Други принцип термодинамике

Други принцип термодинамике наводи да се укупна ентропија изолованог система никада не може смањити током времена. Укупна ентропија система и његовог окружења може да остане константна у идеалним случајевима где је систем у термодинамичкој равнотежи, или се у њему одвија (фиктивни) реверзибилни процес. У свим процесима који се јављају, укључујући спонтане процесе,^[1] укупна ентропија система и његовог окружења се повећава и процес је неповратан у термодинамичком смислу. Пораст ентропије објашњава неповратност природних процеса, и асиметрију између будућности и прошлости.^[2] Други принцип термодинамике одређује смер топлотних процеса: топлота никада не прелази спонтано са тела које има нижу температуру на тело које има вишу температуру. Поред смера топлотних процеса, други принцип термодинамике показује немогућност постојања перпетуум мобиле друге врсте.

Историјски, други закон је био емпиријски налаз који је био прихватан као аксиом термодинамичке теорије. Статистичка механика, класична или квантна, објашњава микроскопско порекло закона.

Други закон је био изражен на много начина. Његову прву формулацију је произвео француски физичар Сади Карно, који је 1824. године показао да постоји горња граница ефикасности конверзије топлоте у рад, у топлотној машини.

Дефиниције другог принципа термодинамике

Постоји више дефиниција другог принципа термодинамике а најпознатија су Клаузијусово, Планково, Болцманово, Карноово.

Клаузијусово начело: Ентропија изолованог система није равнотежна, већ временом тежи да се приближи маскимуму.

Планково начело: Немогуће је конструисати машину са периодичним дејством која не ради ништа друго осим што подиже терет и хлади топлотни резервоар. Други закон термодинамике указује нам да процес претварања топлоте у рад (а према томе и хлађење тела које одаје топлоту) не појављује као једини исход овог процеса, већ морају постојати и други резултати.

Карно: Највећи коефицијент корисног дејства топлотне машине не зависи од врсте тела које посредује и потпуно је одређен почетном и крајњом температуром рада машине.

Перпетуум мобиле друге врсте

Први принцип термодинамике оставља теоријску могућност да се сва количина топлоте претвори у рад. Ако бисмо били у могућности да конструишемо такву машину која би потпуно претворила топлоту у користан рад, а да овој машини не треба хладњак, она би била перпетуум мобиле друге врсте.

То значи да не постоји могућност претварање целокупне топлоте у користан рад без губитака енергије.

Перпетуум мобиле прве врсте и перпетуум мобиле друге врсте, међусобно се не искључују.

Статистички смисао другог принципа термодинамике

Прелазак изолованог термодинамичког система из мање вероватног у вероватнији облик

Лудвиг Болцман је дефинисао други принцип термодинамике са статистичког становишта:

„Изолован и препуштен самом себи термодинамички систем ће прећи из мање вероватног у вероватније стање“.

Претпоставимо да имамо посуду у којој се налазе два гаса међусобно одвојена преградом (на слици фаза 1). Након уклања преграде гасови ће прећи из мање вероватног стања (на слици стање до под бројем 1) у вероватније стање (на слици стање под број 2). Значи већа је вероватноћа да ће доћи до мешања два гаса пре него да ће остати у првобитном стању. Ентропија система се повећала.

$\Delta S\geq 0$

У затвореним системима ентропија може само да расте достижући максимум у стању термодинамичке равнотеже.

Примена другог принципа термодинамике

Клима уређај

Расхладни уређаји раде као примена другог принципа термодинамике. Клима-уређаји хладе просторију на основу загревања спољашњег ваздуха.

Временске стреле

Временске стреле дају времену смер и разликују прошлост од будућности.

Зашто не можемо да видимо како се разбијена чаша на поду сама враћа назад на сто?

Разлог лежи у другом принципу термодинамике. Током времена ентропија неког система се повећава или остаје константна, она се никада не смањује.

Постоје три временске стреле.

Максвелов демон

Све је заправо потекло од чувеног шкотског математичара и физичара Џејмса Клерка Максвела (1831—1879). Максвел је осмислио један мисаони експеримент уз помоћ кога је желео да оспори други закон термодинамике.

Прост приказ Максвеловог демона

Замислимо такође једну кутију у којој се налазе два гаса. Кутија је издељена на два дела А и Б. Кутија је преграђена и само створење (демон) која се налази на средини кутије има могућност да пропушта молекуле. Том демону дата је могућност да пропушта само брзе молекуле из дела А у део Б, и да пропушта само споре молекуле из дела Б у део А.

Више чињеница

Ентропија свемира се стално повећава.

