Tweede wet van termodinamika

Hierdie artikel is deel van 'n reeks oor
Termodinamika
Die kalssieke Carnot-hitte-enjin
Takke {{{1}}} Klasieke Statistiese Chemiese Kwantumtermodinamika Ewewig / Nie-ewewig
Wette {{{1}}} Nulste Eerste Tweede Derde
Stelsels Gesolte stelsel Geïsoleerde stelsel Toestand Vergelyking van toestand Idealegas Regte gas Toestand van materie Fase (materie) Ewewig Control volume Instrumente Prosese Isobariese Isochoriese Isotermiese Adiabatiese Isentropiese IIsentalpiese Kwasisatiese Politropiese Vrye uitbreiding Omkeerbaarheid Onomkeerbaarheid Endo-omkeerbarheid Siklusse Hitte-enjin Hitte-pomp Termiese doeltreffendheid
Eienskappe van stelsels Property diagrams Intensive and extensive properties Process functions {{{1}}} Werk Hitte Functions of state Temperature / Entropie Pressure / Volume Chemical potential / Particle number Vapor quality Reduced properties
Eienskappe van materiale Property databases Sjabloon:Material properties equations (thermodynamics)
Vergelykings {{{1}}} Carnot's theorem Clausius theorem Fundamental relation Idealegaswet Maxwell relations Onsager reciprocal relations Bridgman's equations Table of thermodynamic equations
Potensiale {{{1}}} Free energy Free entropy Internal energy $U(S,V)$ Entalpie $H(S,p)=U+pV$ Helmholtz free energy $A(T,V)=U-TS$ Gibbs free energy $G(T,p)=H-TS$
Geskiedenis History {{{1}}} General Entropy Gaswette "Perpetual motion" machines Philosophy {{{1}}} Entropy and time Entropy and life Brownian ratchet Maxwell's demon Heat death paradox Loschmidt's paradox Synergetics Theories {{{1}}} Caloric theory Theory of heat Vis viva ("living force") Mechanical equivalent of heat Motive power Key publications Sjabloon:Longlink Sjabloon:Longlink Sjabloon:Longlink Timelines {{{1}}} Thermodynamics Heat engines Art Education Maxwell's thermodynamic surface Entropy as energy dispersal
Wetenskaplikes {{{1}}} Daniel Bernoulli Ludwig Boltzmann Nicolas Léonard Sadi Carnot Benoît Paul Émile Clapeyron Rudolf Clausius Constantin Carathéodory Pierre Duhem Josiah Willard Gibbs James Prescott Joule James Clerk Maxwell Lars Onsager William John Macquorn Rankine John Smeaton Georg Ernst Stahl Benjamin Thompson William Thomson, 1st Baron Kelvin Johannes Diderik van der Waals Hermann von Helmholtz Julius von Mayer John James Waterston
ander Nucleation Self-assembly Self-organization Order and disorder

In termodinamika stel die tweede wet van termodinamika die konsep van entropie vas as 'n fisiese eienskap van 'n termodinamiese stelsel. Entropie voorspel die rigting van spontane prosesse en bepaal of dit onomkeerbaar of onmoontlik is, ondanks die feit dat dit die vereistes van behoud van energie, wat in die eerste wet van termodinamika vasgestel word, nakom. Die tweede wet kan geformuleer word as die waarneming dat die entropie van geïsoleerde stelsels wat aan spontane evolusie oorgelaat word nie kan afneem nie, aangesien dit altyd tot 'n toestand van termodinamiese ewewig kom, waar die entropie die hoogste is. As alle prosesse in die stelsel omkeerbaar is, is die entropie konstant.

'n Toename in entropie is verantwoordelik vir die onomkeerbaarheid van natuurlike prosesse, waarna dikwels verwys word in die konsep van die rigting van tyd (of tydspyl).

Histories was die tweede wet 'n empiriese bevinding wat aanvaar is as 'n aksioom van die termodinamiese teorie. Statistiese meganika bied 'n mikroskopiese verklaring van die wet in terme van waarskynlikheidsverdeling van die toestande van groot atome of molekules.

Die tweede wet is al op verskeie maniere aangebied. Die eerste formulering, wat die regte definisie van entropie voorafgegaan het en gebaseer was op kalorie-teorie, is Carnot se stelling, toegeskryf aan die Franse wetenskaplike Nicolas Léonard Sadi Carnot, wat in 1824 getoon het dat die doeltreffendheid van die omskakeling van hitte na werk in 'n hitte-enjin 'n boonste limiet het. Die eerste streng definisie van die tweede wet, gebaseer op die konsep van entropie, kom van die Duitse wetenskaplike Rudolph Clausius in die 1850s. Dit sluit sy stelling dat "hitte nooit van 'n kouer na 'n warmer liggaam kan oorgaan sonder enige ander verandering wat daarmee verband hou nie" in.

