Segunda Lei da Termodinâmica

Segunda Lei da Termodinâmica – Definição

A segunda lei da termodinâmica explica que a entropia de um sistema isolado sempre aumenta, e é muitas vezes chamado a lei do aumento da entropia. A entropia (S) é a desordem ou caos num sistema.

Em outras palavras, a entropia mede a energia em um sistema disponível para o trabalho. O aumento na energia de trabalho perdido é diretamente relacionada com um aumento da desorganização do sistema.

Em termos matemáticos, S> 0. Este é o distúrbio natural da matéria e da energia, mesmo que a quantidade permanece a mesma (isto é, a lei da conservação da matéria). A energia utilizável é permanentemente perdida na forma de energia inutilizável.

A entropia é a medida da energia disponível dentro de um sistema fechado (por exemplo, o universo).

Segunda Lei da Termodinâmica – O que é

Segunda Lei da Termodinâmica

A segunda lei da termodinâmica é um princípio geral que impõe restrições sobre a direção da transferência de calor e as eficiências atingíveis de motores térmicos. Ao fazê-lo, ele vai além das limitações impostas pela primeira lei da termodinâmica . É implicações podem ser visualizados em termos de analogia cachoeira.

A segunda lei da termodinâmica afirma que “a entropia de um sistema isolado não diminui”. Isso é muitas vezes tomado para significar que “desordem sempre aumenta” e é frequentemente mal interpretada. Outra forma de colocar a questão é “A capacidade de um sistema isolado para fazer reduções de trabalho ao longo do tempo”.

A segunda lei está preocupado com a entropia, que é uma medida da desordem. A segunda lei diz que a entropia do universo aumenta.

Há duas afirmações clássicas da segunda lei da termodinâmica:

Kelvin e Planck: “Sem motor (calor), cujo fluido de trabalho passa por um ciclo pode absorver o calor a partir de um único reservatório, proporcionar uma quantidade equivalente de trabalho, e realizar nenhum outro efeito”

Clausius: “Nenhuma máquina cujo fluido de trabalho passa por um ciclo pode absorver o calor de um sistema, rejeitar o calor para outro sistema e não produzem outro efeito”

Ambas as declarações de segundo lugar restrições da lei sobre a primeira lei, identificando que a energia vai descer.

A segunda lei está preocupado com a entropia (S). Entropia é produzida por todos os processos e associada com a produção de entropia é a perda de capacidade para realizar trabalho. A segunda lei diz que a entropia do universo aumenta. Um aumento da perturbação global é portanto espontânea.

Se o volume e energia de um sistema é constante, então a cada mudança no sistema aumenta a entropia. Se o volume ou mudar de energia, então a entropia do sistema realmente diminuir. No entanto, a entropia do universo não diminui.

Para que a energia fique disponível deve haver uma região com elevado nível de energia e uma região com baixo nível de energia. Um trabalho útil deve ser derivada a partir da energia que flui a partir do alto nível para o nível baixo.

100% da energia não pode ser transformado para trabalhar

A entropia pode ser produzido, mas nunca destruído

A segunda lei da termodinâmica (também conhecida como a segunda lei da termodinâmica eo princípio de Carnot) estabelece os irreversibilidade fenômenos físicos , especialmente na troca de calor. É um princípio da evolução que foi definido pela primeira vez por Sadi Carnot em 1824. Ele já foi alvo de muitas generalizações e sucessivas formulações Clapeyron ( 1834 ), Clausius ( 1850 ), Lord Kelvin , Ludwig Boltzmann em 1873 e Max Planck em todo o séculoXIX, e mais além.

O segundo princípio apresenta a função de estado entropia: S, geralmente equiparado com o conceito de doença que só pode crescer em uma transformação real.

A segunda lei da termodinâmica afirma que a entropia de um sistema isolado nunca diminui, porque os sistemas isolados espontaneamente evoluir para o equilíbrio termodinâmico, o estado de entropia máxima. Equivalentemente, máquinas de movimento perpétuo do segundo tipo são impossíveis.