За црне рупе такође важи други принцип термодинамике. Ентропија у њима расте, што значи да имају температуру и извесно зрачење (Хокингово зрачење).

Економиста Николас Георгеску-Реген показао је the значај закона о ентропији у пољу економије (његов рад Закон ентропије и процеси у екномији (The Entropy Law and the Economic Process (1971), Harvard University Press)).

Види још

Референце

^ Atkins and de Paula, p.78
^ Zohuri, Bahman (2016). Dimensional Analysis Beyond the Pi Theorem. Springer. стр. 111. ISBN 978-3-319-45726-0.

Литература

Zohuri, Bahman (2016). Dimensional Analysis Beyond the Pi Theorem. Springer. стр. 111. ISBN 978-3-319-45726-0.
Милорад Млађеновић, Мирко Јакшић (1993). Историја класичне физике. Београд: Завод за уџбенике и наставна средства. ISBN 978-86-17-02314-8.
Adkins, C.J. (1968/1983). Equilibrium Thermodynamics. Cambridge University Press. 1983. ISBN 978-0-521-25445-8. , (1st edition 1968), third edition, Cambridge UK. .
Atkins, Peter; Paula, Julio de (2006). Physical Chemistry (8th изд.). Macmillan. ISBN 978-0-7167-8759-4. .
Attard, Phil (2012). Non-equilibrium Thermodynamics and Statistical Mechanics: Foundations and Applications. Oxford UK: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-966276-0. .
Baierlein, Ralph (1999). Thermal Physics. Cambridge UK: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-59082-2. .
Bailyn, Martin (1994). A Survey of Thermodynamics. American Institute of Physics. ISBN 978-0-88318-797-5. .
Blundell, Stephen J.; Blundell, Katherine M. (2010). Concepts in thermal physics (2nd изд.). Oxford: Oxford University Press. ISBN 9780199562107. OCLC 607907330. doi:10.1093/acprof:oso/9780199562091.001.0001.
Boltzmann, L. (1896/1964). Lectures on Gas Theory, translated by S.G. Brush, University of California Press, Berkeley.
Borgnakke, C., Sonntag., R.E (2009). Fundamentals of Thermodynamics. ISBN 978-0-470-04192-5. , seventh edition, Wiley. .
Buchdahl, H.A (1966). The Concepts of Classical Thermodynamics. Cambridge University Press. . Cambridge UK.
Bridgman, P.W. The Nature of Thermodynamics. Harvard University Press. 1943. . Cambridge MA.
Callen, H.B. (1960/1985). Thermodynamics and an Introduction to Thermostatistics. 1985. ISBN 978-0-471-86256-7. , (1st edition 1960) 2nd edition Wiley. .
Carathéodory, C. (1909). „Untersuchungen über die Grundlagen der Thermodynamik”. Mathematische Annalen. 67 (3): 355—386. S2CID 118230148. doi:10.1007/bf01450409. Архивирано из оригинала 4. 3. 2016. г. Приступљено 3. 3. 2019. „Axiom II: In jeder beliebigen Umgebung eines willkürlich vorgeschriebenen Anfangszustandes gibt es Zustände, die durch adiabatische Zustandsänderungen nicht beliebig approximiert werden können. (p.363)” . A translation may be found here [1]. Also a mostly reliable translation is to be found at Kestin, J. The Second Law of Thermodynamics. 1976. , Dowden, Hutchinson & Ross, Stroudsburg PA.
Carnot, S. (1824/1986). Reflections on the motive power of fire. Manchester University Press. ISBN 978-0-7190-1741-4. . Manchester UK. . Also here.
Chapman, S., Cowling, T.G. (1939/1970). The Mathematical Theory of Non-uniform gases. An Account of the Kinetic Theory of Viscosity, Thermal Conduction and Diffusion in Gases, third edition 1970, Cambridge University Press, London.
Clausius, R. (1850). „Ueber Die Bewegende Kraft Der Wärme Und Die Gesetze, Welche Sich Daraus Für Die Wärmelehre Selbst Ableiten Lassen”. Annalen der Physik. 79 (4): 368—397, 500—524. Bibcode:1850AnP...155..500C. doi:10.1002/andp.18501550403. hdl:2027/uc1.$b242250. Приступљено 26. 6. 2012. Translated into English: Clausius, R. (јул 1851). „On the Moving Force of Heat, and the Laws regarding the Nature of Heat itself which are deducible therefrom”. London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 4th. 2 (VIII): 1—21; 102—119. doi:10.1080/14786445108646819. Приступљено 26. 6. 2012.
