Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Anden lov om termodynamik: definition, ligning og eksempler

Et sandslot på stranden smuldrer langsomt, når dagen går videre. Men nogen, der er vidne til det modsatte - sand, der spontant springer ind i form af et slot - ville sige, at de må være ved at se en optagelse, ikke virkelighed. Tilsvarende svarer et glas iste, hvor terningerne smelter over tid, til vores forventninger, men ikke et glas væske, hvor isterninger spontant dannes.

Grunden til, at nogle naturlige processer ser ud til at være fornuftige, der sker fremad i tid, men ikke baglæns i tiden, har at gøre med den anden lov om termodynamik. Denne vigtige lov er den eneste fysiske beskrivelse af universet, der afhænger af, at tiden har en bestemt retning, hvor vi kun kan bevæge os fremad.

I modsætning hertil er Newtons love eller kinematik ligninger, begge brugt til at beskrive bevægelsen af genstande, arbejde lige godt, uanset om en fysiker beslutter at analysere en fodboldbue, når den bevæger sig fremad eller omvendt. Dette er grunden til, at den anden lov om termodynamik undertiden også kaldes "tidens pil."
Mikrostater og makrostater.

Statistisk mekanik er den gren af fysik, der relaterer mikroskopisk opførsel, såsom bevægelse af luftmolekyler i et lukket rum til efterfølgende makroskopiske observationer, såsom rumets samlede temperatur. Med andre ord, at forbinde, hvad et menneske direkte kunne observere til de utallige usynlige spontane processer, der tilsammen får det til at ske.

Et mikrostat er et muligt arrangement og energifordeling af alle molekylerne i et lukket termodynamisk system. For eksempel kan et mikrostat beskrive placeringen og kinetisk energi for hvert sukker og vandmolekyle inde i en termos af varm chokolade.

Et makrostat er på den anden side sættet af alle mulige mikrostater i et system: alle mulige måder, hvor sukker og vandmolekyler inde i termosen kunne arrangeres. Den måde, en fysiker beskriver et makrostat på, er ved at bruge variabler som temperatur, tryk og volumen.

Dette er nødvendigt, fordi antallet af mulige mikrostater i en given makrostat er alt for stort til at håndtere. Et rum ved 30 grader Celsius er en nyttig måling, selvom det at vide, at det er 30 grader, ikke afslører de specifikke egenskaber for hvert luftmolekyle i rummet.

Selvom makrostater generelt bruges, når man taler om termodynamik, er forståelse af mikrostater relevant, da de beskriver de underliggende fysiske mekanismer, der fører til de større målinger.
Hvad er entropi?

Entropi er ofte beskrevet i ord som et mål for mængden af forstyrrelse i et system. Denne definition blev først foreslået af Ludwig Boltzmann i 1877.

Med hensyn til termodynamik kan den defineres mere specifikt som mængden af termisk energi i et lukket system, der ikke er tilgængeligt til at udføre nyttigt arbejde.

Omdannelse af nyttig energi til termisk energi er en irreversibel proces. På grund af dette følger det, at den samlede mængde entropi i et lukket system - inklusive universet som helhed - kun kan øges
.

Dette koncept forklarer, hvordan entropi relaterer sig til den retning tiden flyder. Hvis fysikere var i stand til at tage flere øjebliksbilleder af et lukket system med dataene om, hvor meget entropi der var i hver enkelt, kunne de sætte dem i tidsorden efter "tidens pil" - gå fra mindre til mere entropi.

For at blive meget mere teknisk, matematisk, er entropien til et system defineret med følgende formel, som Boltzmann også kom med:

S \u003d k × ln (Y)

hvor Y
er antallet af mikrostater i systemet (antallet af måder, systemet kan bestilles), k
er Boltzmann-konstanten (fundet ved at dele den ideelle gaskonstant med Avogadros konstant: 1.380649 × 10 −23 J /K) og ln
er den naturlige logaritme (en logaritme til basen e
).

Den vigtigste afhentning fra dette formel er at vise, at når antallet af mikrostater, eller måder at bestille et system øger, dets entropi også.

Ændringen i entropi af et system, når det flytter fra et makrostat til et andet, kan beskrives med hensyn til makrosta te variabler varme og tid:
\\ Delta S \u003d \\ int \\ dfrac {dQ} {T}

hvor T
er temperatur og Q
er varmeoverførslen i en reversibel proces, når systemet bevæger sig mellem to tilstande.
Den anden lov om termodynamik

Den anden lov om termodynamik siger, at universets samlede entropi eller et isoleret system aldrig falder. Inden for termodynamik er et isoleret system et system, hvor hverken varme eller stof kan komme ind eller ud af systemets grænser.

Med andre ord, i ethvert isoleret system (inklusive universet) er entropiændring altid nul eller positiv. Hvad dette i det væsentlige betyder, er, at tilfældige termodynamiske processer har en tendens til at føre til mere forstyrrelse end orden.

En vigtig vægt falder på en tendens til en del af beskrivelsen. Tilfældige processer kan
føre til mere orden end forstyrrelse uden at overtræde naturlove; det er meget langt mindre sandsynligt, at det sker.

For eksempel af alle mikrostater, hvor et tilfældigt blandet kortstykke kunne ende - 8.066 × 10 67 - kun en af disse muligheder er lig med den rækkefølge, de havde i den originale pakke. Det kunne
ske, men oddsene er meget, meget små. I det store og hele en tendens til alt naturligt mod uorden.
Betydningen af den anden lov om termodynamik