A segunda lei é uma empiricamente validados postulado da termodinâmica , mas pode ser compreendido e explicado usando o quantum subjacentes mecânica estatística, juntamente com a suposição de baixa entropia condições iniciais no passado distante (possivelmente no início do universo).

Na linguagem de mecânica estatística, a entropia é uma medida do número de configurações microscópicas correspondentes a um estado de macroscópico.

Porque equilíbrio termodinâmico corresponde a um número muito maior de configurações microscópicas de qualquer Estado não-equilíbrio, tem a máxima entropia, ea segunda lei segue por acaso sozinho praticamente garante que o sistema irá evoluir para tal equilíbrio termodinâmico.

É uma expressão do fato de ao longo do tempo, as diferenças de temperatura, de pressão e de potencial químico diminuição de um não-gravitacional isolado física do sistema , levando, eventualmente, a um estado de equilíbrio termodinâmico.

A segunda lei pode ser expressa de várias maneiras específicas, mas a primeira formulação é creditada ao cientista francês Sadi Carnot , em 1824. Estritamente falando, as primeiras declarações da Segunda Lei são apenas correta em um plano horizontal em um campo gravitacional.

A segunda lei tem sido mostrado para ser equivalente à energia interna L ser uma fraca função convexa , quando expressa em função de propriedades extensivas (massa, volume, entropia, …).

Segunda Lei da Termodinâmica – As Leis do Poder de calor

A Segunda Lei da Termodinâmica é uma das três Leis da Termodinâmica.

O termo “termodinâmica” vem de duas palavras de raiz: “térmicas”, significado de calor, e, “dinâmica” de energia significado. Assim, as leis da termodinâmica são as Leis de “Power Heat.” Tanto quanto podemos dizer, essas leis são absolutas. Todas as coisas no universo observável são afetados por e obedecer as leis da termodinâmica.

A Primeira Lei da Termodinâmica, vulgarmente conhecida como a Lei da Conservação da Matéria, afirma que a matéria / energia não pode ser criada nem pode ser destruída. A quantidade de matéria / energia permanece o mesmo. Ele pode mudar de sólido para líquido para gás de plasma e vice-versa, mas a quantidade total de matéria / energia no universo permanece constante.

Segunda Lei da Termodinâmica – Aumento da Entropia

A Segunda Lei da Termodinâmica é comumente conhecida como a Lei do Aumento da Entropia. Enquanto permanece a mesma quantidade (Primeira Lei), a qualidade da matéria / energia deteriora-se gradualmente ao longo do tempo. Como assim? Energia utilizável é inevitavelmente usado para produtividade, crescimento e reparo. No processo, a energia disponível é convertida em energia utilizável. Assim, a energia utilizável é irremediavelmente perdida sob a forma de energia utilizável.

“Entropia” é definida como uma medida de energia utilizável num sistema fechado ou isoladas (por exemplo, o universo). Como diminui utilizáveis de energia e aumenta a energia inutilizável, aumenta a “entropia”. Entropia é também um indicador da aleatoriedade caos ou dentro de um sistema fechado. Como a energia utilizável é irremediavelmente perdida, a desorganização, a aleatoriedade e aumentar o caos.

Segunda Lei da Termodinâmica – No Princípio

As implicações da Segunda Lei da Termodinâmica são consideráveis. O universo está constantemente perdendo energia utilizável e nunca ganhar. Nós logicamente concluir o universo não é eterno. O universo teve um começo finito – o momento em que ele estava em “zero entropia” (seu estado mais ordenada possível). Como um relógio de corda, o universo As implicações da Segunda Lei da Termodinâmica são consideráveis. O universo está constantemente perdendo energia utilizável e nunca ganhar. Nós logicamente concluir o universo não é eterno. O universo teve um começo finito – o momento em que ele estava em “zero entropia” (seu estado mais ordenada possível). Como um relógio de corda, o universo está diminuindo, como se estivesse em um ponto que foi totalmente liquidada e foi enrolando para baixo desde então. A questão é que acabou o relógio?

As implicações teológicas são óbvias.

