Entropi & Hukum Kedua
Hukum Kedua Termodinamik
Entropi mengukur betapa tersebar atau terganggu tenaga satu sistem. Setiap kali haba mengalir masuk ke satu objek, entropinya naik -- dan hukum kedua berkata jumlah entropi satu sistem terasing tidak pernah menurun, hanya kekal sama atau membesar. Sebab itulah haba sentiasa mengalir sendiri daripada panas ke sejuk, dan mengapa enjin tidak pernah boleh menukar semua habanya menjadi kerja berguna.
Formula
ΔS = Q / T
- ΔS — perubahan entropi (J/K): berapa banyak entropi sistem meningkat
- Q — haba (J): tenaga haba yang mengalir masuk ke dalam sistem
- T — suhu (K): suhu mutlak pada mana haba ditambah
Contoh penyelesaian
600 joule haba mengalir masuk ke satu tangki air besar dipegang pada 300 kelvin tetap. Berapa banyak entropi air itu meningkat?
- Q = 600 J
- T = 300 K
- ΔS = Q / T
- ΔS = 600 J / 300 K
ΔS = 2 J/K
Uji diri anda
600 joule haba yang sama kini mengalir masuk ke satu tangki lebih sejuk pada 200 kelvin sebaliknya. Berapakah perubahan entropinya?
- 1200 J/K
- Jawapan betul: 3 J/K
- 0.33 J/K
Betul! ΔS = 600 J ÷ 200 K = 3 J/K. Objek lebih sejuk mendapat lebih banyak entropi bagi jumlah haba yang sama.
Mengapa haba mengalir daripada secawan kopi panas ke udara bilik yang lebih sejuk, dan tidak pernah sebaliknya?
- Jawapan betul: Kerana arah itu meningkatkan jumlah entropi
- Kerana arah itu menurunkan jumlah entropi
- Kerana kedua-dua arah mengekalkan entropi tepat sama
Tepat -- haba yang sama menghasilkan kenaikan entropi lebih besar dalam udara lebih sejuk daripada entropi yang dibuangnya daripada kopi panas, jadi jumlah entropi naik.
Di mana anda melihat ini
Kopi panas sejuk ke suhu bilik dan tidak pernah secara spontan memanas semula; cawan yang dijatuhkan hancur dan tidak pernah menyusun semula; ais cair dalam minuman anda dan tidak peranan membeku semula di situ. Setiap satu peristiwa harian sehala ini ialah hukum kedua menunjukkan wajahnya -- setiap satu berlaku seperti itu kerana arah itu menaikkan jumlah entropi.
Kesilapan biasa
Memperlakukan entropi sebagai sinonim kabur bagi kekacauan menyembunyikan aritmetik sebenar: perubahannya ialah haba dibahagi suhu, ΔS = Q / T, jadi 600 J mengalir masuk ke tangki 300 K menaikkan entropi sebanyak 2 J/K. Kemudian separuh yang berlawan intuisi: 600 J yang sama ke tangki lebih sejuk 200 K memberi 3 J/K -- objek lebih sejuk mendapat LEBIH entropi daripada haba yang sama, dan itulah tepatnya mengapa haba mengalir daripada panas ke sejuk dan tidak pernah kembali. Hukum itu mentadbir jumlah entropi sistem terasing; peti sejuk menyejukkan bahagian dalamnya hanya dengan menaikkan entropi di tempat lain.
Bagaimana ia bersambung
Hukum kedua ialah "tidak pernah" di sebalik dua "tidak pernah" modul ini lebih awal: haba mengalir hanya daripada panas ke sejuk (fakta pembukaan kalorimetri) dan tiada enjin mencapai penukaran penuh (had Carnot) kedua-duanya pembukubelian entropi. Ia menutup unit termodinamik sebagai satu-satunya hukum asas fizik dengan arah masa terbina dalam -- jumlah entropi alam semesta memanjat, tidak boleh balik.