Энтропия и второе начало

Второе начало термодинамики

Энтропия измеряет, насколько размазана или неупорядочена энергия системы. Когда теплота входит в тело, его энтропия растёт — и второе начало говорит, что полная энтропия изолированной системы никогда не убывает, только сохраняется или растёт. Поэтому теплота сама собой течёт от горячего к холодному, и двигатели никогда не превращают всю теплоту в работу.

Формула

ΔS = Q / T

  • ΔS — изменение энтропии (J/K): насколько растёт энтропия системы
  • Q — количество теплоты (J): тепловая энергия, входящая в систему
  • T — температура (K): абсолютная температура, при которой подводится теплота

Решённый пример

600 joules теплоты входит в большой бак воды, удерживаемый при постоянных 300 kelvin. На сколько растёт энтропия воды?

  • Q = 600 J
  • T = 300 K
  1. ΔS = Q / T
  2. ΔS = 600 J / 300 K

ΔS = 2 J/K

Проверьте себя

Те же 600 joules теплоты теперь входят в более холодный бак на 200 kelvin. Каково изменение энтропии?
  • 1200 J/K
  • Правильный ответ: 3 J/K
  • 0.33 J/K

Верно! ΔS = 600 Дж ÷ 200 K = 3 Дж/К. Более холодный объект получает больше энтропии от того же количества тепла.

Почему теплота течёт от горячего кофе в более холодный воздух комнаты и никогда наоборот?
  • Правильный ответ: Потому что это направление растит полную энтропию
  • Потому что это направление убывает полную энтропию
  • Потому что оба направления сохраняют энтропию точно равной

Точно — одна и та же теплота даёт больший прирост энтропии холодному воздуху, чем забирает у горячего кофе, поэтому полная энтропия растёт.

Где вы это видите

Горячий кофе остывает до комнатной температуры и никогда самопроизвольно не разогревается вновь; упавшая кружка разбивается и никогда не собирается обратно; лёд тает в вашем напитке и никогда не замерзает там снова. Каждое из этих однонаправленных повседневных событий — второе начало, показывающее своё лицо: каждое происходит именно так потому, что это направление увеличивает полную энтропию.

Частые ошибки

Отношение к энтропии как к расплывчатому синониму беспорядка скрывает настоящую арифметику: изменение — это теплота, делённая на температуру, ΔS = Q / T, поэтому 600 J, поступающие в бак при 300 K, поднимают энтропию на 2 J/K. А теперь неочевидная половина: те же 600 J в более холодном баке при 200 K дают 3 J/K — более холодный объект получает БОЛЬШЕ энтропии от той же теплоты, и именно поэтому теплота течёт от горячего к холодному и никогда обратно. Закон управляет полной энтропией изолированных систем; холодильник охлаждает своё содержимое, лишь повышая энтропию где-то ещё.

Как это связано

Второе начало — это «никогда», стоящее за двумя более ранними «никогда» этого модуля: то, что теплота течёт только от горячего к холодному (открывающий факт калориметрии), и то, что ни один двигатель не достигает полного превращения (предел Карно), — и то и другое есть бухгалтерия энтропии. Оно завершает раздел термодинамики как единственный фундаментальный закон физики со встроенным направлением времени — полная энтропия Вселенной растёт, необратимо.

Попробовать интерактивную симуляцию

Связанные концепции