системи перебувають у тепловій рівновазі з третьою системою, вони обов’язково також повинні знаходитися в тепловій рівновазі одна з одною. Іншими словами, усі три системи повинні мати однакову температуру. Джеймс Клерк Максвелл описав головний результат цього закону так: "Вся теплота одного виду".

​Перший закон термодинаміки.Цей закон застосовує збереження енергії до термодинаміки. У ній зазначається, що зміна внутрішньої енергії для системи дорівнює різниці між теплом, що додається в систему, і роботою, виконаною системою:

ДеUце енергія,Питанняце тепло іWце робота, все, як правило, вимірюється в джоулях (хоча іноді в Btus або калоріях).

​Третій закон термодинаміки.Цей закон визначаєабсолютний нульз точки зору ентропії. Він стверджує, що ідеальний кристал має нульову ентропію, коли його температура дорівнює абсолютному нулю, або 0 Кельвінів. Кристал повинен бути ідеально впорядкований, інакше він мав би якийсь властивий йому розлад (ентропію) у своїй структурі. При цій температурі молекули в кристалі не рухаються (що також вважається тепловою енергією або ентропією).

Зверніть увагу, що коли Всесвіт досягне остаточного стану теплової рівноваги - своєї теплової смерті - він досяг температуривищеніж абсолютний нуль.