O astrônomo Robert Jastrow da NASA comentou sobre estas implicações, quando disse: “Os teólogos geralmente estão muito satisfeitos com a prova de que o universo teve um começo, mas os astrônomos estão curiosamente chateado. Acontece que o cientista se comporta como o resto de nós quando nossas crenças estão em conflito com as provas. ” (Robert Jastrow, Deus e os astrônomos, 1978, p. 16.).

Jastrow passou a dizer: “Para o cientista que viveu pela sua fé no poder da razão, a história termina como um sonho ruim Ele escalou as montanhas da ignorância.

Ele está prestes a conquistar o pico mais alto, como ele puxa se sobre a rocha final, é saudado por um grupo de teólogos que se têm sentado lá por séculos. ” (Deus e os astrônomos, p. 116.) Parece que o Ovo Cósmico, que foi o nascimento do nosso universo logicamente requer uma galinha Cósmica …

Segunda Lei da Termodinâmica – Calor

As leis da termodinâmica descrever as relações entre energia térmica, ou calor, e outras formas de energia, e como a energia afeta a matéria

A primeira lei da Termodinâmica é uma generalização do princípio de conservação da energia, incorporando no balanço energético a quantidade de energia trocada entre o sistema e a vizinhança na forma de calor. Esta lei não contém restrições quanto à direção do fluxo de energia entre dois sistemas. Por exemplo, esta lei permite tanto a passagem de energia na forma de calor de um corpo de temperatura maior a outro de temperatura menor quanto no sentido inverso. Na natureza observa-se que é possível a passagem espontânea de energia na forma de calor apenas de um corpo de temperatura maior a outro de temperatura menor. A segunda lei da Termodinâmica dá conta desta falta de correspondência.

A segunda lei da Termodinâmica pode ser enunciada da seguinte maneira (enunciado de Kelvin): É impossível realizar um processo cujo único efeito seja a produção de trabalho às custas da energia na forma de calor retirada de uma única fonte térmica. Note que a expressão único efeito significa que o processo deve ser cíclico. O fato de o processo ter que ser cíclico é importante. Pode-se perfeitamente imaginar um processo não cíclico através do qual a energia retirada de uma única fonte na forma de calor seja inteiramente transformada em trabalho. Por exemplo, se um gás com comportamento ideal se expande isotermicamente em contato com um reservatório térmico, absorvendo uma quantidade de energia na forma de calor e realizando um trabalho contra a vizinhança, como DU = 0, a quantidade de energia absorvida como calor é igual à energia perdida como trabalho.

Por outro lado, nenhuma lei natural impede que num processo cíclico energia na forma de trabalho seja convertida completamente em energia na forma de calor como, por exemplo, ao se forçar o movimento relativo de duas superfícies uma em relação à outra, quando existe atrito entre elas.

A segunda lei da Termodinâmica pode, também, ser enunciada da seguinte maneira (enunciado de Clausius): É impossível realizar um processo cujo único efeito seja a transferência de energia na forma de calor de uma fonte para outra a temperatura maior. Novamente, a expressão único efeito significa que o processo deve ser cíclico. Se o sistema não volta ao estado inicial, a transferência é perfeitamente possível. Por exemplo, um gás pode ser expandido isotermicamente em contato diatérmico com um reservatório à temperatura T1, absorvendo energia na forma de calor, comprimido adiabaticamente até que sua temperatura aumente para T2 e, finalmente, comprimido isotermicamente em contato diatérmico com um reservatório à temperatura T2 perdendo energia na forma de calor. Nada impede que o trabalho total seja nulo. Mas energia foi transferida na forma de calor de um reservatório a outro, de maior temperatura.

Segunda Lei da Termodinâmica – Termodinâmica

Às vezes as pessoas dizem que a vida viola a segunda lei da termodinâmica. Este não é o caso, sabemos de nada no universo que viole a lei. Então, por que as pessoas dizem que a vida viola a segunda lei da termodinâmica? Qual é a segunda lei da termodinâmica?

A segunda lei é uma lei simples da física com a consequência de que, em um sistema fechado, você não pode terminar qualquer processo físico real com tanta energia útil como você tinha que começar com – alguns é sempre desperdiçado. Isto significa que uma máquina de movimento perpétuo é impossível.

