Entropie și a doua lege
A doua lege a termodinamicii
Entropia măsoară cât de răspândită sau dezordonată este energia unui sistem. Ori de câte ori căldura curge într-un obiect, entropia lui urcă — iar a doua lege spune că entropia totală a unui sistem izolat nu scade niciodată, doar rămâne aceeași sau crește. De aceea căldura curde mereu singură de la fierbinte la rece și de ce motoarele nu pot transforma niciodată toată căldura lor în lucru mecanic util.
Formula
ΔS = Q / T
- ΔS — variația de entropie (J/K): cât crește entropia sistemului
- Q — căldura (J): energia termică care curge în sistem
- T — temperatura (K): temperatura absolută la care este adăugată căldura
Exemplu rezolvat
600 de jouli de căldură curg într-un rezervor mare de apă menținut la 300 kelvin constanți. Cu cât crește entropia apei?
- Q = 600 J
- T = 300 K
- ΔS = Q / T
- ΔS = 600 J / 300 K
ΔS = 2 J/K
Testează-te
Aceiași 600 de jouli de căldură curg acum într-un rezervor mai rece, la 200 kelvin. Care este variația de entropie?
- 1200 J/K
- Răspuns corect: 3 J/K
- 0.33 J/K
Corect! ΔS = 600 J ÷ 200 K = 3 J/K. Un obiect mai rece câștigă mai multă entropie pentru aceeași cantitate de căldură.
De ce curge căldura dintr-o ceașcă fierbinte de cafea în aerul mai răcoros al camerei și niciodată invers?
- Răspuns corect: Pentru că acea direcție crește entropia totală
- Pentru că acea direcție scade entropia totală
- Pentru că ambele direcții păstrează entropia exact egală
Exact — aceeași căldură produce un câștig de entropie mai mare în aerul mai rece decât entropia pe care o scoate din cafeaua fierbinte, deci entropia totală crește.
Unde vezi asta
O cafea fierbinte se răcește la temperatura camerei și nu se reîncălzește niciodată de la sine; o cană căzută se sparge și nu se reasamblează niciodată; gheața se topește în băutura ta și nu îngheață niciodată din nou acolo. Fiecare dintre aceste evenimente cotidiene cu sens unic este legea a doua arătându-și fața — fiecare se întâmplă în direcția în care se întâmplă pentru că acea direcție ridică entropia totală.
Greșeli frecvente
Tratarea entropiei ca un sinonim vag pentru dezordine ascunde aritmetica reală: variația este căldura împărțită la temperatură, ΔS = Q / T, deci 600 J care curg într-un rezervor de 300 K ridică entropia cu 2 J/K. Apoi jumătatea contraintuitivă: aceiași 600 J într-un rezervor mai rece, de 200 K, dau 3 J/K — un obiect mai rece câștigă MAI MULTĂ entropie din aceeași căldură, motiv exact pentru care căldura curge de la cald la rece și niciodată invers. Legea guvernează entropia totală a sistemelor izolate; un frigider își răcește interiorul doar ridicând entropia altundeva.
Cum se leagă
Legea a doua este „niciodată”-ul din spatele celor două „niciodată”-uri anterioare ale acestui modul: căldura care curge doar de la cald la rece (faptul de deschidere al calorimetriei) și niciun motor care nu atinge conversia completă (limita Carnot) sunt amândouă contabilitate de entropie. Ea încheie unitatea de termodinamică drept singura lege fundamentală a fizicii cu o direcție a timpului încorporată — entropia totală a universului urcă, ireversibil.