เอนโทรปีกับกฎข้อที่สอง

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

เอนโทรปีวัดว่าพลังงานของระบบกระจายหรือวุ่นวายเพียงใด เมื่อใดก็ตามที่ความร้อนไหลเข้าวัตถุ เอนโทรปีของมันขึ้น — และกฎข้อที่สองบอกว่าเอนโทรปีรวมของระบบโดดเดี่ยวไม่มีวันลดลง คงเดิมหรือเพิ่มขึ้นเท่านั้น นี่คือเหตุที่ความร้อนไหลจากร้อนไปเย็นเอง และเครื่องจักรไม่มีวันเปลี่ยนความร้อนทั้งหมดเป็นงาน

สูตร

ΔS = Q / T

• ΔS — การเปลี่ยนเอนโทรปี (J/K): เอนโทรปีของระบบเพิ่มขึ้นเท่าใด
• Q — ความร้อน (J): พลังงานความร้อนที่ไหลเข้าระบบ
• T — อุณหภูมิ (K): อุณหภูมิสัมบูรณ์ที่ความร้อนถูกเติม

ตัวอย่างที่แก้ไข

ความร้อน 600 จูล ไหลเข้าถังน้ำใหญ่ที่คงที่ 300 เคลวิน เอนโทรปีของน้ำเพิ่มขึ้นเท่าใด

• Q = 600 J
• T = 300 K

1. ΔS = Q / T
2. ΔS = 600 J / 300 K

ΔS = 2 J/K

ทดสอบความเข้าใจของคุณ

พบเห็นได้ที่ไหน

กาแฟร้อนคลายความร้อนลงจนถึงอุณหภูมิห้องแล้วไม่มีวันอุ่นกลับขึ้นมาเอง แก้วที่หลุดมือตกลงไปแตกกระจายแล้วไม่มีวันประกอบกลับรวมเป็นชิ้นเดิม น้ำแข็งในเครื่องดื่มของคุณละลายแล้วไม่มีวันกลับไปแข็งใหม่ตรงนั้น เหตุการณ์ในชีวิตประจำวันที่เป็นทางเดียวเหล่านี้ทุกเหตุการณ์ล้วนเป็นกฎข้อที่สองที่โผล่มาโชว์หน้า — แต่ละเหตุการณ์เป็นไปในทางที่มันเป็น เพราะทิศทางนั้นเพิ่มเอนโทรปีรวม

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

การมองเอนโทรปีเป็นเพียงคำพ้องความหมายกับความวุ่นวายอย่างกำกวมทำให้มองข้ามเลขคณิตตัวจริง การเปลี่ยนแปลงคือความร้อนหารด้วยอุณหภูมิ ΔS = Q / T ความร้อน 600 J ที่ไหลเข้าถังที่ 300 K จึงเพิ่มเอนโทรปีขึ้น 2 J/K ต่อมาคือครึ่งที่ขัดสัญชาตญาณ ความร้อน 600 J เดิมเข้าถังที่เย็นกว่าคือ 200 K ให้ 3 J/K — วัตถุที่เย็นกว่าได้รับเอนโทรปีเพิ่ม “มากกว่า” จากความร้อนปริมาณเดียวกัน และนี่แหละคือเหตุผลว่าทำไมความร้อนจึงไหลจากร้อนไปหาเย็นและไม่มีวันย้อนกลับ กฎข้อนี้คุมเอนโทรปีรวมของระบบโดดเดี่ยว ตู้เย็นทำให้ภายในตัวมันเย็นลงได้ก็ด้วยการเพิ่มเอนโทรปีที่อื่นเท่านั้น

เชื่อมโยงอย่างไร

กฎข้อที่สองคือคำว่าไม่มีวันที่อยู่เบื้องหลังคำว่าไม่มีวันทั้งสองคำก่อนหน้าของโมดูลนี้ ความร้อนไหลจากร้อนไปหาเย็นเท่านั้น (ข้อเท็จจริงเปิดเรื่องของแคลอรีเมตรี) และไม่มีเครื่องจักรใดไปถึงการเปลี่ยนความร้อนเป็นงานได้ทั้งหมด (ขีดจำกัดคาร์โนต์) ล้วนเป็นการทำบัญชีเอนโทรปีทั้งคู่ กฎข้อนี้ปิดหน่วยอุณหพลศาสตร์ในฐานะกฎพื้นฐานข้อเดียวของฟิสิกส์ที่มีทิศทางของเวลาฝังอยู่ในตัวเอง — เอนโทรปีรวมของจักรวาลไต่สูงขึ้น อย่างไม่อาจย้อนกลับได้

ลองการจำลองแบบโต้ตอบ

• การขยายตัวแบบอุณหภูมิคงที่ — การเปลี่ยนแปลงเอนโทรปี
• วัฏจักรคาร์โนต์แบบผันกลับได้ — เอนโทรปี

แนวคิดที่เกี่ยวข้อง

• กฎแก๊สอุดมคติ
• ความร้อนและแคลอรีเมตรี
• เครื่องจักรความร้อนกับประสิทธิภาพคาร์โนต์