A segunda lei foi formulada após engenheiros do século XIX percebeu que o calor não pode passar de um corpo mais frio para um corpo mais quente por si só.

De acordo com o filósofo da ciência Thomas Kuhn, a segunda lei foi o primeiro colocado em palavras por dois cientistas, Rudolph Clausius e William Thomson (Lord Kelvin), utilizando-se diferentes exemplos, em 1850-51. Americano quantum físico Richard P. Feynman, no entanto, diz o físico francês Sadi Carnot descobriu a segunda lei de 25 anos atrás. Isso teria sido antes da primeira lei, a conservação de energia, foi descoberto! Em qualquer caso, os cientistas modernos concordam completamente sobre os princípios acima.

Entropia termodinâmica

A primeira oportunidade para a confusão surge quando nós introduzimos o termo entropia na mistura. Clausius inventou o termo em 1865. Ele tinha notado que uma certa proporção era constante em ciclos reversíveis, ou ideal, o calor. A proporção foi de troca de calor a temperatura absoluta.

Clausius decidiu que a relação conservado deve corresponder a uma quantidade real, físico, e ele é chamado “entropia”.

Certamente, nem toda relação conservada corresponde a uma quantidade físico real. Acidente histórico introduziu este termo para a ciência. Num outro planeta poderia haver física sem o conceito de entropia. Falta-lhe completamente clareza intuitiva. Mesmo o grande físico James Clerk Maxwell tinha para trás por um tempo. No entanto, o prazo foi preso.

O American Heritage Dictionary dá como primeira definição de entropia, “Para um sistema fechado, a medida quantitativa da quantidade de energia térmica não disponível para fazer o trabalho.” Portanto, é um tipo negativo de quantidade, o oposto da energia disponível.

Hoje, costuma-se usar o termo entropia para indicar a segunda lei: Entropia em um sistema fechado não pode diminuir Enquanto a entropia é definida como a energia disponível, o parafraseando apenas dado da segunda lei é equivalente ao que os anteriores acima . Num sistema fechado, a energia disponível nunca pode aumentar, de forma (porque a energia é conservada) o seu complemento, a entropia, nunca pode diminuir.

Uma demonstração familiar da segunda lei é o fluxo de calor a partir de coisas quentes ao frio, e nunca vice-versa. Quando uma pedra quente é deixado cair em um balde de água fria, a pedra se resfria e aquece a água até que cada um é a mesma temperatura que o outro. Durante este processo, a entropia do sistema aumenta. Se você conhece as temperaturas iniciais da pedra e da água, ea temperatura final da água, você pode quantificar o aumento de entropia em calorias ou joules por grau.

Você deve ter notado as palavras “sistema fechado” um par de vezes acima. Considere simplesmente um balde de água preto inicialmente à mesma temperatura que o ar a sua volta. Se o balde é colocado sob luz solar intensa, ele vai absorver o calor do sol, como as coisas negras fazer. Agora, a água torna-se mais quente do que o ar à sua volta, e a energia disponível aumentou. Tem entropia diminuiu? Tem energia que estava disponível anteriormente tornam-se disponíveis, em um sistema fechado? Não, este exemplo é apenas uma aparente violação da segunda lei. Porque a luz solar foi admitido, o sistema local não foi fechado, a energia da luz solar foi fornecido de fora do sistema local. Se considerarmos o sistema maior, incluindo o sol, a energia disponível diminuiu e entropia aumentou conforme necessário.

Vamos chamar esse tipo de entropia entropia termodinâmica. O qualificador “termodinâmica” é necessário porque a palavra entropia também é usado em outro sentido, Termodinâmica de não equilíbrio.

Entropia lógica

Entropia também é utilizado para significar a desorganização ou desordem. J. Willard Gibbs, o físico teórico americano do século XIX, chamou-lhe “mixedupness”. O American Heritage Dictionary dá como o segundo definição de entropia “, uma medida de desordem ou aleatoriedade em um sistema fechado.” Novamente, é um conceito negativo, desta vez o oposto de organização ou ordem. O termo passou a ter este segundo significado, graças ao grande físico austríaco Ludwig Boltzmann.

