Định luật thứ hai và Entropy

Định luật nhiệt động lực học thứ hai giới thiệu khái niệm entropy và tính bất thuận nghịch của các quá trình tự nhiên, khẳng định rằng entropy của một hệ cô lập không bao giờ giảm.

Definition

Định luật nhiệt động lực học thứ hai phát biểu rằng tổng entropy của một hệ cô lập không bao giờ giảm theo thời gian và chỉ không đổi đối với các quá trình thuận nghịch, thiết lập entropy như một hàm trạng thái và một hướng cho sự thay đổi tự phát.

Scope

Chủ đề này bao gồm các phát biểu tương đương của định luật thứ hai (Kelvin-Planck và Clausius), chu trình Carnot và hiệu suất tối đa của nó, bất đẳng thức Clausius, định nghĩa entropy như một hàm trạng thái, và các quá trình thuận nghịch so với bất thuận nghịch. Mối liên hệ với mũi tên thời gian và công khả dụng cũng được đề cập; định nghĩa thống kê vi mô của entropy được phát triển trong các lĩnh vực cơ học thống kê.

Core questions

• Tại sao các phát biểu Kelvin-Planck và Clausius của định luật thứ hai lại tương đương?
• Chu trình Carnot đặt ra giới hạn trên về hiệu suất của động cơ nhiệt như thế nào?
• Bất đẳng thức Clausius dẫn đến entropy như một hàm trạng thái như thế nào?
• Theo nghĩa nào thì định luật thứ hai định nghĩa mũi tên thời gian?

Key concepts

• Các phát biểu Kelvin-Planck và Clausius
• Chu trình Carnot và hiệu suất tối đa
• Bất đẳng thức Clausius
• Entropy như một hàm trạng thái
• Tính thuận nghịch và bất thuận nghịch

Key theories

Định lý Carnot

Tất cả các động cơ nhiệt thuận nghịch hoạt động giữa cùng hai nhiệt độ có cùng hiệu suất, và không động cơ nào có thể vượt quá hiệu suất đó, thiết lập một giới hạn tuyệt đối cho việc chuyển đổi nhiệt thành công.

Entropy và bất đẳng thức Clausius

Đối với bất kỳ quá trình chu trình nào, tích phân của dQ/T trên chu trình là không dương, chỉ bằng 0 đối với các chu trình thuận nghịch; điều này định nghĩa entropy như một hàm trạng thái mà sự thay đổi của nó đo lường tính bất thuận nghịch.

Clinical relevance

Định luật thứ hai đặt ra giới hạn hiệu suất tối ưu cho việc sản xuất điện và làm lạnh, điều chỉnh tính tự phát của các phản ứng hóa học và sinh học thông qua entropy và năng lượng tự do, và định hình các câu hỏi cơ bản về tính bất thuận nghịch và mũi tên thời gian nhiệt động lực học.

History

Nghiên cứu của Carnot năm 1824 về các động cơ lý tưởng đã đưa ra dạng đầu tiên của định luật thứ hai; vào những năm 1850 và 1860, Clausius và Kelvin đã làm rõ nó thành các phát biểu tổng quát và Clausius đã giới thiệu entropy, mang lại ý nghĩa định lượng chính xác cho tính bất thuận nghịch.

Debates

Nguồn gốc của mũi tên thời gian

Việc tăng entropy vĩ mô có thể được dung hòa hoàn toàn với động lực học vi mô thuận nghịch theo thời gian hay không vẫn còn đang tranh luận, với các giải thích dựa vào các điều kiện ban đầu entropy thấp đặc biệt của vũ trụ hơn là chỉ riêng các định luật động lực học.

Key figures

• Sadi Carnot
• Rudolf Clausius
• William Thomson (Lord Kelvin)

Seminal works

• carnot1824
• clausius1865

Frequently asked questions

Định luật thứ hai có nói rằng entropy luôn tăng ở mọi nơi không?

Nó nói rằng tổng entropy của một hệ cô lập không giảm. Entropy có thể giảm cục bộ nếu một sự tăng lớn hơn xảy ra ở nơi khác, vì vậy trật tự có thể tăng ở một nơi với cái giá là sự hỗn loạn lớn hơn ở môi trường xung quanh.

Tại sao không động cơ nào có thể đạt hiệu suất hoàn hảo?

Chuyển đổi tất cả nhiệt hấp thụ thành công mà không có sự lãng phí nào sẽ vi phạm phát biểu Kelvin-Planck; một phần nhiệt phải luôn được thải ra một nguồn lạnh hơn, giới hạn hiệu suất ở giá trị Carnot được xác định bởi nhiệt độ của các nguồn.