Die tweede wet van termodinamika kan ook gebruik word om die begrip "termodinamiese temperatuur" te definieer, maar dit word gewoonlik aan die nul wet van termodinamika gelaat.

In kort behels die tweede wet van termodinamika dat alle energiebronne opraak. Alles neig van ’n hoë energietoestand na ’n lae energietoestand. Dit word soms soos volg uitgedruk:

• Die entropie van die heelal neig na ’n maksimum (in eenvoudige terme meet entropie die hoeveelheid wanorde).
• Bruikbare/nuttige energie raak op.
• Inligting neig om deurmekaar te raak.
• Orde neig om wanorde te raak.
• Iets ongeorganiseerd word nie vanself georden nie.

Entropie beter verduidelik

Om entropie beter te verduidelik, kyk die volgende voorbeelde waar entropie vermeerder (nuttige energie verminder):

• Enige eksotermiese chemiese reaksie (chemiese reaksies wat energie vrystel):
  • Koolstof reageer met suurstof om koolstofdioksied te vorm (C + O₂ → CO₂ + energie). Koolstof en suurstof apart is baie nuttig, want dit kan energie gee as dit reageer, maar CO₂ is amper nutteloos. Om CO₂ weer op te breek in C en O₂, het jy teoreties dieselfde hoeveelheid energie nodig as wat dit gegee het toe dit gevorm het.
• Ys wat smelt: Ys is ’n baie nuttige ding, maar ys se temperatuur is kouer as die omgewing, dus neig dit na omgewingstemperatuur en die nuttige koue gaan verlore.
• Motorbande wat druk verloor: ’n Styfgepompte band verloor druk omdat die druk soveel hoër is as die omgewingsdruk.
• Berge word platter en die seebodem word vlakker: Erosie skuif grond van hoë berge na die see. Iets wat hoog is het potensiële energie, dus raak potensiële energie op.
• ’n Goed-instandgehoude huis neig om vervalle te raak: Baie energie is nodig om ’n huis instand te hou, maar as aandag aan ’n huis verslap word, word dit vervalle. Netso neig ’n kamer/motorhuis om altyd deurmekaar te raak indien dit nie heeltyd netjies gehou word nie. (Dus, ander woorde vir: “Gaan ruim jou kamer op” is “Gaan verminder die entropie in jou kamer.” :-))
• Die son wat skyn: Die son is besig om uit te brand en eendag baie lank van nou af sal die son uitgebrand wees.

Kan nuttige energie geskep word?

Die antwoord is "ja" en "nee":

• Petrol/diesel kan uit steenkool of olie gemaak word, maar die olie en steenkool raak op.
• Nuttige elektrisiteit kan opgewek word deur steenkool te brand, maar die steenkool raak op.
• Nuttige elektrisiteit kan opgewek word van sonkrag, maar die son brand uit.
• Nuttige elektrisiteit kan opgewek word deur vloeiende water, maar hoe het die water aan die bokant van die berg gekom? Dit het gereën van wolke wat van waterdamp af kom wat uit die see verdamp het van energie van die son en die son brand uit.
• Bome kan geplant word om hout te maak wat ’n bron van energie is, maar bome het die son nodig om te groei en die son brand uit.
• Koolstofmonoksied (CO), wat 'n baie nuttige chemiese stof is om energie te voorsien, kan geskep word van koolstofdioksied (CO₂), maar slegs indien jy baie energie tot die reaksie byvoeg en nuttige H₂ gebruik (Waterstof skuifreaksie: CO₂ + H₂ + energie → CO + H₂O)

Dus kán ’n mens nuttige energie opwek soos elektrisiteit (daarom “ja”), maar daardie energie kom altyd van ’n ander energiebron af. Dus as ’n mens na die hele sisteem kyk, sal entropie altyd verhoog (nuttige energie sal verminder) en daarom “nee”. Terloops, kan jy ook sien hoekom die son die enigste bron van energie vir die aarde is? Die eerste twee voorbeelde hierbo noem dat nuttige energie verkry kan word uit steenkool en olie. Streng gesproke kan 'n mens weer steenkool en olie maak maar steenkool en olie is gemaak van plant- en dierreste onderskeidelik. Plante en diere het die son nodig om te leef en groei en weereens: "Die son brand uit".

Kyk ook

• Behoud van massa
• Behoud van energie
• Termodinamika