Drugi zakon termodinamike

Termodinamika
Klasična Karnotova toplotna mašina
Grane Klasična • Statistička • Hemijska • Ravnoteža / Neravnoteža
Zakoni Nulti • Prvi • Drugi • Treći
Sistemi Stanje Jednačina stanja • Idealni gas • Realni gas • Agregatna stanja • Ravnoteža • Kontrolisana zapremina • Instrumenti Procesi Izobarni • Izohorski • Izotermski • Adijabatski • Izentropski • Izentalpijski • Kvazistatički • Politropski • Slobodna ekspanzija • Reverzibilnost • Ireverzibilnost • Endoreverzibilnost Ciklusi Toplotni matori • Toplotne pumpe • Termalna efikasnost
Osobine sistema Termodinamički dijagrami • Intenzivne i ekstenzivne veličine Funkcije stanja Temperatura / Entropija • Uvod u entropiju • Pritisak / Zapremina • Hemijski potencijal / Broj čestica • Kvalitet pare • Redukovane osobine Procesne funkcije Rad • Toplota
Osobine materijala Specifični toplotni kapacitet  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ Kompresibilnost  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ Termalna ekspanzija  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$ Baza podataka osobina
Jednačine Karnotova teorema • Klauzijusova teorema • Fundamentalna relacija • Jednačina stanja idealnog gasa • Maksvelove relacije • Onsagerove recipročne relacije • Bridgmanove termodinamičke jednačine • Tabela termodinamičkih jednačina
Potencijali Slobodna energija • Slobodna entropija Unutrašnja energija ${\displaystyle U(S,V)}$ Entalpija ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ Helmholcova slobodna energija ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ Gibsova slobodna energija ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$

Drugi zakon termodinamike navodi da se ukupna entropija izolovanog sistema nikada ne može smanjiti tokom vremena. Ukupna entropija sistema može ostati konstantna u idealnim slučajevima gde je sistem u termodinamičkoj ravnoteži, ili se u njemu odvija (fiktivni) reverzibilni proces. U svim postojećim procesima, uključujući spontane,^[1] ukupna entropija se povećava i proces je nepovratan.

Drugi princip termodinamike određuje smer toplotnih procesa: toplota nikada ne prelazi spontano sa tela koje ima nižu temperaturu na telo koje ima višu temperaturu. Pored smera toplotnih procesa, drugi princip termodinamike pokazuje nemogućnost postojanja perpetuum mobile druge vrste. Porast entropije objašnjava nepovratnost prirodnih procesa, i asimetriju između budućnosti i prošlosti.^[2]

Istorijski, drugi zakon je empirijski nalaz, prihvaćen kao aksiom termodinamičke teorije. Bio je izražen na mnogo načina. Prvu formulaciju je dao francuski fizičar Sadi Karno, koji je 1824. godine pokazao da postoji gornja granica efikasnosti konverzije toplote u rad, u toplotnoj mašini.

Definicije

Postoji više definicija drugog principa termodinamike a najpoznatija su Klauzijusovo, Plankovo, Bolcmanovo, Karnoovo.

Klauzijusovo načelo: Entropija izolovanog sistema nije ravnotežna, već vremenom teži da se približi maskimumu.

Plankovo načelo: Nemoguće je konstruisati mašinu sa periodičnim dejstvom koja ne radi ništa drugo osim što podiže teret i hladi toplotni rezervoar. Drugi zakon termodinamike ukazuje nam da proces pretvaranja toplote u rad (a prema tome i hlađenje tela koje odaje toplotu) ne pojavljuje kao jedini ishod ovog procesa, već moraju postojati i drugi rezultati.

Karno: Najveći koeficijent korisnog dejstva toplotne mašine ne zavisi od vrste tela koje posreduje i potpuno je određen početnom i krajnjom temperaturom rada mašine.

Ludvig Bolcman je definisao drugi princip termodinamike sa statističkog stanovišta:

„Izolovan i prepušten samom sebi termodinamički sistem će preći iz manje verovatnog u verovatnije stanje“.

Pretpostavimo da imamo posudu u kojoj se nalaze dva gasa međusobno odvojena pregradom (na slici faza 1). Nakon uklanja pregrade gasovi će preći iz manje verovatnog stanja (na slici stanje do pod brojem 1) u verovatnije stanje (na slici stanje pod broj 2). Znači veća je verovatnoća da će doći do mešanja dva gasa pre nego da će ostati u prvobitnom stanju. Entropija odnosno neuređenost sistema se povećala.

U zatvorenim sistemima entropija može samo da raste dostižući maksimum u stanju termodinamičke ravnoteže.

Perpetuum mobile druge vrste

Glavni članak: Perpetuum mobile

Prvi zakon termodinamike ostavlja teorijsku mogućnost da se sva količina toplote pretvori u rad. Ako bismo bili u mogućnosti da konstruišemo takvu mašinu koja bi potpuno pretvorila toplotu u koristan rad, a da ovoj mašini ne treba hladnjak, ona bi bila perpetuum mobile druge vrste.

To znači da ne postoji mogućnost pretvaranje celokupne toplote u koristan rad bez gubitaka energije.

Perpetuum mobile prve vrste i perpetuum mobile druge vrste, međusobno se ne isključuju.

Maksvelov demon

Glavni članak: Maksvelov demon

Sve je zapravo poteklo od čuvenog škotskog matematičara i fizičara Džejmsa Klerka Maksvela (1831 – 1879). Maksvel je osmislio jedan misaoni eksperiment uz pomoć koga je želeo da ospori drugi zakon termodinamike.

Zamislimo takođe jednu kutiju u kojoj se nalaze dva gasa. Kutija je izdeljena na dva dela A i B. Kutija je pregrađena i samo stvorenje (demon) koja se nalazi na sredini kutije ima mogućnost da propušta molekule. Tom demonu data je mogućnost da propušta samo brze molekule iz dela A u deo B, i da propušta samo spore molekule iz dela B u deo A.

Vremenske strele

Glavni članak: Vremenske strele

Vremenske strele daju vremenu smer i razlikuju prošlost od budućnosti.

Zašto ne možemo da vidimo kako se razbijena čaša na podu sama vraća nazad na sto?

Razlog leži u drugom principu termodinamike. Tokom vremena entropija nekog sistema se povećava ili ostaje konstantna, ona se nikada ne smanjuje.

Primena

Rashladni uređaji rade kao primena drugog principa termodinamike. Klima-uređaji hlade prostoriju na osnovu zagrevanja spoljašnjeg vazduha.

Reference

Vidi još

• Entropija
• Maksvelov demon
• Perpetuum mobile druge vrste

Spoljašnje veze

Drugi zakon termodinamike na Wikimedijinoj ostavi

• Drugi princip termodinamike
• Viva-fizika članak o Maksvelovom demonu
• Stanford Encyclopedia of Philosophy: "Philosophy of Statistical Mechanics" – by Lawrence Sklar.
• Second law of thermodynamics in the MIT Course Unified Thermodynamics and Propulsion from Prof. Z. S. Spakovszky