• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Andra lagen för termodynamik: Definition, ekvation och exempel

    Ett sandslott på stranden smuldrar långsamt när dagen går vidare. Men någon som bevittnar det omvända - sand som spontant hoppar i form av ett slott - skulle säga att de måste titta på en inspelning, inte verklighet. På liknande sätt matchar ett glas iste i vilket kuberna smälter över tiden, men inte ett glas vätska i vilket isbitar spontant bildas.

    Anledningen till att vissa naturliga processer verkar vara vettiga att hända framåt i tid men inte bakåt i tid har att göra med termodynamikens andra lag. Denna viktiga lag är den enda fysiska beskrivningen av universum som beror på att tiden har en viss riktning, där vi bara kan röra oss framåt.

    I motsats, Newtons lagar eller kinematikekvationerna, båda används för att beskriva rörelsen av föremål, fungera lika bra oavsett om en fysiker beslutar att analysera en fotbollsbåge när den rör sig framåt eller i motsatt riktning. Det är därför termodynamikens andra lag ibland även kallas "tidens pil."
    Mikrostater och makrostater.

    Statistisk mekanik är den gren av fysik som hänför sig till mikroskopisk skala, såsom rörelse av luftmolekyler i ett stängt rum, till efterföljande makroskopiska observationer, såsom rumets totala temperatur. Med andra ord, koppling av vad en människa direkt kunde observera till de otaliga osynliga spontana processer som tillsammans får det att hända.

    En mikrostat är ett möjligt arrangemang och energifördelning av alla molekylerna i ett slutet termodynamiskt system. Till exempel kan en mikrostat beskriva placeringen och den kinetiska energin för varje socker och vattenmolekyl i en termos av varm choklad.

    En makrostat är å andra sidan uppsättningen av alla möjliga mikrostater i ett system: alla möjliga sätt som socker och vattenmolekyler inuti termos kan ordnas. Hur fysiker beskriver en makrostat är att använda variabler som temperatur, tryck och volym.

    Detta är nödvändigt eftersom antalet möjliga mikrostater i en given makrostat är alltför stort för att hantera. Ett rum på 30 grader är en användbar mätning, men att veta att det är 30 grader avslöjar inte de specifika egenskaperna för varje luftmolekyl i rummet.

    Även om makrostater vanligtvis används när man talar om termodynamik, förstår mikrostater relevant eftersom de beskriver de underliggande fysiska mekanismerna som leder till de större mätningarna.
    Vad är Entropy?

    Entropi beskrivs ofta i ord som ett mått på mängden störning i ett system. Denna definition föreslogs först av Ludwig Boltzmann 1877.

    När det gäller termodynamik kan den definieras mer specifikt som mängden termisk energi i ett slutet system som inte är tillgängligt för att göra användbart arbete.

    Omvandling av användbar energi till termisk energi är en irreversibel process. På grund av detta följer att den totala mängden entropi i ett slutet system - inklusive universum som helhet - bara kan öka .

    Detta begrepp förklarar hur entropi relaterar till den riktning som tiden flyter. Om fysiker kunde ta flera ögonblicksbilder av ett slutet system med uppgifterna om hur mycket entropi som var i var och en, kunde de sätta dem i tidsordning efter "tidens pil" - gå från mindre till mer entropi.

    För att bli mycket mer teknisk, matematiskt, definieras systemets entropi med följande formel, som Boltzmann också kom med:

    S \u003d k × ln (Y)

    där Y
    är antalet mikrostater i systemet (antalet sätt systemet kan beställas), k
    är Boltzmann-konstanten (hittas genom att dela den ideala gaskonstanten med Avogadros konstant: 1.380649 × 10 −23 J /K) och ln
    är den naturliga logaritmen (en logaritm till basen e
    ).

    Den viktigaste avhämtningen från detta formeln är att visa att antalet mikrostater, eller sätt att beställa ett system, ökar, så ökar dess entropi.

    Förändringen i systemets entropi när det rör sig från en makrostat till en annan kan beskrivas när det gäller makrosta te variabler värme och tid:
    \\ Delta S \u003d \\ int \\ dfrac {dQ} {T}

    där T
    är temperatur och Q
    är värmeöverföringen i en en reversibel process när systemet rör sig mellan två tillstånd.
    Termodynamikens andra lag

    Termodynamikens andra lag säger att universumets totala entropi eller ett isolerat system aldrig minskar. Inom termodynamiken är ett isolerat system ett system där varken värme eller materia kan komma in eller ut ur systemets gränser.

    Med andra ord, i något isolerat system (inklusive universum) är entropiförändring alltid noll eller positiv. Vad detta i huvudsak betyder är att slumpmässiga termodynamiska processer tenderar att leda till mer störningar än ordning.

    En viktig betoning faller på en del av den beskrivningen. Slumpmässiga processer kan
    leda till mer ordning än störningar utan att bryta mot naturlagar. det är bara mycket mindre troligt att hända.

    Till exempel av alla mikrostater där ett slumpmässigt blandat kortlek kan hamna - 8.066 × 10 67 - bara ett av dessa alternativ är lika med ordningen de hade i originalpaketet. Det skulle kunna hända, men oddsen är mycket, väldigt små. På det hela taget tenderar allt naturligt mot oordning.
    Betydelsen av den andra termodynamiklagen.