Nos dias de Boltzmann, uma reclamação sobre a segunda lei da termodinâmica é que ele parecia impor sobre a natureza de uma direção preferencial no tempo.

De acordo com a segunda lei, as coisas só podem ir por um caminho. Este, aparentemente, entra em conflito com as leis da física, a nível molecular, onde não há uma direção preferencial no tempo – uma colisão elástica entre as moléculas seria o mesmo vai para a frente ou para trás. Na década de 1880 e 1890, Boltzmann usou moléculas de gás como um modelo, juntamente com as leis da probabilidade, para mostrar que não havia conflito real. O modelo mostrou que, não importa como ele foi introduzido, o calor logo se tornaria igualmente difundido em todo o gás, como a segunda lei exigia.

O modelo também poderia ser utilizada para mostrar que dois tipos diferentes de gases seria muito bem misturada. O raciocínio por ele utilizada para misturar é muito semelhante à que, para a difusão de calor, mas não é uma diferença importante. Nas difusão de calor, o aumento da entropia pode ser medida com a proporção de unidades físicas, joules por grau. Na mistura de dois tipos de gases já à mesma temperatura, se nenhuma energia é dissipada, o rácio de joules por grau – entropia termodinâmica – é irrelevante. O processo de mistura não dissipativo está relacionada com a difusão do calor apenas por analogia .

No entanto, um fator de Boltzmann utilizado, k, agora chamada a constante de Boltzmann, para fixar as unidades físicas para a última situação.

Agora, a palavra entropia tem vindo a ser aplicada no processo de mistura simples, também. (Naturalmente, a constante de Boltzmann tem um uso legítimo – refere-se a energia cinética média de uma molécula à sua temperatura.).

A equação S = k logw + const aparece sem uma teoria elementar – ou como se queira dizê-lo – desprovido de qualquer sentido do ponto de vista fenomenológico – Albert Einstein, 1910

Entropia neste último sentido que veio a ser usado nos campos de cultivo da ciência da informação, ciência da computação, teoria da comunicação, etc A história é muitas vezes dito que no final de 1940, John von Neumann, um dos pioneiros da era do computador, aconselhou comunicação teórico-Claude E. Shannon para começar a usar o termo “entropia” quando se fala de informação, porque “ninguém sabe o que realmente é a entropia, assim, em um debate que você terá sempre a vantagem”.

Richard Feynman sabia que há uma diferença entre os dois sentidos da entropia. Ele discutiu a entropia termodinâmica na seção chamada “entropia” de suas palestras sobre Física publicados em 1963, a utilização de unidades físicas, joules por grau, e mais de uma dúzia de equações (seção 44-6 vol I).

Ele discutiu o segundo significado da entropia em uma seção diferente intitulado “Ordem e entropia” (seção 46-5 vol I) como segue:

Então, agora temos de falar sobre o que entendemos por desordem e que queremos dizer com ordem. … Suponha que dividir o espaço em pequenos elementos de volume. Se tivermos moléculas de preto e branco, de quantas maneiras poderíamos distribuí-los entre os elementos de volume para que o branco é de um lado e preto está do outro? Por outro lado, o número de maneiras que podem distribuir-los sem restrição sobre a qual vai onde? Claramente, existem muitas mais formas de dispor deles, neste último caso. Medimos “desordem” pelo número de maneiras que os interiores podem ser organizadas, de modo que a partir do lado de fora parece o mesmo. O logaritmo desse número de maneiras é a entropia. O número de maneiras no caso separado é menor, então a entropia é menor, ou a “desordem” é menor.

Isso é novamente o modelo de Boltzmann. Observe que Feynman não usa a constante de Boltzmann. Ele atribui nenhuma unidade física para este tipo de entropia, apenas um número (um logaritmo.) E ele não usa uma única equação nessa seção de suas palestras.

Observe outra coisa. O “número de maneiras” só pode ser estabelecida pelo primeiro artificialmente dividir o espaço em elementos de pequeno volume.

