Termodynamikens andra huvudsats

Författare: Leandro Alegsa

07-12-2021

Termodynamikens andra lag säger att när energi övergår från en form till en annan eller när materia rör sig fritt ökar entropin (oordningen) i ett slutet system.

Skillnader i temperatur, tryck och densitet tenderar att jämna ut sig horisontellt efter ett tag. På grund av tyngdkraften jämnar inte densitet och tryck ut sig vertikalt. Densiteten och trycket kommer att vara större på botten än på toppen.

Entropi är ett mått på hur materia och energi sprids överallt där de har tillträde.

Den vanligaste formuleringen av termodynamikens andra lag är i huvudsak Rudolf Clausius:

Med andra ord försöker allting hålla samma temperatur över tiden.

Det finns många uttalanden om den andra lagen som använder olika termer, men som alla betyder samma sak. Ett annat uttalande av Clausius är:

Värme kan inte i sig själv överföras från en kallare till en varmare kropp.

Ett motsvarande uttalande av Lord Kelvin är:

En omvandling vars enda slutresultat är att omvandla värme, som utvinns från en källa med konstant temperatur, till arbete är omöjlig.

Den andra lagen gäller endast för stora system. Den andra lagen handlar om det sannolika beteendet hos ett system där ingen energi eller materia kommer in eller ut. Ju större systemet är, desto mer sannolikt är det att den andra lagen är sann.

Ett enkelt stiliserat diagram över en värmepumps kylcykel med ångkompression: 1) kondensator, 2) expansionsventil, 3) förångare, 4) kompressor.

Contents

Översikt

I en allmän mening säger den andra lagen att temperaturskillnader mellan system som är i kontakt med varandra tenderar att jämna ut sig och att arbete kan erhållas från dessa skillnader som inte är i jämvikt, men att det sker en förlust av värmeenergi när arbete utförs och entropin ökar. Tryck-, densitets- och temperaturskillnader i ett isolerat system tenderar alla att jämna ut sig om de ges möjlighet; densitet och tryck, men inte temperatur, påverkas av gravitationen. En värmemotor är en mekanisk anordning som ger användbart arbete från temperaturskillnaden mellan två kroppar.

Citat

Lagen om att entropin alltid ökar har enligt min mening den högsta positionen bland naturlagarna. Om någon påpekar för er att er favoritteori om universum inte stämmer överens med Maxwells ekvationer - så är det desto värre för Maxwells ekvationer. Om det visar sig att den motsägs av observationer - ja, dessa experimentalister klantar sig ibland. Men om din teori visar sig strida mot termodynamikens andra lag kan jag inte ge dig något hopp; det finns inget annat val än att kollapsa i djupaste förödmjukelse.

--Sir Arthur Stanley Eddington, The Nature of the Physical World (1927)

Tendensen att entropin ökar i isolerade system uttrycks i termodynamikens andra lag - kanske den mest pessimistiska och amoraliska formuleringen i allt mänskligt tänkande.

--Greg Hill och Kerry Thornley, Principia Discordia (1965).

Det finns nästan lika många formuleringar av den andra lagen som det har funnits diskussioner om den.

--Filosofen/fysikern P.W. Bridgman, (1941)

Diverse

Flanders och Swann har gjort en tonsättning av en förklaring av termodynamikens andra lag till musik, kallad "First and Second Law".
Ekonomen Nicholas Georgescu-Roegen visade vilken betydelse entropilagen har för ekonomin (se hans verk The Entropy Law and the Economic Process (1971), Harvard University Press).

Frågor och svar

F: Vad är termodynamikens andra huvudsats?

S: Termodynamikens andra huvudsats säger att när energi övergår från en form till en annan, eller materia rör sig fritt, ökar entropin (oordningen) i ett slutet system.

F: Vad tenderar att jämna ut sig horisontellt över tid?

S: Skillnader i temperatur, tryck och densitet tenderar att jämnas ut horisontellt efter ett tag.

F: Varför utjämnas inte densitet och tryck vertikalt?

S: På grund av gravitationskraften utjämnas inte densitet och tryck vertikalt. Densitet och tryck på botten kommer att vara större än på toppen.

F: Vad är entropi?

S: Entropi är ett mått på hur materia och energi sprids överallt där de finns.

F: Vilken är den vanligaste formuleringen för termodynamikens andra huvudsats?

S: Den vanligaste formuleringen av termodynamikens andra huvudsats beror i huvudsak på Rudolf Clausius: allting försöker hålla samma temperatur över tiden.

F: Vad är ett annat uttalande av Clausius om termodynamikens andra huvudsats?

S: Ett annat uttalande av Clausius är att värme inte i sig kan överföras från en kallare till en varmare kropp.

F: På vilken typ av system är termodynamikens andra huvudsats tillämplig?

S: Termodynamikens andra huvudsats gäller bara för stora system, där ingen energi eller materia kommer in eller ut. Ju större systemet är, desto mer sannolikt är det att den andra huvudsatsen är sann.