    Entropi kan betraktas som ett mått på störning eller ett systems slumpmässighet. Den andra lagen om termodynamik säger att den alltid förblir densamma eller ökar, men minskar aldrig. Detta är ett direkt resultat av statistikmekaniken, eftersom beskrivningen inte beror på det extremt sällsynta fallet där ett kortställe blandar sig i perfekt ordning, utan av den allmänna tendensen för ett system att öka störningen.

    En förenklad sätt att tänka på det här konceptet är att tänka på att det inte är mer tid och ansträngning att blanda två uppsättningar av objekt än att blanda dem i första hand. Be alla föräldrar till ett barn att verifiera; det är lättare att göra en stor röra än att rensa upp det!

    Massor av andra iakttagelser i den verkliga världen "är vettiga" för oss som händer på ett sätt men inte på ett annat sätt eftersom de följer termodynamikens lag: br>

  • Värme flyter från föremål vid högre temperatur till föremål vid lägre temperatur och inte tvärtom (isbitar smälter och varmt kaffe utelämnat på bordet kyls gradvis tills det matchar rumstemperatur).
  • Övergivna byggnader smuler långsamt och bygger inte upp sig själv.
  • En boll som rullar längs lekplatsen bromsar och slutar slutar, när friktion förvandlar sin kinetiska energi till obrukbar värmeenergi.


    Termodynamikens andra lag är bara ett annat sätt att formellt beskriva begreppet tidens pil: Att gå framåt i tiden, universums entropiförändring kan inte vara negativ.
    Vad sägs om icke-isolerade system? br>

    Om ordningen bara ständigt ökar, varför verkar det att titta runt om i världen avslöja plen exempel på ordnade situationer?

    Medan entropi i stort sett alltid ökar, är lokala minskningar i entropi möjliga inom fickorna till större system. Till exempel är människokroppen ett mycket organiserat, ordnat system - det förvandlar till och med en rörig soppa till utsökta ben och andra komplexa strukturer. Men för att göra det tar kroppen energi och skapar avfall när den interagerar med omgivningen. Så även om den person som gör allt detta kan uppleva mindre entropi i kroppen vid slutet av en äta /bygga kroppsdelar /utsöndra avfallscykeln, är systemets totala entropi
    - kroppen plus allt runt det - fortfarande ökar
    .

    På liknande sätt kan ett motiverat barn kunna städa sitt rum, men de omvandlade energi till värme under processen (tänk på sin egen svett och värmen som genereras av friktion mellan föremål som flyttas runt). De kastade förmodligen också ut mycket kaotiskt skräp, vilket kanske bryter ned bitar i processen. Återigen ökar entropin totalt sett i postnumret, även om det rummet hamnar spic och spänner.
    Heat Death of the Universe

    I stor skala förutspår termodynamikens andra lag den eventuella värmedöd och universum. För att inte förväxlas med ett universum som dör i brinnande hals, hänvisar uttrycket mer exakt till idén att så småningom all användbar energi kommer att omvandlas till termisk energi eller värme, eftersom den irreversibla processen händer nästan överallt hela tiden. Dessutom kommer all denna värme så småningom att nå en stabil temperatur eller termisk jämvikt, eftersom ingenting annat kommer att hända med det.

    En vanlig missuppfattning om universums värmedöd är att det representerar en tid då det finns ingen energi kvar i universum. Detta är inte fallet! Snarare beskriver den en tid då all användbar energi har omvandlats till termisk energi som alla har nått samma temperatur, som en pool fylld med halvt varmt och halvt kallt vatten, och sedan lämnats utanför hela eftermiddagen.
    Other Laws of Termodynamik

    Den andra lagen kan vara den hetaste (eller åtminstone den mest betonade) i den inledande termodynamiken, men som namnet antyder är den inte den enda. De andra diskuteras mer i detalj i andra artiklar på webbplatsen, men här är en kort beskrivning av dem:

    Termodynamikens nolllag. Så kallad eftersom den ligger till grund för termodynamikens andra lagar, beskriver noll lagen i huvudsak vad temperaturen är. Den säger att när två system vardera är i termisk jämvikt med ett tredje system, måste de nödvändigtvis också vara i termisk jämvikt med varandra. Med andra ord måste alla tre system ha samma temperatur. James Clerk Maxwell beskrev ett huvudresultat av denna lag som "All värme är av samma slag."

    Termodynamikens första lag. Denna lag tillämpar bevarande av energi på termodynamik. Den säger att förändringen i den interna energin för ett system är lika med skillnaden mellan värmen som tillförs systemet och det arbete som utförts av systemet:

    ΔU \u003d Q - W

    Var < em> U
    är energi, Q
    är värme och W
    är arbete, allt typiskt uppmätt i joule (dock ibland i Btus eller kalorier).

    termodynamikens tredje lag. Denna lag definierar absolut noll
    i termer av entropi. Den säger att en perfekt kristall har noll entropi när temperaturen är absolut noll, eller 0 Kelvin. Kristallen måste vara perfekt ordnad, annars skulle den ha någon inneboende störning (entropi) i sin struktur. Vid denna temperatur har molekylerna i kristallen ingen rörelse (vilket också kan betraktas som termisk energi eller entropi).

    Observera att när universumet når sitt slutliga tillstånd av termisk jämvikt - dess värmedöd - kommer det att har nått en temperatur högre än än absolut noll.

  • © Vetenskap http://sv.scienceaq.com