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    Deuxième loi de la thermodynamique: définition, équation et exemples

    Un château de sable sur la plage s'effondre lentement à mesure que la journée avance. Mais quelqu'un qui est témoin de l'inverse - du sable sautant spontanément sous la forme d'un château - dirait qu'il doit regarder un enregistrement, pas la réalité. De même, un verre de thé glacé dans lequel les cubes fondent au fil du temps correspond à nos attentes, mais pas un verre de liquide dans lequel des glaçons se forment spontanément.

    La raison pour laquelle certains processus naturels semblent avoir du sens le temps mais pas en arrière dans le temps a à voir avec la deuxième loi de la thermodynamique. Cette loi importante est la seule description physique de l'univers qui dépend du temps ayant une direction particulière, dans laquelle nous pouvons seulement avancer.

    En revanche, les lois de Newton ou les équations cinématiques, toutes deux utilisées pour décrire le mouvement d'objets, fonctionnent aussi bien si un physicien décide d'analyser l'arc d'un ballon de football lorsqu'il avance ou recule. C'est pourquoi la deuxième loi de la thermodynamique est parfois aussi appelée "la flèche du temps".
    Microstats et Macrostates

    La mécanique statistique est la branche de la physique qui relie le comportement à l'échelle microscopique, comme le mouvement des molécules d'air dans une pièce fermée, aux observations macroscopiques ultérieures, telles que la température globale de la pièce. En d'autres termes, connecter ce qu'un humain pourrait observer directement à la myriade de processus spontanés invisibles qui, ensemble, le rendent possible.

    Un microstat est un arrangement et une distribution d'énergie possibles de toutes les molécules d'un système thermodynamique fermé. Par exemple, un microstate pourrait décrire l'emplacement et l'énergie cinétique de chaque molécule de sucre et d'eau à l'intérieur d'un thermos de chocolat chaud.

    Un macrostate, en revanche, est l'ensemble de tous les microstats possibles d'un système: toutes les façons possibles d'organiser les molécules de sucre et d'eau à l'intérieur du thermos. La façon dont un physicien décrit un macrostat consiste à utiliser des variables telles que la température, la pression et le volume.

    Ceci est nécessaire car le nombre de microstats possibles dans un macrostat donné est beaucoup trop important pour être traité. Une pièce à 30 degrés Celsius est une mesure utile, mais sachant qu'elle est de 30 degrés ne révèle pas les propriétés spécifiques de chaque molécule d'air dans la pièce.

    Bien que les macrostats soient généralement utilisés pour parler de thermodynamique, comprendre les microstats est pertinentes car elles décrivent les mécanismes physiques sous-jacents qui conduisent à ces mesures plus importantes.
    Qu'est-ce que l'entropie?

    L'entropie est souvent décrite en mots comme une mesure de la quantité de troubles dans un système. Cette définition a été proposée pour la première fois par Ludwig Boltzmann en 1877.

    En termes de thermodynamique, elle peut être définie plus précisément comme la quantité d'énergie thermique dans un système fermé qui n'est pas disponible pour effectuer des travaux utiles.

    La transformation de l'énergie utile en énergie thermique est un processus irréversible. Pour cette raison, il s'ensuit que la quantité totale d'entropie dans un système fermé - y compris l'univers dans son ensemble - ne peut augmenter


    Ce concept explique comment l'entropie est liée à la direction qui le temps s'écoule. Si les physiciens pouvaient prendre plusieurs instantanés d'un système fermé avec les données sur la quantité d'entropie dans chacun d'eux, ils pourraient les mettre dans l'ordre temporel en suivant "la flèche du temps" - en passant de moins en plus d'entropie.

    Pour devenir beaucoup plus technique, mathématiquement, l'entropie d'un système est définie par la formule suivante, que Boltzmann a également proposée:

    S \u003d k × ln (Y)

    Y
    est le nombre de microstats dans le système (le nombre de façons dont le système peut être commandé), k
    est la constante de Boltzmann (trouvée en divisant la constante de gaz idéal par la constante d'Avogadro: 1,380649 × 10 −23 J /K) et ln
    est le logarithme naturel (un logarithme de la base e
    ).

    Le principal point à retenir de cette la formule est de montrer que, comme le nombre de micro-états, ou les façons de commander un système, augmente, son entropie augmente également.

    Le changement d'entropie d'un système lorsqu'il se déplace d'un macrostate à un autre peut être décrit en termes de macrosta te variables chaleur et temps:
    \\ Delta S \u003d \\ int \\ dfrac {dQ} {T}

    T
    est la température et Q
    est le transfert de chaleur dans un processus réversible lorsque le système se déplace entre deux états.
    La deuxième loi de la thermodynamique

    La deuxième loi de la thermodynamique stipule que l'entropie totale de l'univers ou d'un système isolé ne diminue jamais. En thermodynamique, un système isolé est un système dans lequel ni la chaleur ni la matière ne peuvent entrer ou sortir des limites du système.