Este não é um ponto pequeno. Em cada situação física real, a contagem do número de arranjos possíveis requer um parcelamento arbitrária.

Como Peter Coveney e Roger Highfield palavra:

Há, no entanto, não há nada que nos diga como bem o [parcelamento] deveria ser. Entropias calculadas desta forma depender do tamanho escala decidido, em contradição direta com a termodinâmica em que as mudanças de entropia são totalmente objetiva.

O próprio Claude Shannon parece estar consciente dessas diferenças em seu famoso artigo de 1948, “Uma Teoria Matemática da Communcation”.

Com relação ao parcelamento, ele escreve: “No caso contínuo a medida é relativo ao sistema de coordenadas. Se mudarmos coordena a vontade entropia na mudança geral” (p 37, itálico de Shannon).

No mesmo artigo Shannon atribui nenhuma unidade física para a sua entropia e nunca menciona a constante de Boltzmann, k.

Em um ponto ele introduz brevemente K, dizendo secamente: “A constante K simplesmente equivale a uma escolha de uma unidade de medida” (p 11). Embora o papel do 55-página contém mais de 300 equações, K aparece apenas uma vez, no Apêndice 2, no qual se conclui, “A escolha do coeficiente K é uma questão de conveniência e eleva-se a escolha de uma unidade de medida” (p 29). Shannon não especifica a unidade de medida.

Este tipo de entropia é claramente diferente. Unidades físicas não pertencem a ele, e (exceto no caso de informação digital) uma convenção arbitrária deve ser imposta antes que possa ser quantificado. Para distinguir esse tipo de entropia da entropia termodinâmica, vamos chamá-lo de entropia lógica.

Apesar de a distinção importante entre os dois sentidos de entropia, a regra conforme indicado anteriormente para a entropia termodinâmica parece aplicar-se, no entanto com o tipo lógico: entropia num sistema fechado nunca pode diminuir. E realmente, não haveria nada de misterioso sobre esta lei também.

É semelhante a dizer coisas que nunca se organizar. (O significado original da organização é “para fornecer com órgãos.”) Só esta regra tem pouco a ver com termodinâmica.

É verdade que os cristais e outras configurações regulares podem ser formadas por processos de não-guiados. E estamos acostumados a dizer que estas configurações são “organizados”. Mas os cristais não foram espontaneamente “equipados com órgãos.” O termo correto para tais configurações regulares é “ordenado”. A receita para um cristal já está presente na solução que cresce a partir de – na rede cristalina é prescrita pela estrutura das moléculas que compõem.

A formação de cristais é o resultado direto das leis físicas que não evoluem químicas e que são, em comparação com programas genéticos, muito simples.

A regra de que as coisas nunca se organizar também está confirmada em nossa experiência cotidiana. Sem alguém para consertá-lo, um vidro quebrado nunca conserta. Sem manutenção, a casa se deteriora. Sem gestão, um negócio falhar. Sem um novo software, um computador nunca adquire novas capacidades. Nunca.

Charles Darwin compreendeu este princípio universal. É senso comum. É por isso que uma vez ele fez uma nota para si mesmo pertencentes a evolução “Nunca use as palavras maiores ou menores”. (No entanto, a palavra “maior” neste sentido proibido aparece meia dúzia de vezes na primeira edição da Origem das Espécies de Darwin).

Mesmo hoje em dia, se você afirmar que um ser humano é mais evoluído do que um verme ou uma ameba, há darwinistas que vai querer brigar por isso.

Eles tomam a posição, aparentemente, que a evolução não tem necessariamente mostrado uma tendência em direção a formas mais altamente organizada da vida, apenas diferentes formas:

Todas as espécies existentes são igualmente evoluiu -. Lynn Margulis e Dorion Sagan, 1995
Não há progresso na evolução -. Stephen Jay Gould, 1995
Nós todos concordamos que não há progresso -. Richard Dawkins, 1995
A falácia do progresso – John Maynard Smith e Eörs Szathmáry de 1995

Mas isso ignora os fatos simples sobre a vida e evolução.

Fonte: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/www.engineeringtoolbox.com/www.allaboutscience.org/www.panspermia.org