Un castello di sabbia sulla spiaggia si sgretola lentamente mentre la giornata avanza. Ma qualcuno che assiste al contrario - la sabbia che salta spontaneamente nella forma di un castello - direbbe che devono guardare una registrazione, non la realtà. Allo stesso modo, un bicchiere di tè freddo in cui i cubetti si sciolgono nel tempo corrisponde alle nostre aspettative, ma non un bicchiere di liquido in cui si formano spontaneamente cubetti di ghiaccio.
La ragione per cui alcuni processi naturali sembrano avere senso accadendo in futuro il tempo, ma non indietro nel tempo, ha a che fare con la seconda legge della termodinamica. Questa importante legge è l'unica descrizione fisica dell'universo che dipende dal tempo che ha una direzione particolare, in cui possiamo solo avanzare.
Al contrario, le leggi di Newton o le equazioni cinematiche, entrambe usate per descrivere il moto di oggetti, funziona ugualmente bene se un fisico decide di analizzare l'arco di un pallone mentre si muove in avanti o al contrario. Questo è il motivo per cui la seconda legge della termodinamica viene talvolta definita anche "la freccia del tempo".
Microstati e macrostati
La meccanica statistica è il ramo della fisica che mette in relazione il comportamento su scala microscopica, come il movimento di molecole d'aria in una stanza chiusa, a successive osservazioni macroscopiche, come la temperatura complessiva della stanza. In altre parole, collegare ciò che un essere umano potrebbe osservare direttamente alla miriade di processi spontanei invisibili che insieme lo fanno accadere.
Un microstato è una possibile disposizione e distribuzione di energia di tutte le molecole in un sistema termodinamico chiuso. Ad esempio, un microstato potrebbe descrivere la posizione e l'energia cinetica di ciascuna molecola di zucchero e acqua all'interno di un thermos di cioccolata calda.
Un macrostato, d'altra parte, è l'insieme di tutti i possibili microstati di un sistema: tutti i possibili modi in cui le molecole di zucchero e acqua all'interno del thermos potrebbero essere disposte. Il modo in cui un fisico descrive un macrostato è usando variabili come temperatura, pressione e volume.
Ciò è necessario perché il numero di microstati possibili in un dato macrostato è troppo grande per essere gestito. Una stanza a 30 gradi Celsius è una misura utile, sebbene sapere che si trova a 30 gradi non rivela le proprietà specifiche di ciascuna molecola d'aria nella stanza.
Sebbene i macrostati siano generalmente usati quando si parla di termodinamica, la comprensione dei microstati è rilevante poiché descrivono i meccanismi fisici sottostanti che conducono a misurazioni più ampie.
Che cos'è l'entropia?
L'entropia è spesso descritta a parole come una misura della quantità di disturbo in un sistema. Questa definizione fu proposta per la prima volta da Ludwig Boltzmann nel 1877.
In termini di termodinamica, può essere definita più specificamente come la quantità di energia termica in un sistema chiuso che non è disponibile per svolgere un lavoro utile.
La trasformazione di energia utile in energia termica è un processo irreversibile. Per questo motivo, ne consegue che la quantità totale di entropia in un sistema chiuso - compreso l'universo nel suo insieme - può solo aumentare Questo concetto spiega come l'entropia si collega alla direzione che il tempo scorre. Se i fisici fossero in grado di scattare diverse istantanee di un sistema chiuso con i dati sulla quantità di entropia presente in ciascuna, potrebbero metterle in ordine temporale seguendo "la freccia del tempo", passando da meno a più entropia. Per diventare molto più tecnico, matematicamente, l'entropia di un sistema è definita dalla seguente formula, che Boltzmann ha anche inventato: S \u003d k × ln (Y) dove Y Il principale da asporto da questo la formula è mostrare che, con l'aumentare del numero di microstati o dei modi di ordinare un sistema, aumenta anche la sua entropia. Il cambiamento nell'entropia di un sistema mentre si sposta da un macrostato a un altro può essere descritto in termini di macrosta te variabili calore e tempo: dove T La seconda legge della termodinamica afferma che l'entropia totale dell'universo o di un sistema isolato non diminuisce mai. In termodinamica, un sistema isolato è uno in cui né il calore né la materia possono entrare o uscire dai confini del sistema. In altre parole, in qualsiasi sistema isolato (incluso l'universo), il cambiamento di entropia è sempre zero o positivo. Ciò significa essenzialmente che i processi termodinamici casuali tendono a portare a più disordine che all'ordine. Un'enfasi importante cade sulla tendenza a fare parte di quella descrizione. I processi casuali potrebbero portare a più ordine del disordine senza violare le leggi naturali; è molto meno probabile che accada. Ad esempio, di tutti i microstati in cui potrebbe finire un mazzo di carte mescolato casualmente - 8.066 × 10 67 - solo una di queste opzioni è uguale a l'ordine che avevano nella confezione originale. Potrebbe accadere, ma le probabilità sono molto, molto piccole. Nel complesso, tutto tende naturalmente verso il disordine. L'entropia può essere pensata come una misura del disordine o della casualità di un sistema. La seconda legge della termodinamica afferma che rimane sempre la stessa o aumenta, ma non diminuisce mai. Questo è un risultato diretto della meccanica statistica, poiché la descrizione non dipende dal caso estremamente raro in cui un mazzo di carte si