Entropija in drugi zakon

Drugi zakon termodinamike

Entropija meri, kako razprta ali neurejena je energija sistema. Kadar koli toplota steče v telo, njegova entropija gre gor — in drugi zakon pravi, da skupna entropija izoliranega sistema nikoli ne pade, le ostane ista ali raste. Zato toplota vedno sama teče iz vročega v hladno in zakaj stroji nikoli ne morejo pretvoriti vse svoje toplote v uporabno delo.

Formula

ΔS = Q / T

  • ΔS — sprememba entropije (J/K): koliko se entropija sistema poveča
  • Q — toplota (J): toplotna energija, ki teče v sistem
  • T — temperatura (K): absolutna temperatura, pri kateri se toplota doda

Rešen primer

600 joulov toplote steče v velik rezervoar vode, držan pri stalnih 300 kelvinih. Koliko se entropija vode poveča?

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

ΔS = 2 J/K

Preizkusi se

Ista toplota 600 joulov sedaj steče v hladnejši rezervoar pri 200 kelvinih. Katera je sprememba entropije?
  • 1200 J/K
  • Pravilen odgovor: 3 J/K
  • 0.33 J/K

Prav! ΔS = 600 J ÷ 200 K = 3 J/K. Hladnejše telo pridobi več entropije za isto količino toplote.

Zakaj toplota teče iz vroče skodelice kave v hladnejši zrak sobe in nikoli obratno?
  • Pravilen odgovor: Ker ta smer poveča skupno entropijo
  • Ker ta smer zmanjša skupno entropijo
  • Ker obe smeri držita entropijo točno enaki

Točno — ista toplota proizvede večji prirastek entropije v hladnejšem zraku, kot je entropija, ki jo odvzame vroči kavi, torej skupna entropija raste.

Kje to vidiš

Vroča kava se ohladi na sobno temperaturo in se nikoli spontano znova segreje; spuščena skodelica se razbije in se nikoli znova sestavi; led se stopi v tvoji pijači in se tam nikoli znova zamrzne. Vsak od teh enosmernih vsakdanjih dogodkov je drugi zakon, ki kaže obraz — vsak se zgodi tako, kot se, ker ta smer dviguje skupno entropijo.

Pogoste napake

Obravnavanje entropije kot vaga sinhonima za nered skrije dejansko aritmetiko: sprememba je toplota deljena s temperaturo, ΔS = Q / T, torej 600 J, ki steče v rezervoar 300 K, dvigne entropijo za 2 J/K. Nato protivintuitivna polovica: istih 600 J v hladnejši rezervoar 200 K da 3 J/K — hladnejše telo pridobi VEČ entropije od iste toplote, kar je točno zato, zakaj toplota teče iz vročega v hladno in nikoli nazaj. Zakon vlada skupni entropiji izoliranih sistemov; hladilnik hladi svojo notranjost le z dvigovanjem entropije drugje.

Kako se povezuje

Drugi zakon je „nikoli« za oba prejšnja „nikoli« tega modula: toplota, ki teče samo iz vročega v hladno (uvodno dejstvo kalorimetrije) in noben stroj, ki doseže polno pretvorbo (Carnotova meja), sta obe entropijsko knjigovodstvo. Zapira sklop termodinamike kot edini temeljni zakon fizike z vgrajeno smerjo časa — skupna entropija vesolja pleza, nepovratno.

Preizkusi interaktivno simulacijo

Sorodni koncepti