Entropy & Định Luật Hai

Định Luật Hai Nhiệt Động Lực Học

Entropy đo mức độ trải rộng hoặc mất trật tự của năng lượng một hệ. Bất cứ khi nào nhiệt chảy vào một vật, entropy của nó tăng lên — và định luật hai nói rằng tổng entropy của một hệ cô lập không bao giờ giảm, chỉ giữ nguyên hoặc tăng. Đó là lý do tại sao nhiệt luôn tự chảy từ nóng sang lạnh, và tại sao động cơ không bao giờ có thể biến toàn bộ nhiệt của chúng thành công có ích.

Công thức

ΔS = Q / T

• ΔS — biến thiên entropy (J/K): entropy của hệ tăng lên bao nhiêu
• Q — nhiệt (J): nhiệt lượng chảy vào hệ
• T — nhiệt độ (K): nhiệt độ tuyệt đối tại đó nhiệt được thêm vào

Ví dụ đã giải

600 jun nhiệt chảy vào một bể nước lớn được giữ ổn định ở 300 Kelvin. Entropy của nước tăng lên bao nhiêu?

• Q = 600 J
• T = 300 K

1. ΔS = Q / T
2. ΔS = 600 J / 300 K

ΔS = 2 J/K

Tự kiểm tra

Bạn thấy điều này ở đâu

Một ly cà phê nóng nguội xuống nhiệt độ phòng và không bao giờ tự nóng lại; một chiếc cốc rơi xuống vỡ vụn và không bao giờ tự lắp lại; đá tan trong thức uống của bạn và không bao giờ tự đóng băng lại ở đó. Mỗi sự kiện một chiều thường ngày như thế đều là định luật hai lộ diện — sự kiện nào cũng diễn ra theo cách nó diễn ra vì hướng ấy làm tăng tổng entropy.

Những sai lầm phổ biến

Coi entropy như một từ đồng nghĩa mơ hồ cho sự lộn xộn sẽ che mất phép tính thực tế: biến thiên entropy bằng nhiệt lượng chia cho nhiệt độ, ΔS = Q / T, nên 600 J chảy vào một bể 300 K làm entropy tăng thêm 2 J/K. Rồi phần phản trực giác: cũng 600 J đó chảy vào một bể mát hơn ở 200 K thì cho 3 J/K — một vật mát hơn nhận được NHIỀU HƠN entropy từ cùng lượng nhiệt, và đó chính xác là lý do nhiệt chảy từ nóng sang lạnh và không bao giờ ngược lại. Định luật chi phối tổng entropy của các hệ cô lập; một cái tủ lạnh chỉ làm lạnh được phần bên trong của nó bằng cách làm tăng entropy ở nơi khác.

Nó liên kết như thế nào

Định luật hai chính là lời “không bao giờ” đứng sau hai lời “không bao giờ” trước đó của mô-đun này: nhiệt chỉ chảy từ nóng sang lạnh (sự thật mở đầu của bài nhiệt lượng kế) và không có động cơ nào đạt được sự chuyển đổi hoàn toàn (giới hạn Carnot) đều là phép ghi sổ entropy cả. Nó khép lại chương nhiệt động lực học với tư cách là định luật cơ bản duy nhất của vật lý có sẵn một chiều của thời gian — tổng entropy của vũ trụ leo dần lên, không thể đảo ngược.

Thử mô phỏng

• Giãn nở đẳng nhiệt — thay đổi entropy
• Chu trình Carnot thuận nghịch — entropy

Các khái niệm liên quan

• Phương Trình Trạng Thái Khí Lý Tưởng
• Nhiệt & Nhiệt Lượng Kế
• Động Cơ Nhiệt & Hiệu Suất Carnot