Drugi zakon termodinamike

Povratak Početna stranica Fizika - digitalni sadržaji
Komentari Facebook stranica

Prijelaz topline

Iz iskustva je poznato da će toplina prelaziti s tijela više na tijelo niže temperature. Ovo vrijedi ako na sustav od dva tijela nema vanjskih djelovanja.

Tijela 1 i 2 nalaze se u dodiru, pri čemu je temperatura prvoga tijela veća. Zbog toga je i njegova unutrašnja energija veća. Ona će prelaziti s tijela više temperature na rijelo niže, sve dok se one ne izjednače. Taj dio unutrašnje energije nazivamo toplinom i označavamo s Q.

Nastupila je toplinska ravnoteža u kojoj oba tijela imaju jednaku temperaturu. Proces prelaska topline s tijela više na tijelo niže temperature odvija se uvijek kada nema vanjskih utjecaja. Obrnut prijelaz, sam po sebi, ne događa se nikada. To je sadržaj drugog zakona termodinamike.

U termodinamičkom sustavu, koji se sastoji od dvaju tijela različitih temperatura, unutarnja energija, sama po sebi, prelazi samo s tijela više na tijelo niže temperature. Obrnuti proces ne događa se spontano (sam po sebi). Takav je proces moguće ostvariti samo uz utrošak rada.

Zbog toga ovaj zakon formuliramo još i ovako:

Ne postoji termodinamički proces čiji bi jedini rezultat bio pretvorba unutrašnje energije u rad.

Stroj koji bi se sastojao samo od jednog spremnika i radnog tijela i koji bi od njega uzimao toplinu i pretvarao ju u rad, naziva se perpetuum mobile druge vrste. Takav stroj, prema drugom zakonu termodinamike, nije moguće napraviti.

Termodinamički procesi su jednosmjerni (nepovratni, ireverzibilni) u vremenu. Iz ranije razmotrenog primjera prelaska topline, znamo da je unutrašnja energija u biti isto što i gibanje molekula. Gibanje molekula upravljano je zakonima mehanike, a oni su dvosmjerni (povratni, reverzibilni) u vremenu. Kako te dvije stvari povezati?

Statističko značenje drugog zakona termodinamike

Razmotrimo na koliko se različitih načina mogu raspodijeliti četiri kuglice u dvije polovine kutije s pregradom.

Sve moguće raspodjele dane su na sljedećoj slici:

Iz tablice vidimo da imamo najviše raspodjela u kojima se u svakoj polovini kutije nalaze dvije kuglice, ukupno 6, pa je vjerojatnost takve raspodjele 37.5%. Početnom stanju, u kojemu su sve kuglice u lijevoj polovini kutije odgovara samo jedna raspodjela, pa je vjerojatnost 6.25%.

 L 
 D 
Br. stanja
Vjerojatnost
4
0
1
6.25%
3
1
4
25%
2
2
6
37.5%
1
3
4
25%
0
4
1
6.25%

Ako povećavamo broj kuglica, povećavat će se i broj mogućih raspodjela kao 2N, pa će se povećavati i broj raspodejela kod kojih je u svakoj polovini kutije podjednak broj kuglica, dok će uvijek postojati samo jedna raspodjela sa svim kuglicama u lijevoj polovini kutije, odnosno, ta će vjerojatnost biti sve manja.

Kliknite na dugme >>, da biste dobili uputu što treba napraviti. Nakon što ste napravili ono što se od vas zahtijeva, ponovo kliknite na isto dugme, i tako do kraja. Ako postupak želite ponoviti, kliknite na |<<



Iz prethodnih primjera vidimo da je najveća vjerojatnost raspodjele u kojoj će u oba dijela kutije biti jednak broj kuglica, nešto je manja vjerojatnost da će ih biti podjednako u oba dijele, ..... Najmanja je vjerojatnost početnog stanja u kojemu su sve kuglice u L.

To vrijedi i za molekule plina. Pretpostavimo da imamo samo N = 128 molekula. Ukupan broj različitih raspodjela je 2128 = 340282366920938463463374607431768211456, ili u znanstvenom zapisu 3.4028·1038. To je ogroman broj i teško ga je procijeniti.

Predpostavimo da svako stanje traje samo 0.000001 s. Koliko bi dugo trebalo čekati da se realiziraju sva stanja točno jednom? To je lako izračunati: T = 0.000001·3.4028·1038 = 3.4028·1032 s. Ponovo veliki broj. Pretvorimo ga u godine: T = 1.0790·1025 godina. Ponovo prevelik roj. Uvedimo novu jedinicu vremena: starost svemira. Znamo da je svemir nastao prije otprilike 13.7 milijardi godina. U ovim jedinicama spomenuto vrijeme je: T = 7.8759·1014 starosti svemira! Budući da postoji samo jedno stanje u kojemu su sve molekule u lijevoj polovini kutiji, vjerojatnost takvog stanja je najmanja, praktično zanemariva: P = 2.94·10-37. Prema tome, trebalo bi čekati oko 1015starosti svemira da se realizira to stanje!

Ovi ogromni brojevi postaju još puno veći ako se sjetimo da u stvarnim primjerima imamo ogroman broj molekula. Avogadrova konstanta nam kaže da u jednom molu neke tvari ima: NA = 6.0221415·1023 molekula. Ukupan broj različitih stanja tada je jednak približno 21024, dok je stanje u kojemu su sve molekule u lijevoj polovini kutije i dalje samo jedno.

Na taj način objašnjavamo jednosmjernost termodinamičkih procesa.

Svaki sustav, prepušten samome sebi, prelazi iz manje vjerojatnih u vjerojatnija stanja.

Obrnuti proces je zanemarivo vjerojatan. I baš zato se ne događa.