قانون دوم و آنتروپی
قانون دوم ترمودینامیک، آنتروپی و برگشتناپذیری فرآیندهای طبیعی را معرفی میکند و بیان میدارد که آنتروپی یک سیستم منزوی هرگز کاهش نمییابد.
Definition
قانون دوم ترمودینامیک بیان میکند که آنتروپی کل یک سیستم منزوی هرگز نمیتواند در طول زمان کاهش یابد و تنها برای فرآیندهای برگشتپذیر ثابت است، و آنتروپی را به عنوان یک تابع حالت و جهتی برای تغییر خودبهخودی تثبیت میکند.
Scope
این موضوع شامل گزارههای معادل قانون دوم (کلوین-پلانک و کلاوزیوس)، چرخه کارنو و حداکثر بازده آن، نابرابری کلاوزیوس، تعریف آنتروپی به عنوان یک تابع حالت، و فرآیندهای برگشتپذیر در مقابل برگشتناپذیر است. ارتباط با پیکان زمان و کار قابل دسترس نیز گنجانده شده است؛ تعریف آماری میکروسکوپی آنتروپی در حوزههای مکانیک آماری توسعه یافته است.
Core questions
- چرا گزارههای کلوین-پلانک و کلاوزیوس از قانون دوم معادل هستند؟
- چگونه چرخه کارنو یک حد بالایی برای بازده موتورهای حرارتی تعیین میکند؟
- چگونه نابرابری کلاوزیوس به آنتروپی به عنوان یک تابع حالت منجر میشود؟
- قانون دوم به چه معنایی پیکان زمان را تعریف میکند؟
Key concepts
- گزارههای کلوین-پلانک و کلاوزیوس
- چرخه کارنو و حداکثر بازده
- نابرابری کلاوزیوس
- آنتروپی به عنوان یک تابع حالت
- برگشتپذیری و برگشتناپذیری
Key theories
- قضیه کارنو
- همه موتورهای حرارتی برگشتپذیر که بین دو دمای یکسان کار میکنند، بازده یکسانی دارند و هیچ موتوری نمیتواند از آن فراتر رود، که یک حد مطلق برای تبدیل گرما به کار تعیین میکند.
- آنتروپی و نابرابری کلاوزیوس
- برای هر فرآیند چرخهای، انتگرال dQ/T در طول چرخه غیرمثبت است و تنها برای چرخههای برگشتپذیر صفر میشود؛ این آنتروپی را به عنوان یک تابع حالت تعریف میکند که تغییر آن برگشتناپذیری را اندازهگیری میکند.
Clinical relevance
قانون دوم محدودیتهای نهایی بازده تولید برق و تبرید را تعیین میکند، خودبهخودی بودن واکنشهای شیمیایی و بیولوژیکی را از طریق آنتروپی و انرژی آزاد کنترل میکند، و سؤالات اساسی در مورد برگشتناپذیری و پیکان ترمودینامیکی زمان را چارچوببندی میکند.
History
مطالعه کارنو در سال ۱۸۲۴ بر روی موتورهای ایدهآل، اولین شکل قانون دوم را ارائه داد؛ در دهههای ۱۸۵۰ و ۱۸۶۰ کلاوزیوس و کلوین آن را به گزارههای کلی دقیقتر کردند و کلاوزیوس آنتروپی را معرفی کرد و به برگشتناپذیری معنای کمی دقیقی بخشید.
Debates
- منشأ پیکان زمان
- اینکه آیا افزایش ماکروسکوپی آنتروپی را میتوان به طور کامل با دینامیک میکروسکوپی برگشتپذیر زمانی تطبیق داد، همچنان مورد بحث است، با توضیحاتی که بیشتر بر شرایط اولیه خاص با آنتروپی پایین جهان تکیه دارند تا صرفاً قوانین دینامیکی.
Key figures
- Sadi Carnot
- Rudolf Clausius
- William Thomson (Lord Kelvin)
Related topics
Seminal works
- carnot1824
- clausius1865
Frequently asked questions
- آیا قانون دوم میگوید آنتروپی همیشه در همه جا افزایش مییابد؟
- این قانون میگوید آنتروپی کل یک سیستم منزوی کاهش نمییابد. آنتروپی میتواند به صورت محلی کاهش یابد اگر افزایش بزرگتری در جای دیگری رخ دهد، بنابراین نظم میتواند در یک مکان به قیمت بینظمی بیشتر در محیط اطراف رشد کند.
- چرا هیچ موتوری نمیتواند کاملاً کارآمد باشد؟
- تبدیل تمام گرمای جذب شده به کار بدون هیچ اتلافی، گزاره کلوین-پلانک را نقض میکند؛ مقداری گرما همیشه باید به یک مخزن سردتر دفع شود، که بازده را در مقدار کارنو تعیین شده توسط دماهای مخزن محدود میکند.