Entropia ja toinen laki
Termodynamiikan toinen laki
Entropia mittaa, kuinka levittäytynyt tai epäjärjestäytynyt järjestelmän energia on. Aina kun lämpö virtaa kappaleeseen, sen entropia nousee – ja toinen laki sanoo, että eristyneen järjestelmän kokonaisentropia ei koskaan laske, vain pysyy samana tai kasvaa. Siksi lämpö virtaa aina kuumasta kylmään omatoimisesti, ja siksi moottorit eivät koskaan voi muuntaa kaikkea lämpöään hyödylliseksi työksi.
Kaava
ΔS = Q / T
- ΔS — entropian muutos (J/K): kuinka paljon järjestelmän entropia kasvaa
- Q — lämpö (J): järjestelmään virtaava lämpöenergia
- T — lämpötila (K): absoluuttinen lämpötila, jolla lämpö lisätään
Ratkaistu esimerkki
600 joulea lämpöä virtaa suureen vesialtaaseen, joka pidetään vakaassa 300 kelvinissä. Kuinka paljon veden entropia kasvaa?
- Q = 600 J
- T = 300 K
- ΔS = Q / T
- ΔS = 600 J / 300 K
ΔS = 2 J/K
Testaa itseäsi
Samat 600 joulea lämpöä virtaa nyt viileämpään altaaseen arvossa 200 kelvinää sen sijaan. Mikä entropian muutos on?
- 1200 J/K
- Oikea vastaus: 3 J/K
- 0.33 J/K
Oikein! ΔS = 600 J ÷ 200 K = 3 J/K. Viileämpi kappale saa enemmän entropiaa samasta lämpömäärästä.
Miksi lämpö virtaa kuumasta kahvikupista huoneen viileämpään ilmaan, eikä koskaan toisin päin?
- Oikea vastaus: Koska tuo suunta kasvattaa kokonaisentropiaa
- Koska tuo suunta pienentää kokonaisentropiaa
- Koska molemmat suunnat pitävät entropian täsmälleen yhtä suurena
Täsmälleen – sama lämpö tuottaa suuremman entropiavoiton viileämmässä ilmassa kuin entropian, jonka se poistaa kuumasta kahvista, joten kokonaisentropia nousee.
Missä tätä näkee
Kuuma kahvi jäähtyy huoneenlämpöiseksi eikä koskaan lämpene omatoimisesti uudelleen; pudotettu mug särkyy eikä koskaan kokoannu; jää sulaa juomassasi eikä koskaan jäätyy uudelleen siellä. Jokainen näistä yksisuuntaisista arjen tapahtumista on toinen laki näyttämässä kasvonsa – kumpikin tapahtuu niin kuin tapahtuu, koska tuo suunta nostaa kokonaisentropiaa.
Yleiset virheet
Entropian käsitteleminen epämääräisenä epäjärjestyksen synonyyminä kätkee todellisen aritmetiikan: muutos on lämpö jaettuna lämpötilalla, ΔS = Q / T, joten 600 J virtaamisesta 300 K altaaseen nostaa entropiaa arvolla 2 J/K. Sitten vastatarkoituksellinen puoli: samat 600 J viileämpään 200 K altaaseen antaa 3 J/K – viileämpi kappale saa ENEMMÄN entropiaa samasta lämmöstä, juuri siksi lämpö virtaa kuumasta kylmään eikä koskaan takaisin. Laki hallitsee eristyneiden järjestelmien kokonaisentropiaa; jääkaappi jäähdyttää sisätilaansa vain nostamalla entropiaa muualla.
Miten tämä kytkeytyy
Toinen laki on ei sanan takana tämän moduulin kahdessa aiemmassa ei-sanassa: lämpö virtaava vain kuumasta kylmään (kalorimetrian avaustosiasia) ja mikään moottori saavuttamassa täyttä muunnosta (Carnot-raja) ovat molemmat entropian kirjanpitoa. Se sulkee termodynamiikan yksikön fysiikan ainoana perustavana lakina sisäänrakennetulla ajan suunnalla – maailmankaikkeuden kokonaisentropia kiipeää, käänteisesti.