Entropia a druhý zákon
Druhý termodynamický zákon
Entropia meria, ako rozptýlená alebo neusporiadaná je energia sústavy. Vždy, keď teplo vtečie do objektu, jeho entropia stúpa — a druhý zákon hovorí, že celková entropia izolovanej sústavy nikdy neklesá, len zostáva rovnaká alebo rastie. Preto teplo vždy tečie z tepla do studena samo a preto motory nikdy nemôžu premeniť všetko svoje teplo na užitočnú prácu.
Vzorec
ΔS = Q / T
- ΔS — zmena entropie (J/K): o koľko entropia sústavy stúpa
- Q — teplo (J): teplá energia pritekajúca do sústavy
- T — teplota (K): absolútna teplota, pri ktorej sa teplo pridáva
Riešený príklad
600 joulov tepla vtečie do veľkej nádrže vody držanej na stálych 300 kelvinoch. O koľko stúpne entropia vody?
- Q = 600 J
- T = 300 K
- ΔS = Q / T
- ΔS = 600 J / 300 K
ΔS = 2 J/K
Skontroluj sa
Tých istých 600 joulov tepla teraz vtečie do chladnejšej nádrže na 200 kelvinoch. Aká je zmena entropie?
- 1200 J/K
- Správna odpoveď: 3 J/K
- 0.33 J/K
Správne! ΔS = 600 J ÷ 200 K = 3 J/K. Chladnejší objekt získa viac entropie za to isté množstvo tepla.
Prečo teplo tečie z horúceho hrnčeku kávy do chladnejšieho vzduchu miestnosti a nikdy naopak?
- Správna odpoveď: Pretože ten smer zvyšuje celkovú entropiu
- Pretože ten smer znižuje celkovú entropiu
- Pretože oba smery držia entropiu presne rovnakú
Presne — to isté teplo produkuje väčší zisk entropie v chladnejšom vzduchu, než je entropia, ktorú odoberá horúcej káve, takže celková entropia rastie.
Kde to vidíš
Horúca káva sa vychladí na izbovú teplotu a nikdy sa samovoľne nezohreje; pustený hrnček sa rozbije a nikdy sa nezloží; ľad sa v tvojom nápoji roztopí a nikdy sa tam nevytvorí znova. Každý z týchto jednosmerných každodenných javov je druhý zákon ukazujúci tvár — každý sa deje tým spôsobom, akým sa deje, pretože ten smer zvyšuje celkovú entropiu.
Časté chyby
Zaobchádzanie s entropiou ako s neurčitým synonymom neporiadku skrýva skutočnú aritmetiku: zmena je teplo delené teplotou, ΔS = Q / T, takže 600 J pritekajúcich do nádrže 300 K zvyšuje entropiu o 2 J/K. Potom protiintuitívna polovica: tie istých 600 J do chladnejšej nádrže 200 K dáva 3 J/K — chladnejší objekt získa VIAC entropie z toho istého tepla, čo je presne dôvod, prečo teplo tečie z tepla do studena a nikdy späť. Zákon riadi celkovú entropiu izolovaných sústav; chladnička ochladzuje svoj interiér len tým, že zvyšuje entropiu inde.
Ako to súvisí
Druhý zákon je „nikdy“ za dvoma skôršími „nikdy“ tohto modulu: teplo tečúce len z tepla do studena (úvodný fakt kalorimetrie) a žiadny motor nedosahujúci plnú premenu (Carnotov limit) sú obe účtovníctvo entropie. Zatvára jednotku termodynamiky ako jediný fundamentálny zákon fyziky s vstavaným smerom času — celková entropia vesmíru stúpa, nevratne.