Drugi princip termodinamike

Drugi princip termodinamike navodi da se ukupna entropija izolovanog sistema nikada ne može smanjiti tokom vremena. Ukupna entropija sistema i njegovog okruženja može da ostane konstantna u idealnim slučajevima gde je sistem u termodinamičkoj ravnoteži, ili se u njemu odvija (fiktivni) reverzibilni proces. U svim procesima koji se javljaju, uključujući spontane procese,^[1] ukupna entropija sistema i njegovog okruženja se povećava i proces je nepovratan u termodinamičkom smislu. Porast entropije objašnjava nepovratnost prirodnih procesa, i asimetriju između budućnosti i prošlosti.^[2] Drugi princip termodinamike određuje smer toplotnih procesa: toplota nikada ne prelazi spontano sa tela koje ima nižu temperaturu na telo koje ima višu temperaturu. Pored smera toplotnih procesa, drugi princip termodinamike pokazuje nemogućnost postojanja perpetuum mobile druge vrste.

Istorijski, drugi zakon je bio empirijski nalaz koji je bio prihvatan kao aksiom termodinamičke teorije. Statistička mehanika, klasična ili kvantna, objašnjava mikroskopsko poreklo zakona.

Drugi zakon je bio izražen na mnogo načina. Njegovu prvu formulaciju je proizveo francuski fizičar Sadi Karno, koji je 1824. godine pokazao da postoji gornja granica efikasnosti konverzije toplote u rad, u toplotnoj mašini.

Definicije drugog principa termodinamike

Postoji više definicija drugog principa termodinamike a najpoznatija su Klauzijusovo, Plankovo, Bolcmanovo, Karnoovo.

Klauzijusovo načelo: Entropija izolovanog sistema nije ravnotežna, već vremenom teži da se približi maksimumu.

Plankovo načelo: Nemoguće je konstruisati mašinu sa periodičnim dejstvom koja ne radi ništa drugo osim što podiže teret i hladi toplotni rezervoar. Drugi zakon termodinamike ukazuje nam da proces pretvaranja toplote u rad (a prema tome i hlađenje tela koje odaje toplotu) ne pojavljuje kao jedini ishod ovog procesa, već moraju postojati i drugi rezultati.

Karno: Najveći koeficijent korisnog dejstva toplotne mašine ne zavisi od vrste tela koje posreduje i potpuno je određen početnom i krajnjom temperaturom rada mašine.

Perpetuum mobile druge vrste

Prvi princip termodinamike ostavlja teorijsku mogućnost da se sva količina toplote pretvori u rad. Ako bismo bili u mogućnosti da konstruišemo takvu mašinu koja bi potpuno pretvorila toplotu u koristan rad, a da ovoj mašini ne treba hladnjak, ona bi bila perpetuum mobile druge vrste.

To znači da ne postoji mogućnost pretvaranje celokupne toplote u koristan rad bez gubitaka energije.

Perpetuum mobile prve vrste i perpetuum mobile druge vrste, međusobno se ne isključuju.

Statistički smisao drugog principa termodinamike

Prelazak izolovanog termodinamičkog sistema iz manje verovatnog u verovatniji oblik

Ludvig Bolcman je definisao drugi princip termodinamike sa statističkog stanovišta:

„Izolovan i prepušten samom sebi termodinamički sistem će preći iz manje verovatnog u verovatnije stanje“.

Pretpostavimo da imamo posudu u kojoj se nalaze dva gasa međusobno odvojena pregradom (na slici faza 1). Nakon uklanja pregrade gasovi će preći iz manje verovatnog stanja (na slici stanje do pod brojem 1) u verovatnije stanje (na slici stanje pod broj 2). Znači veća je verovatnoća da će doći do mešanja dva gasa pre nego da će ostati u prvobitnom stanju. Entropija sistema se povećala.

$\Delta S\geq 0$

U zatvorenim sistemima entropija može samo da raste dostižući maksimum u stanju termodinamičke ravnoteže.

Primena drugog principa termodinamike

Klima uređaj

Rashladni uređaji rade kao primena drugog principa termodinamike. Klima-uređaji hlade prostoriju na osnovu zagrevanja spoljašnjeg vazduha.

Vremenske strele

Vremenske strele daju vremenu smer i razlikuju prošlost od budućnosti.

Zašto ne možemo da vidimo kako se razbijena čaša na podu sama vraća nazad na sto?

Razlog leži u drugom principu termodinamike. Tokom vremena entropija nekog sistema se povećava ili ostaje konstantna, ona se nikada ne smanjuje.

Postoje tri vremenske strele.

Maksvelov demon

Sve je zapravo poteklo od čuvenog škotskog matematičara i fizičara Džejmsa Klerka Maksvela (1831—1879). Maksvel je osmislio jedan misaoni eksperiment uz pomoć koga je želeo da ospori drugi zakon termodinamike.

Prost prikaz Maksvelovog demona

Zamislimo takođe jednu kutiju u kojoj se nalaze dva gasa. Kutija je izdeljena na dva dela A i B. Kutija je pregrađena i samo stvorenje (demon) koja se nalazi na sredini kutije ima mogućnost da propušta molekule. Tom demonu data je mogućnost da propušta samo brze molekule iz dela A u deo B, i da propušta samo spore molekule iz dela B u deo A.

Više činjenica

Entropija svemira se stalno povećava.

Za crne rupe takođe važi drugi princip termodinamike. Entropija u njima raste, što znači da imaju temperaturu i izvesno zračenje (Hokingovo zračenje).

Ekonomista Nikolas Georgesku-Regen pokazao je the značaj zakona o entropiji u polju ekonomije (njegov rad Zakon entropije i procesi u ekonomiji (The Entropy Law and the Economic Process (1971), Harvard University Press)).

Vidi još

Reference

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

Literatura

Zohuri, Bahman (2016). Dimensional Analysis Beyond the Pi Theorem. Springer. str. 111. ISBN 978-3-319-45726-0.
Milorad Mlađenović, Mirko Jakšić (1993). Istorija klasične fizike. Beograd: Zavod za udžbenike i nastavna sredstva. 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 izd.). 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 izd.). 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. Arhivirano iz originala 4. 3. 2016. g. Pristupljeno 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. Pristupljeno 26. 6. 2012. Translated into English: Clausius, R. (jul 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. Pristupljeno 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. Arhivirano iz originala (PDF) 24. 03. 2014. g. Pristupljeno 24. 3. 2014. Translated into English: Clausius, R. (jul 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. Pristupljeno 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. Pristupljeno 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 izd.). 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. str. 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. (decembar 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. Pristupljeno 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, ur. 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. str. 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].