Druga zasada termodynamiki
Drugie prawo termodynamiki mówi, że gdy energia zmienia się z jednej formy na inną, lub materia przemieszcza się swobodnie, wzrasta entropia (nieporządek) w układzie zamkniętym.
Różnice temperatury, ciśnienia i gęstości mają tendencję do wyrównywania się w poziomie po pewnym czasie. Ze względu na siłę ciężkości, gęstość i ciśnienie nie wyrównują się w pionie. Gęstość i ciśnienie na dole będą większe niż na górze.
Entropia jest miarą rozprzestrzeniania się materii i energii wszędzie tam, gdzie mają dostęp.
Najczęstsze sformułowania dla drugiego prawa termodynamiki wynikają zasadniczo z Rudolfa Clausiusa:
Innymi słowy, wszystko stara się utrzymać tę samą temperaturę w czasie.
Istnieje wiele stwierdzeń drugiego prawa, które używają różnych terminów, ale wszystkie znaczą to samo. Innym stwierdzeniem Clausiusa jest:
Ciepło samo w sobie nie może przejść z zimniejszego do gorętszego ciała.
Równoważne oświadczenie Lorda Kelvina jest:
Przekształcenie, którego jedynym efektem końcowym jest zamiana ciepła, pobranego ze źródła w stałej temperaturze, na pracę, jest niemożliwe.
Druga ustawa ma zastosowanie tylko do dużych systemów. Drugie prawo dotyczy prawdopodobnego zachowania się systemu, w którym żadna energia ani materia nie wchodzi ani nie wychodzi. Im większy system, tym większe jest prawdopodobieństwo, że drugie prawo będzie prawdziwe.
Prosty stylizowany schemat cyklu chłodzenia parowo-sprężarkowego pompy ciepła: 1) skraplacz, 2) zawór rozprężny, 3) parownik, 4) sprężarka.
Przegląd
W sensie ogólnym, drugie prawo mówi, że różnice temperatur pomiędzy stykającymi się ze sobą systemami mają tendencję do wyrównywania i że praca może być uzyskana z tych nierównoważnych różnic, ale że strata energii cieplnej następuje, gdy praca jest wykonywana i entropia wzrasta. Ciśnienie, gęstość i różnice temperatur w odizolowanym systemie mają tendencję do wyrównywania się, jeśli da się taką możliwość; na gęstość i ciśnienie, ale nie na temperaturę, wpływa grawitacja. Silnik cieplny jest urządzeniem mechanicznym, które zapewnia użyteczną pracę z różnicy temperatur dwóch ciał.
Cytaty
| “ | Prawo, które entropia zawsze wzrasta, zajmuje, jak sądzę, najwyższą pozycję wśród praw Natury. Jeśli ktoś zwróci Ci uwagę, że Twoja zwierzęca teoria wszechświata nie zgadza się z równaniami Maxwella - to tym gorzej dla równań Maxwella. Jeśli okaże się, że jest to sprzeczne z obserwacją - cóż, ci eksperymentatorzy robią czasem bungle. Ale jeśli okaże się, że twoja teoria jest sprzeczna z drugim prawem termodynamiki, nie mogę dać ci żadnej nadziei; nie ma dla niej nic innego, jak zapaść w najgłębsze upokorzenie. | ” |
--Sir Arthur Stanley Eddington, The Nature of the Physical World (1927)
| “ | Tendencja do wzrostu entropii w systemach izolowanych wyraża się w drugim prawie termodynamiki - być może najbardziej pesymistycznym i amoralnym sformułowaniu w całej ludzkiej myśli. | ” |
--Greg Hill i Kerry Thornley, Principia Discordia (1965)
| “ | Istnieje prawie tyle samo sformułowań drugiej ustawy, ile było o niej dyskutowanych. | ” |
--Filozof / Fizyk P.W. Bridgman, (1941)
Różne
- Flandria i Łabędź stworzyli scenerię do oświadczenia Drugiego Prawa Termodynamiki do muzyki, zwanego "Pierwszym i Drugim Prawem".
- Ekonomista Nicholas Georgescu-Roegen pokazał znaczenie Prawa Entropii w dziedzinie ekonomii (patrz jego praca The Entropy Law and the Economic Process (1971), Harvard University Press).
Pytania i odpowiedzi
P: Czym jest drugie prawo termodynamiki?
O: Drugie prawo termodynamiki mówi, że gdy energia zmienia się z jednej formy w inną lub materia porusza się swobodnie, entropia (nieporządek) w zamkniętym systemie wzrasta.
P: Co ma tendencję do wyrównywania się w poziomie w czasie?
O: Różnice w temperaturze, ciśnieniu i gęstości mają tendencję do wyrównywania się w poziomie po pewnym czasie.
P: Dlaczego gęstość i ciśnienie nie wyrównują się w pionie?
O: Ze względu na siłę grawitacji gęstość i ciśnienie nie wyrównują się w pionie. Gęstość i ciśnienie na dole będą większe niż na górze.
P: Co to jest entropia?
O: Entropia jest miarą rozprzestrzeniania się materii i energii wszędzie tam, gdzie mają one dostęp.
P: Jakie jest najczęstsze sformułowanie drugiej zasady termodynamiki?
O: Najpopularniejsze sformułowanie drugiego prawa termodynamiki pochodzi od Rudolfa Clausiusa: wszystko stara się utrzymać tę samą temperaturę w czasie.
P: Jakie jest inne stwierdzenie Clausiusa dotyczące drugiej zasady termodynamiki?
O: Innym stwierdzeniem Clausiusa jest to, że ciepło nie może samo z siebie przejść z ciała zimniejszego do gorętszego.
P: Do jakiego rodzaju układu ma zastosowanie druga zasada termodynamiki?
O: Druga zasada termodynamiki ma zastosowanie tylko do dużych systemów, w których energia lub materia nie przedostaje się ani nie wydostaje. Im większy jest układ, tym bardziej prawdopodobne jest, że drugie prawo będzie prawdziwe.
