Druga zasada termodynamiki - Polski Serwis Naukowy

Druga zasada termodynamiki stwierdza, że w układzie termodynamicznie izolowanym istnieje funkcja stanu zwana entropią $S$ , której zmiana $ΔS$ w procesie adiabatycznym spełnia nierówność $\Delta S\geqslant 0$ , przy czym równość zachodzi wtedy i tylko wtedy, gdy proces jest odwracalny.

W uproszczeniu można to wyrazić też tak:

Zmienna ekstensywna(wielkość ekstensywna, parametr ekstensywny) w fizyce i chemii to dowolna wielkość fizyczna, której wartość jest proporcjonalna do rozmiarów układu. Oznacza to, że wartość ta, obliczona dla układu złożonego z rozłącznych podukładów, jest sumą wartości obliczonych dla podukładów. Innymi słowy, jeśli układ u możemy podzielić na dwa podukłady, u1 i u2, to wielkość fizyczna S jest ekstensywna wtedy i tylko wtedy, gdy niezależnie od sposobu przeprowadzenia podziału zachodzi równość:
Energia wewnętrzna (oznaczana zwykle jako U lub Ew) w termodynamice – całkowity zasób energii układu stanowiący sumę energii oddziaływań międzycząsteczkowych i wewnątrzcząsteczkowych układu, a także energii ruchu cieplnego cząsteczek oraz wszystkich innych rodzajów energii występujących w układzie.

"W układzie termodynamicznie izolowanym w dowolnym procesie entropia nigdy nie maleje"

Uwaga

W wielu opracowaniach pojawia się błąd, polegający na stwierdzeniu, że druga zasada termodynamiki zapewnia formie ciepła istnienie czynnika całkującego. Jest to tylko część treści tej zasady. Najlepiej się o tym przekonać wybierając prosty układ opisany dwoma parametrami. Z matematyki wiadomo, że w takim układzie (dwuwymiarowa przestrzeń stanów), każda forma liniowa ma czynnik całkujący, a zatem tak rozumiana zasada termodynamiki nic by nie wnosiła do takich układów.

Termodynamiczna strzałka czasu (inaczej entropowa strzałka czasu) – popularnonaukowe określenie na fakt, że zgodnie z drugą zasadą termodynamiki wzrost entropii w układach izolowanych może stanowić podstawę określenia kierunku strzałki czasu w skali całego Wszechświata przy założeniu, że Wszechświat jest układem izolowanym.
Funkcja stanu to w termodynamice funkcja zależna wyłącznie od stanu układu, czyli od aktualnych wartości jego parametrów, takich jak masa, liczność materii, temperatura, ciśnienie, objętość i inne.

Definicja w terminach termodynamiki klasycznej

Matematyczny zapis tego faktu to następujące sformułowanie: zmiana entropii $ΔS$ w dowolnym procesie odwracalnym jest równa całce z przekazu ciepła $DQ$ podzielonego przez temperaturę $T$ . W procesie nieodwracalnym natomiast zmiana entropii jest większa od tej całki. Forma całkowa II zasady termodynamiki wygląda następująco:

William Thomson, 1. Baron Kelvin (ur. 26 czerwca 1824 w Belfaście, zm. 17 grudnia 1907 w Largs w Szkocji) – brytyjski fizyk pochodzenia irlandzkiego, matematyk, oraz przyrodnik. Sformułował drugą zasadę termodynamiki, badał elektryczność i magnetyzm.
Ciepło – w fizyce to jeden z dwóch sposobów, obok pracy, przekazywania energii wewnętrznej układowi termodynamicznemu. Jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) w zderzeniach cząstek tworzących te układy ; oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z form energii .

$\Delta S \geqslant \int \frac{DQ}{T}$

Różnica ta jest miarą nieodwracalności procesu i jest związana z rozpraszaniem energii. Oznaczenie $DQ$ użyte do zapisu przyrostu ciepła ma na celu odróżnienie tego przyrostu od różniczki (ozn. $dX$ ), ponieważ przyrost ciepła nie jest różniczką żadnej funkcji. Gdyby był różniczką, ciepło byłoby funkcją stanu.

Temperatura – jedna z podstawowych ) w termodynamice, będąca miarą stopnia nagrzania ciał. Temperaturę można ściśle zdefiniować tylko dla stanów równowagi termodynamicznej, bowiem z termodynamicznego punktu widzenia jest ona wielkością reprezentującą wspólną własność dwóch układów pozostających w równowadze ze sobą. Temperatura jest związana ze średnią energią kinetyczną ruchu i drgań wszystkich cząsteczek tworzących dany układ i jest miarą tej energii.
Sprawność - skalarna bezwymiarowa wielkość fizyczna określająca w jakim stopniu urządzenie, organizm lub proces przekształca energię występującą w jednej postaci w energię w innej postaci.

Alternatywne sformułowania

Druga zasada termodynamiki może być sformułowana na wiele równoważnych sposobów. Wiele z nich nie wymaga odwoływania się do abstrakcyjnych pojęć, takich jak entropia, umożliwiając łatwiejsze zrozumienie fizycznej istoty tego prawa.

Najszerzej znane alternatywne sformułowania pochodzą od Clausiusa:

Perpetuum mobile (z łac. wiecznie ruchome) – hipotetyczna maszyna, której zasada działania, wbrew znanym prawom fizyki, umożliwiałaby jej pracę w nieskończoność.
Ludwig Eduard Boltzmann (ur. 20 lutego 1844 w Wiedniu, Austria, zm. 5 września 1906 w Duino niedaleko Triestu, Włochy) – austriacki fizyk. Autor podstawowych prac z kinetycznej teorii gazów. Podał statystyczne objaśnienie II zasady termodynamiki.

"Nie istnieje proces termodynamiczny, którego jedynym wynikiem byłoby pobranie ciepła ze zbiornika o temperaturze niższej i przekazanie go do zbiornika o temperaturze wyższej."

oraz od Lorda Kelvina: "Nie jest możliwy proces, którego jedynym skutkiem byłoby pobranie pewnej ilości ciepła ze zbiornika i zamiana go w równoważną ilość pracy"

Można udowodnić równoważność tych stwierdzeń z powyższym sformułowaniem.

Wprowadzając pojęcie perpetuum mobile drugiego rodzaju, jako silnik cieplny pobierający energię cieplną z układu i w całości przekształcający ją na pracę, można sformułować drugą zasadę termodynamiki w następujący sposób:

Perpetuum mobile (z łac. wiecznie ruchome) – hipotetyczna maszyna, której zasada działania, wbrew znanym prawom fizyki, umożliwiałaby jej pracę w nieskończoność.
Entropia – termodynamiczna funkcja stanu, określająca kierunek przebiegu procesów spontanicznych (samorzutnych) w odosobnionym układzie termodynamicznym. Entropia jest miarą stopnia nieuporządkowania układu. Jest wielkością ekstensywną. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, jeżeli układ termodynamiczny przechodzi od jednego stanu równowagi do drugiego, bez udziału czynników zewnętrznych (a więc spontanicznie), to jego entropia zawsze rośnie. Pojęcie entropii wprowadził niemiecki uczony Rudolf Clausius.

"Nie istnieje perpetuum mobile drugiego rodzaju"

czytaj dalej: [2], [3]

w oparciu o Wikipedię (licencja GFDL, CC-BY-SA 3.0, autorzy, historia, edycja)