Entrópia és a második főtétel
A termodinamika második főtétele
Az entrópia azt méri, mennyire elosztott vagy rendezetlen egy rendszer energiája. Amikor hő áramlik egy tárgyba, az entrópiája nő — és a második főtétel szerint egy izolált rendszer teljes entrópiája soha nem csökken, csak ugyanaz marad vagy nő. Ezért áramlik a hő mindig magától a forróból a hidegbe, és ezért nem tud egyetlen gép sem az összes hőjét hasznos munkává alakítani.
A képlet
ΔS = Q / T
- ΔS — entrópiaváltozás (J/K): mennyivel nő a rendszer entrópiája
- Q — hő (J): a rendszerbe áramló hőenergia
- T — hőmérséklet (K): az abszolút hőmérséklet, amelyen a hőt hozzáadjuk
Megoldott példa
600 joule hő áramlik egy nagy víztartályba, amelyet állandó 300 kelvinen tartanak. Mennyivel nő a víz entrópiája?
- Q = 600 J
- T = 300 K
- ΔS = Q / T
- ΔS = 600 J / 300 K
ΔS = 2 J/K
Teszteld magad
Ugyanez a 600 joule hő most egy hűvösebb, 200 kelvinos tartályba áramlik. Mekkora az entrópiaváltozás?
- 1200 J/K
- Helyes válasz: 3 J/K
- 0.33 J/K
Helyes! ΔS = 600 J ÷ 200 K = 3 J/K. A hűvösebb tárgy több entrópiát nyer ugyanannyi hőből.
Miért áramlik a hő egy forró csésze kávéból a szoba hűvösebb levegőjébe, és soha fordítva?
- Helyes válasz: Mert az az irány növeli a teljes entrópiát
- Mert az az irány csökkenti a teljes entrópiát
- Mert mindkét irány pontosan ugyanannyira tartja az entrópiát
Pontosan — ugyanaz a hő nagyobb entrópianyereséget ad a hűvösebb levegőben, mint amennyit elvesz a forró kávéból, így a teljes entrópia nő.
Hol találkozol vele
Egy forró kávé lehűl szobahőmérsékletre, és soha nem melegszik fel magától újra; egy leejtett bögre összetörik, és soha nem áll össze újra; a jég elolvad az italodban, és soha nem fagy vissza ott. Minden egyes ilyen egyirányú, hétköznapi esemény a második főtétel megmutatkozása — mindegyik azért történik úgy, ahogy történik, mert az az irány növeli a teljes entrópiát.
Gyakori hibák
Az entrópiát a rendezetlenség homályos szinonimájaként kezelni elrejti a tényleges számtant: a változás hő osztva hőmérséklettel, ΔS = Q / T, így 600 J, amely egy 300 K-es tartályba áramlik, 2 J/K-vel növeli az entrópiát. Aztán az intuíció-ellenes fele: ugyanaz a 600 J egy hűvösebb, 200 K-es tartályba 3 J/K-t ad — egy hűvösebb tárgy TÖBB entrópiát nyer ugyanattól a hőtől, ami pontosan az oka annak, hogy a hő forróból hidegbe áramlik, és soha nem fordítva. A törvény izolált rendszerek teljes entrópiáját szabályozza; egy hűtőszekrény csak úgy hűti a belsejét, hogy máshol növeli az entrópiát.
Hogyan kapcsolódik
A második főtétel a soha, amely e modul két korábbi soha-ja mögött áll: a hő csak forróból hidegbe áramlik (a kalorimetria nyitó ténye), és egyetlen gép sem éri el a teljes átalakítást (a Carnot-korlát) — mindkettő entrópia-elszámolás. Ez zárja le a hőtan egységet, mint fizika egyetlen alaptörvényét, amelybe be van építve az idő iránya — a világegyetem teljes entrópiája folyamatosan nő, visszafordíthatatlanul.