Clausius, R. (1854). „Über eine veränderte Form des zweiten Hauptsatzes der mechanischen Wärmetheorie” (PDF). Annalen der Physik. xciii (12): 481—506. Bibcode:1854AnP...169..481C. doi:10.1002/andp.18541691202. Архивирано из оригинала (PDF) 24. 03. 2014. г. Приступљено 24. 3. 2014. Translated into English: Clausius, R. (јул 1856). „On a Modified Form of the Second Fundamental Theorem in the Mechanical Theory of Heat”. London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 4th. 2: 86. Приступљено 24. 3. 2014. Reprinted in: Clausius, R. (1867). The Mechanical Theory of Heat – with its Applications to the Steam Engine and to Physical Properties of Bodies. London: John van Voorst. Приступљено 19. 6. 2012.
Denbigh, K. (1954/1981). The Principles of Chemical Equilibrium. With Applications in Chemistry and Chemical Engineering. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-23682-9. , fourth edition,, Cambridge UK. .
Eu, B.C (2002). Generalized Thermodynamics. The Thermodynamics of Irreversible Processes and Generalized Hydrodynamics. ISBN 978-1-4020-0788-0. , Kluwer Academic Publishers, Dordrecht. .
Gibbs, J.W. (1876/1878). On the equilibrium of heterogeneous substances, Trans. Conn. Acad., 3: 108-248, 343-524, reprinted in The Collected Works of J. Willard Gibbs, Ph.D, LL. D., edited by W.R. Longley, R.G. Van Name, Longmans, Green & Co., New York, 1928, volume 1, pp. 55–353.
Griem, Hans R. (2005). Principles of Plasma Spectroscopy (Cambridge Monographs on Plasma Physics). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-61941-7. .
Glansdorff, P., Prigogine, I (1971). Thermodynamic Theory of Structure, Stability, and Fluctuations. London: Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-30280-3.
Grandy, W.T., Jr . (2008). Entropy and the Time Evolution of Macroscopic Systems. Oxford University Press. ISBN 978-0-19-954617-6.
Greven, A., Keller, G., Warnecke (editors) Entropy. Princeton University Press. 2003. ISBN 978-0-691-11338-8. . Princeton NJ. .
Guggenheim, E.A. (1949). 'Statistical basis of thermodynamics', Research, 2: 450–454.
Guggenheim, E.A. (1967). Thermodynamics. An Advanced Treatment for Chemists and Physicists. , fifth revised edition, North Holland, Amsterdam.
Gyarmati, I. (1967/1970) Non-equilibrium Thermodynamics. Field Theory and Variational Principles, translated by E. Gyarmati and W.F. Heinz, Springer, New York.
Kittel, C., Kroemer, H. (1969/1980). Thermal Physics. ISBN 978-0-7167-1088-2. , second edition, Freeman, San Francisco CA. .
Kondepudi, D., Prigogine, I. Modern Thermodynamics: From Heat Engines to Dissipative Structures. 1998. ISBN 978-0-471-97393-5. , John Wiley & Sons, Chichester. .
Lebon, G., Jou, D., Casas-Vázquez, J. Understanding Non-equilibrium Thermodynamics: Foundations, Applications, Frontiers. Springer-Verlag. 2008. ISBN 978-3-540-74252-4.
Lieb, E. H.; Yngvason, J. (1999). „The Physics and Mathematics of the Second Law of Thermodynamics”. Physics Reports. 310 (1): 1—96. Bibcode:1999PhR...310....1L. S2CID 263872027. arXiv:cond-mat/9708200  . doi:10.1016/S0370-1573(98)00082-9.
Lieb, E.H., Yngvason, J. (2003). The Entropy of Classical Thermodynamics, pp. 147–195, Chapter 8 of Entropy, Greven, A., Keller, G., Warnecke (editors) (2003).
Mandl, F. (1988). Statistical physics (second изд.). Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-91533-1.
Maxwell, J.C. (1867). „On the dynamical theory of gases”. Phil. Trans. R. Soc. Lond. 157: 49—88. S2CID 96568430. doi:10.1098/rstl.1867.0004.
Müller, I. Thermodynamics. Pitman. 1985. ISBN 978-0-273-08577-5.
Müller, I. (2003). Entropy in Nonequilibrium, pp. 79–109, Chapter 5 of Entropy, Greven, A., Keller, G., Warnecke (editors) (2003).
Münster, A (1970). Classical Thermodynamics. ISBN 978-0-471-62430-1. , translated by E.S. Halberstadt, Wiley–Interscience. .
Pippard, A.B. (1957/1966). Elements of Classical Thermodynamics for Advanced Students of Physics, original publication 1957, reprint 1966, Cambridge University Press, Cambridge UK.
