Druga zasada termodynamiki

Druga zasada termodynamiki wyjaśnia, które procesy zachodzą samorzutnie, a które wymagają wykonania pracy z zewnątrz. Dla układu izolowanego całkowita entropia nie może maleć, więc ciepło przepływa samorzutnie od ciała cieplejszego do chłodniejszego, a nie odwrotnie.

Jedno z częstych sformułowań ma postać

$$\Delta S_{total} \ge 0$$

dla układu izolowanego. Równość zachodzi w granicy procesu odwracalnego. Ścisły wzrost jest typowy w rzeczywistych sytuacjach, ponieważ realne procesy są nieodwracalne.

Co mówi druga zasada termodynamiki

Pierwsza zasada mówi, że energia jest zachowana. Druga zasada mówi, czy dany proces może zajść samorzutnie i jakie są jego ograniczenia.

Dlatego to prawo jest tak ważne. Wyjaśnia, dlaczego gorąca filiżanka kawy stygnie w pokoju, dlaczego lodówki wymagają dopływu pracy i dlaczego nawet idealny silnik cieplny nie może zamienić całego pobranego ciepła na pracę.

Entropia jest wielkością, która opisuje ten kierunek. Nie musisz opierać się na nieprecyzyjnym pojęciu „nieuporządkowania”, aby dobrze się nią posługiwać. W większości zadań dla początkujących kluczowa zasada jest prosta: sprawdź, czy całkowita entropia układu izolowanego pozostaje taka sama, czy rośnie.

Kiedy można użyć $\Delta S = Q_{rev}/T$

Dla odwracalnego przepływu ciepła przy stałej temperaturze $T$ zmiana entropii wynosi

$$\Delta S = \frac{Q_{rev}}{T}$$

Ten warunek ma znaczenie. Nie jest to skrót do każdego zadania o przepływie ciepła. Jeśli przepływ jest nieodwracalny albo temperatura zmienia się w trakcie procesu, potrzebne jest ostrożniejsze obliczenie entropii.

Przykład obliczeniowy: dlaczego ciepło płynie od ciepłego do zimnego

Załóżmy, że $100\ \mathrm{J}$ ciepła opuszcza gorący zbiornik o temperaturze $500\ \mathrm{K}$ i trafia do zimnego zbiornika o temperaturze $300\ \mathrm{K}$. Przyjmij, że każdy zbiornik pozostaje w swojej podanej stałej temperaturze.

Dla gorącego zbiornika

$$\Delta S_{hot} = \frac{-100}{500} = -0.20\ \mathrm{J/K}$$

Dla zimnego zbiornika

$$\Delta S_{cold} = \frac{100}{300} \approx 0.33\ \mathrm{J/K}$$

Zatem całkowita zmiana entropii wynosi

$$\Delta S_{total} = \Delta S_{hot} + \Delta S_{cold} \approx -0.20 + 0.33 = 0.13\ \mathrm{J/K}$$

Suma jest dodatnia, więc ten proces jest dozwolony przez drugą zasadę termodynamiki. Ten przykład pokazuje główną ideę: gdy ciepło przepływa od ciepłego do zimnego, chłodniejszy zbiornik zyskuje więcej entropii, niż cieplejszy traci.

Jeśli wyobrazisz sobie odwrócenie tego procesu bez dostarczenia pracy, znaki zmieniłyby się i $\Delta S_{total}$ byłaby ujemna. To naruszałoby drugą zasadę termodynamiki, dlatego ciepło nie przepływa samorzutnie od zimnego do ciepłego.

Częste błędy związane z drugą zasadą termodynamiki

Jednym z częstych błędów jest traktowanie drugiej zasady wyłącznie jako reguły przepływu ciepła. Wyznacza ona także granice sprawności. Silnik cieplny może zamienić część ciepła na pracę, ale nie całe ciepło w czasie cyklu.

Innym błędem jest używanie $\Delta S = Q/T$ bez sprawdzenia warunku. Bezpieczna postać w tym przypadku dotyczy odwracalnego przepływu ciepła przy stałej temperaturze.

Trzecim błędem jest zatrzymanie się na jednej części układu. Pojedynczy obiekt może tracić entropię. Liczy się całkowita zmiana entropii całego izolowanego układu.

Gdzie stosuje się drugą zasadę termodynamiki

Druga zasada pojawia się w silnikach cieplnych, lodówkach, fizyce atmosfery, chemii, materiałoznawstwie i biologii. W zadaniach szkolnych zwykle występuje w jednej z trzech postaci: w którą stronę płynie ciepło, czy proces jest możliwy, albo jaka jest największa możliwa sprawność.

Jeśli zadanie dotyczy cyklu, różnicy temperatur albo entropii, zwykle właśnie to prawo trzeba zastosować.

Spróbuj podobnego zadania

Spróbuj własnej wersji przykładu ze zbiornikami dla innych temperatur. Zachowaj stałą ilość ciepła, zmień temperaturę gorącego i zimnego zbiornika i zobacz, jak zmienia się całkowita zmiana entropii. To szybki sposób na zbudowanie intuicji przed przejściem do silników cieplnych lub lodówek.