Nauki przyrodnicze
MENU
STRONA GŁÓWNA
Przyroda polska
Zdjęcia natury
Fizyka teoretyczna
Biologia teoretyczna
Biochemia
Biologia molekularna
Ornitologia
Rośliny Polski
Botanika
Zoologia
Internetowe ZOO
Związki czynne roślin
Pierwiastki
chemiczne
Chemia nieorg.
Chemia organiczna
Ciekawostki
biologiczne
Ciekawostki
fizyczne
Ciekawostki
chemiczne
Ciekawe książki
Ciekawe strony www
Słownik

INFO
INFO O AUTORZE
KONTAKT

Do działu: FIZYKA TEORETYCZNA →

Druga zasada termodynamiki

Entropia to jedna z funkcji charakteryzujących stan układu fizycznego. Jej wartość mierzy stopień nieuporządkowania układu i jest ona większa dla stanu mniej uporządkowanego.
Pojęcie entropii (S) zostało wprowadzone do fizyki przez niemieckiego fizyka - Rudolfa Clausiusa w 1865 roku.

Druga zasada termodynamiki mówi, że w trakcie ewolucji układu izolowanego, jego entropia nie może maleć. Zapisujemy to następująco:

ΔS ≥ 0

gdzie: ΔS - przyrost entropii

Znaczy to tyle, że układ niewymieniający z otoczeniem ani ciepła ani materii, w sposób samorzutny przechodzi z czasem do stanów mniej uporządkowanych (entropia rośnie → procesy nieodwracalne) lub pozostaje w stanie o tym samym stopniu uporządkowania (entropia nie zmienia się → procesy odwracalne).
Cały Wszechświat możemy traktować jak układ izolowany, stąd inne sformułowanie drugiej zasady termodynamiki:

Entropia całego Wszechświata nie maleje

Jeśli mamy do czynienia z układem zamkniętym (wymieniającym z otoczeniem tylko ciepło) to, w przypadku procesów przebiegających w stałej temperaturze, zmianę jego entropii wyraża wzór:

ΔS ≥ Q/T

gdzie: ΔS - przyrost entropii, Q - ciepło wymienione przez układ (dodatnie jeśli pobrane, ujemne - jeśli oddane), T - temperatura układu.

Jeśli natomiast proces nie przebiega w stałej temperaturze, to przyrost entropii musimy obliczać przez scałkowanie nieskończenie małych przyrostów (1/T nie jest stałą i nie możemy wyłączyć tego przed całkę):

ΔS ≥ ∫dQ/T

Zobaczmy teraz jak druga zasada termodynamiki wyjaśnia proste zjawisko, które często obserwujemy w życiu codziennym. Weźmy układ zamknięty - szklankę z gorącą herbatą o temperaturze Tsz. Otoczenie ma temperaturę To. Załóżmy, że proces wymiany przez tą szklankę ciepła z otoczeniem przebiega w stałej temperaturze. Zmiana entropii Wszechświata to zmiana entropii szklanki, która oddaje ciepło (-Q) oraz całego otoczenia, które pobiera ciepło (+Q). Proces taki, jak wiemy z doświadczenia, jest nieodwracalny.
A więc możemy napisać:

ΔS = (Q/To) + (-Q/Tsz) > 0
czyli
Q(1/To - 1/Tsz) > 0

Widać, że nierówność powyższa jest spełniona tylko wtedy, gdy Tsz > To. Szklanka oddaje ciepło (stygnie) tylko wtedy, gdy ma wyższą temperaturę od swojego otoczenia.

Kolejne sformułowanie drugiej zasady termodynamiki zostało ogłoszone w 1850 roku przez Rudolfa Clausiusa, a jego treść przedstawia się następująco:

Ciepło nie może samorzutnie przejść od ciała zimniejszego do cieplejszego

Pokazaliśmy już, że zawsze ciało cieplejsze (o wyższej temperaturze) samorzutnie traci ciepło i odwrotnie być nie może.
Zastanówmy się teraz: pod jakimi warunkami byłby możliwy pobór ciepła z ciała o temperaturze niższej i oddanie go ciału cieplejszemu? Jak musielibyśmy wesprzeć ten proces?
Ciało 1 (cieplejsze) ma temperaturę T1. Ciało zimniejsze - temperaturę T2 (T1 > T2). Jako, że T1 > T2, to:

ΔS = (Q/T1) + (-Q/T2) < 0

Czy da się to wyrażenie uczynić dodatnim? Tak, ale tylko wtedy, gdy (Q/T1) > (Q/T2).
A to jest możliwe tylko wtedy, gdy Q z lewej strony nierówności będzie odpowiednio większe od Q ze strony prawej (Q1 > Q2).
Jednak, więcej ciepła pobranego niż oddanego, to wniosek niezgodny z prawem zachowania energii. Na szczęście, wyrównującym dodatkiem do Q2 może być praca
(Q1 = Q2 + W).
A więc, możliwe jest istnienie cyklicznie pracującej pompy cieplnej, przekazującej ciepło z ciała zimniejszego do cieplejszego, ale pod warunkiem, że dzieje się to kosztem pobranej z zewnątrz pracy.

Druga zasada termodynamiki w następnym sformułowaniu, podanym w 1874 roku przez Lorda Kelvina, brzmi:

Nie można skonstruować perpetuum mobile drugiego rodzaju

Zatem, możliwość istnienia perpetuum mobile II rodzaju - maszyny, która pracuje w cyklu i pobiera ciepło, zamieniając je w całości na pracę, jest sprzeczna ze sprawdzoną i ważną zasadą fizyki. Taka maszyna po prostu nie istnieje.

Zastanówmy się dlaczego tak jest. Maszyna, która pobiera ciepło (Q) ze zbiornika i zamienia je wyłącznie na pracę jakiegoś układu (W), sama nie zmienia swojej entropii, bo pracuje w cyklu. Czyli ΔSm = 0. Układ też nie zmienia swej entropii, bo dostaje W, a nie Q (ΔSu = 0). Zbiornik traci ciepło na rzecz maszyny, więc ΔSzb = -Q/T.
Sumarycznie:

ΔS = ΔSm + ΔSu + Szb = -Q/T < 0

Widzimy, że całkowity przyrost entropii jest ujemny (entropia maleje), co jest sprzeczne z drugą zasadą termodynamiki.

MACIEJ PANCZYKOWSKI

 Autor wortalu: Maciej Panczykowski, Copyright © 2003-2018 by Maciej Panczykowski