Entropija i drugi zakon
Drugi zakon termodinamike
Entropija mjeri koliko je raširena ili neuređena energija sustava. Kad god toplina uđe u objekt, njegova entropija raste — a drugi zakon kaže da se ukupna entropija izoliranog sustava nikad ne smanjuje, samo ostaje ista ili raste. Zato toplina uvijek sama teče s vrućeg na hladno, i zato strojevi nikad ne mogu pretvoriti svu svoju toplinu u koristan rad.
Formula
ΔS = Q / T
- ΔS — promjena entropije (J/K): koliko entropija sustava raste
- Q — toplina (J): toplinska energija koja teče u sustav
- T — temperatura (K): apsolutna temperatura pri kojoj se toplina dodaje
Riješeni primjer
600 džula topline teče u veliki spremnik vode držan na stalnih 300 kelvina. Koliko raste entropija vode?
- Q = 600 J
- T = 300 K
- ΔS = Q / T
- ΔS = 600 J / 300 K
ΔS = 2 J/K
Testiraj se
Isti 600 džula topline sada teče u hladniji spremnik na 200 kelvina. Koja je promjena entropije?
- 1200 J/K
- Točan odgovor: 3 J/K
- 0.33 J/K
Točno! ΔS = 600 J ÷ 200 K = 3 J/K. Hladniji objekt dobiva više entropije za istu količinu topline.
Zašto toplina teče iz vruće šalice kave u hladniji zrak sobe, a nikad obrnuto?
- Točan odgovor: Jer taj smjer povećava ukupnu entropiju
- Jer taj smjer smanjuje ukupnu entropiju
- Jer oba smjera drže entropiju točno jednako
Upravo tako — ista toplina daje veći prirast entropije u hladnijem zraku nego što odnosi iz vruće kave, pa ukupna entropija raste.
Gdje ovo vidiš
Vruća kava hladi se na sobnu temperaturu i nikad se sama ne ponovno grije; ispuštena šalica razbije se i nikad se ne sastavi; led se topi u tvom piću i nikad se tamo ne ponovno ledi. Svaki od ovih jednosmjernih svakodnevnih događaja jest drugi zakon koji pokazuje lice — svaki se događa kako se događa jer taj smjer diže ukupnu entropiju.
Česte greške
Tretiranje entropije kao maglovitog sinonima za nered skriva stvarnu aritmetiku: promjena je toplina podijeljena temperaturom, ΔS = Q / T, pa 600 J koje teče u spremnik od 300 K diže entropiju za 2 J/K. Zatvrda protuintuitivna polovica: istih 600 J u hladniji spremnik od 200 K daje 3 J/K — hladniji objekt dobiva VIŠE entropije od iste topline, što je upravo zašto toplina teče s vrućeg na hladno i nikad natrag. Zakon vlada ukupnom entropijom izoliranih sustava; rashladni uređaj hladi svoju unutrašnjost samo dižući entropiju drugdje.
Kako se povezuje
Drugi zakon jest „nikad“ iza dva ranija „nikad“ ovog modula: toplina koja teče samo s vrućeg na hladno (uvodna činjenica kalorimetrije) i nijedan stroj koji ne dostiže punu pretvorbu (Carnotova granica) oba su knjigovodstvo entropije. Zatvara jedinicu termodinamike kao jedini fundamentalni zakon fizike s ugrađenim smjerom vremena — ukupna entropija svemira penje se, nepovratno.