Entropija un otrais likums
Termodinamikas otrais likums
Entropija mēra, cik izkliedēta vai nesakārtota sistēmas enerģija ir. Kad vien siltums ieplūst ķermenī, tā entropija ceļas — un otrais likums saka, ka izolētas sistēmas kopējā entropija nekad nesamazinās, tikai paliek tas pats vai aug. Tāpēc siltums vienmēr plūst no karstā uz auksto pats no sevis, un tāpēc dzinēji nekad nevar pārvērst visu savu siltumu noderīgā darbā.
Formula
ΔS = Q / T
- ΔS — entropijas izmaiņa (J/K): cik daudz sistēmas entropija pieaug
- Q — siltums (J): siltuma enerģija, kas plūst sistēmā
- T — temperatūra (K): absolūtā temperatūra, pie kuras siltums tiek pievienots
Izrēķināts piemērs
600 džouli siltuma ieplūst lielā ūdens tvertnē, noturētā stabili 300 kelvini. Cik daudz ūdens entropija pieaug?
- Q = 600 J
- T = 300 K
- ΔS = Q / T
- ΔS = 600 J / 300 K
ΔS = 2 J/K
Pārbaudi sevi
Tie paši 600 džouli siltuma tagad ieplūst vēsākā tvertnē 200 kelvini tā vietā. Kāda ir entropijas izmaiņa?
- 1200 J/K
- Pareizā atbilde: 3 J/K
- 0.33 J/K
Pareizi! ΔS = 600 J ÷ 200 K = 3 J/K. Vēsāks ķermenis iegūst vairāk entropijas par to pašu siltuma daudzumu.
Kāpēc siltums plūst no karstas kafijas tases vēsākajā istabas gaisā, un nekad otrādi?
- Pareizā atbilde: Tāpēc, ka šis virziens palielina kopējo entropiju
- Tāpēc, ka šis virziens samazina kopējo entropiju
- Tāpēc, ka abi virzieni notur entropiju tieši vienādu
Tieši tā — tas pats siltums rada lielāku entropijas ieguvumu vēsākajā gaisā nekā entropiju, ko tas noņem no karstās kafijas, tāpēc kopējā entropija ceļas.
Kur tu to redzi
Karsta kafija atdziest līdz istabas temperatūrai un nekad spontāni neuzsilstas; nomesta krūze saplīst un nekad nesaliekas atpakaļ; ledus kūst tavā dzērienā un nekad tur atkūst. Katrs no šiem vienvirziena ikdienas notikumiem ir otrais likums rādīdams savu seju — katrs notiek tā, kā tas notiek, tāpēc ka šis virziens ceļ kopējo entropiju.
Biežākās kļūdas
Izturēšanās pret entropiju kā neskaidru sinonīmu nekārtībai slēpj īstos aritmētikas rēķinus: izmaiņa ir siltums dalīts ar temperatūru, ΔS = Q / T, tāpēc 600 J, ieplūstot 300 K tvertnē, ceļ entropiju par 2 J/K. Tad pretintuīciskā puse: tie paši 600 J vēsākā 200 K tvertnē dod 3 J/K — vēsāks ķermenis iegūst VAIRĀK entropijas no tā paša siltuma, kas ir tieši tas, kāpēc siltums plūst no karstā uz auksto un nekad atpakaļ. Likums pārvalda izolētu sistēmu kopējo entropiju; ledusskapis atdzesē savu iekšpusi tikai ceļot entropiju citur.
Kā tas savienojas
Otrais likums ir „nekad” aiz šī moduļa diviem agrākajiem „nekad”: siltums plūst tikai no karstā uz auksto (kalorimetrijas atklāšanas fakts) un neviena mašīna nesasniedz pilnu pārvēršanu (Karno robeža) — abi ir entropijas grāmatvedība. Tas noslēdz termodinamikas bloku kā fizikas vienīgais fundamentālais likums ar iebūvētu laika virzienu — visuma kopējā entropija kāpj, neatgriezeniski.