mescola in perfetto ordine, ma dalla tendenza generale di un sistema ad aumentare nel disordine. Uno semplificato Il modo di pensare a questo concetto è quello di considerare che la mancata miscelazione di due insiemi di oggetti richiede più tempo e sforzo rispetto alla loro confusione in primo luogo. Chiedi a qualsiasi genitore di un bambino di verificare; è più facile fare un gran casino che ripulirlo! Molte altre osservazioni nel mondo reale "hanno senso" per noi accadere in un modo ma non in un altro perché seguono la seconda legge della termodinamica: La seconda legge della termodinamica è solo un altro modo per descrivere formalmente il concetto di freccia del tempo: andando avanti nel tempo, il cambiamento di entropia dell'universo non può essere negativo. Se l'ordine è in costante aumento, perché lo sguardo in giro per il mondo sembra rivelarsi plenetico i tuoi esempi di situazioni ordinate? Mentre l'entropia nel complesso Allo stesso modo, un bambino motivato potrebbe essere in grado di pulire la propria stanza, ma durante il processo ha convertito energia in calore (pensa al proprio sudore e al calore generato dall'attrito tra oggetti che vengono spostati). Probabilmente hanno anche gettato un sacco di spazzatura caotica, probabilmente abbattendo pezzi nel processo. Ancora una volta, l'entropia aumenta complessivamente nel codice di avviamento postale, anche se quella stanza finisce spic e span. Su larga scala, la seconda legge della termodinamica prevede l'eventuale calore morte Un malinteso comune sulla morte termica dell'universo è che rappresenta un momento in cui c'è nessuna energia rimasta nell'universo. Questo non è il caso! Piuttosto, descrive un momento in cui tutta l'energia utile è stata trasformata in energia termica che ha raggiunto la stessa temperatura, come una piscina riempita con metà acqua calda e metà fredda, poi lasciata fuori tutto il pomeriggio. La seconda legge potrebbe essere la più calda (o almeno la più enfatizzata) della termodinamica introduttiva, ma come suggerisce il nome, non è l'unica. Gli altri sono discussi più in dettaglio in altri articoli del sito, ma ecco un breve schema di essi: La legge zeroth della termodinamica. Così chiamato perché alla base delle altre leggi della termodinamica, la legge zeroth descrive essenzialmente quale sia la temperatura. Afferma che quando due sistemi sono ciascuno in equilibrio termico con un terzo sistema, devono necessariamente essere anche in equilibrio termico tra loro. In altre parole, tutti e tre i sistemi devono avere la stessa temperatura. James Clerk Maxwell ha descritto un risultato principale di questa legge come "Tutto il calore è dello stesso tipo". La prima legge della termodinamica. Questa legge applica la conservazione dell'energia alla termodinamica. Indica che la variazione di energia interna per un sistema è uguale alla differenza tra il calore aggiunto al sistema e il lavoro svolto dal sistema: ΔU \u003d Q - W Where < em> U Il terza legge della termodinamica. Questa legge definisce zero assoluto in termini di entropia. Indica che un cristallo perfetto ha entropia zero quando la sua temperatura è zero assoluto, o 0 Kelvin. Il cristallo deve essere perfettamente organizzato altrimenti avrebbe qualche disordine intrinseco (entropia) nella sua struttura. A questa temperatura, le molecole nel cristallo non hanno alcun movimento (che sarebbe anche considerato energia termica o entropia). Nota che quando l'universo raggiunge il suo stato finale di equilibrio termico - la sua morte termica - lo farà hanno raggiunto una temperatura superiore allo zero assoluto.
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è il numero di microstati nel sistema (il numero di modi in cui il sistema può essere ordinato), k
è la costante di Boltzmann (trovata dividendo la costante di gas ideale per la costante di Avogadro: 1.380649 × 10 −23 J /K) e ln
è il logaritmo naturale (un logaritmo alla base e
).
\\ Delta S \u003d \\ int \\ dfrac {dQ} {T}
è la temperatura e Q
è il trasferimento di calore in un processo reversibile mentre il sistema si muove tra due stati.
La seconda legge della termodinamica
Il significato della seconda legge della termodinamica
Che dire dei sistemi non isolati?
è sempre in aumento, le diminuzioni locali nell'entropia sono possibili all'interno di sacchi di sistemi più grandi. Ad esempio, il corpo umano è un sistema molto organizzato e ordinato: trasforma persino una zuppa disordinata in ossa squisite e altre strutture complesse. Tuttavia, per farlo, il corpo prende energia e crea rifiuti mentre interagisce con l'ambiente circostante. Quindi, anche se la persona che fa tutto ciò potrebbe sperimentare meno entropia all'interno del proprio corpo alla fine di un ciclo di consumo /costruzione di parti del corpo /escrezione dei rifiuti, l'entropia totale del sistema
- il corpo più tutto ciò che lo circonda - ancora aumenta
.
Heat Death of the Universe
dell'universo. Per non essere confuso con un universo che muore in feroci fiamme, la frase si riferisce più precisamente all'idea che alla fine tutta l'energia utile verrà convertita in energia termica, o calore, poiché il processo irreversibile avviene quasi ovunque in ogni momento. Inoltre, tutto questo calore alla fine raggiungerà una temperatura stabile, o equilibrio termico, poiché non vi accadrà nient'altro.
Altre leggi di Termodinamica
è energia, Q
è calore e W
è lavoro, tutti tipicamente misurati in joule (anche se a volte in Btus o calorie).
