Entropija ir antrasis dėsnis
Antrasis termodinamikos dėsnis
Entropija matuoja, kaip išsklaidyta ar netvarkinga yra sistemos energija. Kai šiluma teka į objektą, jo entropija kyla — o antrasis dėsnis sako, kad izoliuotos sistemos bendroji entropija niekada nemažėja, tik lieka ta pati arba auga. Todėl šiluma visada savaime teka iš karšto į šaltą, ir todėl varikliai niekada negali paversti visos savo šilumos naudingu darbu.
Formulė
ΔS = Q / T
- ΔS — entropijos pokytis (J/K): kiek sistemos entropija padidėja
- Q — šiluma (J): šilumos energija, tekanti į sistemą
- T — temperatūra (K): absoliučioji temperatūra, ties kuria šiluma pridedama
Išnagrinėtas pavyzdys
600 džaulių šilumos teka į didelį vandens baką, laikomą pastovioje 300 kelvinų temperatūroje. Kiek vandens entropija padidėja?
- Q = 600 J
- T = 300 K
- ΔS = Q / T
- ΔS = 600 J / 300 K
ΔS = 2 J/K
Pasitikrink
Tie patys 600 džaulių šilumos dabar teka į vėsesnį baką 200 kelvinų vietoj. Koks entropijos pokytis?
- 1200 J/K
- Teisingas atsakymas: 3 J/K
- 0.33 J/K
Teisingai! ΔS = 600 J ÷ 200 K = 3 J/K. Vėsesnis objektas gauna daugiau entropijos už tą patį šilumos kiekį.
Kodėl šiluma teka iš karštos kavos puodelio į vėsesnį kambario orą ir niekada atvirkščiai?
- Teisingas atsakymas: Nes ta kryptis didina bendrąją entropiją
- Nes ta kryptis mažina bendrąją entropiją
- Nes abi kryptys laiko entropiją tiksliai lygią
Būtent — ta pati šiluma gamina didesnį entropijos padidėjimą vėsesniame ore, nei entropijos ji pašalina iš karštos kavos, tad bendroji entropija kyla.
Kur tai matai
Karšta kava atvėsta iki kambario temperatūros ir niekada savaime vėl neįkaista; numestas puodelis sudūžta ir niekada vėl susirenka; ledas ištirpsta tavo gėrime ir niekada ten vėl neužšąla. Kiekvienas iš šių vienkrypčių kasdienių įvykių yra antrasis dėsnis, rodantis savo veidą — kiekvienas atsitinka taip, kaip atsitinka, nes ta kryptis kelia bendrąją entropiją.
Dažnos klaidos
Elgtis su entropija kaip miglotu netvarkos sinonimu slepia faktinę aritmetiką: pokytis yra šiluma, padalinta iš temperatūros, ΔS = Q / T, tad 600 J, tekantys į 300 K baką, kelia entropiją 2 J/K. Tada kontrintuityvi pusė: tie patys 600 J į vėsesnį 200 K baką duoda 3 J/K — vėsesnis objektas gauna DAUGIAU entropijos iš tos pačios šilumos, būtent todėl šiluma teka iš karšto į šaltą ir niekada atgal. Dėsnis valdo izoliuotų sistemų bendrąją entropiją; šaldytuvas vėsina savo vidų tik keldamas entropiją kitur.
Kaip tai siejasi
Antrasis dėsnis yra tas „niekada“, stovintis už dviejų šio modulio ankstesnių niekada: šiluma, tekanti tik iš karšto į šaltą (kalorimetrijos atidaromasis faktas) ir joks variklis nepasiekiąs pilno paverčio (Karno riba) abu yra entropijos apskaita. Jis uždaro termodinamikos skyrių kaip vienintelis fundamentalusis fizikos dėsnis su įmontuota laiko kryptimi — visatos bendroji entropija kopia, negrįžtamai.