Planck, M. (1897/1903). Treatise on Thermodynamics, translated by A. Ogg, Longmans Green, London, p. 100.
Planck. M. (1914). The Theory of Heat Radiation, a translation by Masius, M. of the second German edition, P. Blakiston's Son & Co., Philadelphia.
Planck, M. (1926). Über die Begründung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, Sitzungsberichte der Preussischen Akademie der Wissenschaften: Physikalisch-mathematische Klasse: 453–463.
Pokrovskii V.N. (2005) Extended thermodynamics in a discrete-system approach, Eur. J. Phys. vol. 26, 769-781.
Pokrovskii, Vladimir N. (2013). „A Derivation of the Main Relations of Nonequilibrium Thermodynamics”. ISRN Thermodynamics. 2013: 1—9. doi:10.1155/2013/906136  .
Quinn, T.J (1983). Temperature. London: Academic Press. ISBN 978-0-12-569680-7. .
Rao, Y.V.C. (2004). An Introduction to thermodynamics. Universities Press. стр. 213. ISBN 978-81-7371-461-0.
Roberts, J.K., Miller, A.R. (1928/1960). Heat and Thermodynamics, (first edition 1928), fifth edition, Blackie & Son Limited, Glasgow.
Schrödinger, E. (1950). Irreversibility, Proc. R. Ir. Acad., A53: 189–195.
ter Haar, D., Wergeland, H. (1966). Elements of Thermodynamics. , Addison-Wesley Publishing, Reading MA.
Thomson, W. (1851). „On the Dynamical Theory of Heat, with numerical results deduced from Mr Joule's equivalent of a Thermal Unit, and M. Regnault's Observations on Steam”. Transactions of the Royal Society of Edinburgh. XX (part II): 261—268; 289—298. Also published in Thomson, W. (децембар 1852). „On the Dynamical Theory of Heat, with numerical results deduced from Mr Joule's equivalent of a Thermal Unit, and M. Regnault's Observations on Steam”. Philos. Mag. 4. IV (22): 13. Приступљено 25. 6. 2012.
Thomson, W. On the universal tendency in nature to the dissipation of mechanical energy. 1852. Philosophical Magazine, Ser. 4, p. 304.
Tisza, L. Generalized Thermodynamics. 1966. , M.I.T Press, Cambridge MA.
Truesdell, C. (1980). The Tragicomical History of Thermodynamics 1822–1854. Springer. ISBN 978-0-387-90403-0. .
Uffink, J. (2001). „Bluff your way in the second law of thermodynamics,”. Stud. Hist. Phil. Mod. Phys. 32 (3): 305—394. .
Uffink, J. Irreversibility and the Second Law of Thermodynamics, Chapter 7 of Entropy. Princeton University Press. 2003. ISBN 978-0-691-11338-8. , Greven, A., Keller, G., Warnecke (editors) (2003),, Princeton NJ. .
Uhlenbeck, G.E., Ford, G.W (1963). Lectures in Statistical Mechanics. , American Mathematical Society, Providence RI.
Zemansky, M.W. (1968). Heat and Thermodynamics. An Intermediate Textbook. , fifth edition, McGraw-Hill Book Company, New York.
Goldstein, Martin, and Inge F. (1993). The Refrigerator and the Universe. Harvard University Press. ISBN 978-0-674-75324-2. . Chpts. 4–9 contain an introduction to the Second Law, one a bit less technical than this entry.
Leff, Harvey S., and Rex, Andrew F. (eds.) Maxwell's Demon 2 : Entropy, classical and quantum information, computing. 2003. ISBN 978-0-585-49237-7. . Bristol UK; Philadelphia PA: Institute of Physics.
Halliwell, J.J. (1994). Physical Origins of Time Asymmetry. Cambridge. ISBN 978-0-521-56837-1. (technical).
Carnot, Sadi (1890). Thurston, Robert Henry, ур. Reflections on the Motive Power of Heat and on Machines Fitted to Develop That Power. New York: J. Wiley & Sons. (full text of 1897 ed.) (html)
Stephen Jay Kline (1999). The Low-Down on Entropy and Interpretive Thermodynamics. CA: DCW Industries. ISBN 978-1-928729-01-3. , La Cañada. .
Kostic, M (2011). Revisiting The Second Law of Energy Degradation and Entropy Generation: From Sadi Carnot's Ingenious Reasoning to Holistic Generalization. AIP Conf. Proc. AIP Conference Proceedings. 1411. стр. 327—350. Bibcode:2011AIPC.1411..327K. CiteSeerX 10.1.1.405.1945  . ISBN 978-0-7354-0985-9. doi:10.1063/1.3665247. also at [2].