    En d'autres termes, dans tout système isolé (y compris l'univers), le changement d'entropie est toujours nul ou positif. Ce que cela signifie essentiellement, c'est que les processus thermodynamiques aléatoires ont tendance à conduire à plus de désordre que d'ordre.

    Un accent important tombe sur la tendance à faire partie
    de cette description. Des processus aléatoires pourraient
    conduire à plus d'ordre qu'au désordre sans violer les lois naturelles; il est juste beaucoup moins probable que cela se produise.

    Par exemple, de tous les microstats dans lesquels un jeu de cartes mélangé au hasard pourrait se retrouver - 8,066 × 10 67 - une seule de ces options est égale à l'ordre qu'ils avaient dans l'emballage d'origine. Cela pourrait
    arriver, mais les chances sont très, très petites. Dans l'ensemble, tout tend naturellement vers le désordre.
    L'importance de la deuxième loi de la thermodynamique

    L'entropie peut être considérée comme une mesure du désordre ou du caractère aléatoire d'un système. La deuxième loi de la thermodynamique stipule qu'elle reste toujours la même ou augmente, mais ne diminue jamais. C'est un résultat direct de la mécanique statistique, car la description ne dépend pas du cas extrêmement rare où un jeu de cartes se mélange dans un ordre parfait, mais de la tendance générale d'un système à augmenter en désordre.

    One simplified La façon de penser à ce concept est de considérer que le mélange de deux ensembles d'objets prend plus de temps et d'efforts que de les mélanger en premier lieu. Demandez à n'importe quel parent d'un enfant en bas âge de vérifier; il est plus facile de faire un gros gâchis que de le nettoyer!

    Beaucoup d'autres observations dans le monde réel "ont du sens" pour nous, se produisant d'une manière mais pas d'une autre parce qu'elles suivent la deuxième loi de la thermodynamique:

  • La chaleur circule des objets à température élevée vers des objets à température plus basse et non l'inverse (les glaçons fondent et le café chaud laissé sur la table se refroidit progressivement jusqu'à ce qu'il atteigne la température ambiante).
  • Les bâtiments abandonnés s'effondrent lentement et ne se reconstruisent pas.
  • Une balle roulant le long du terrain de jeu ralentit et finit par s'arrêter, car le frottement transforme son énergie cinétique en énergie thermique inutilisable.


    La deuxième loi de la thermodynamique n'est qu'une autre façon de décrire formellement le concept de la flèche du temps: en avançant dans le temps, le changement d'entropie de l'univers ne peut pas être négatif.
    Qu'en est-il des systèmes non isolés?

    Si l'ordre ne fait qu'augmenter, pourquoi regarder autour du monde semble-t-il révéler une plénitude Des exemples de situations ordonnées?

    Alors que l'entropie dans son ensemble
    est toujours en augmentation, des diminutions locales
    de l'entropie sont possibles dans les poches de systèmes plus grands. Par exemple, le corps humain est un système très organisé et ordonné - il transforme même une soupe en désordre en os exquis et autres structures complexes. Cependant, pour ce faire, le corps absorbe de l'énergie et crée des déchets en interagissant avec son environnement. Donc, même si la personne qui fait tout cela peut ressentir moins d'entropie dans son corps à la fin d'un cycle de manger /construire des parties du corps /excréter les déchets, l'entropie totale du système
    - le corps et tout ce qui l'entoure - toujours augmente


    De même, un enfant motivé pourrait être capable de nettoyer sa chambre, mais il a converti l'énergie en chaleur pendant le processus (pensez à sa propre sueur et à la chaleur générée par la friction) entre les objets déplacés). Ils ont probablement également jeté beaucoup de déchets chaotiques, brisant éventuellement des morceaux dans le processus. Encore une fois, l'entropie augmente globalement dans le code postal, même si cette pièce finit par devenir spic et span.
    Heat Death of the Universe

    À grande échelle, la deuxième loi de la thermodynamique prédit l'éventuel mort thermique
    de l'univers. À ne pas confondre avec un univers en train de mourir de feu, la phrase se réfère plus précisément à l'idée que finalement toute l'énergie utile sera convertie en énergie thermique, ou chaleur, puisque le processus irréversible se produit presque partout et à tout moment. De plus, toute cette chaleur finira par atteindre une température stable, ou un équilibre thermique, car il ne se passera rien d'autre.

    Une idée fausse commune à propos de la mort thermique de l'univers est qu'elle représente un moment où il y a "no energy left in the universe.", 3, [[Ce n'est pas le cas! Il décrit plutôt une époque où toute l'énergie utile a été transformée en énergie thermique qui a tous atteint la même température, comme une piscine remplie d'eau à moitié chaude et à moitié froide, puis laissée à l'extérieur tout l'après-midi.
    Autres lois de Thermodynamique

    La deuxième loi peut être la plus chaude (ou du moins la plus soulignée) en thermodynamique d'introduction, mais comme son nom l'indique, ce n'est pas la seule. Les autres sont discutés plus en détail dans d'autres articles du site, mais en voici un bref aperçu:

    La loi zéro de la thermodynamique. Ainsi nommée parce qu'elle sous-tend les autres lois de la thermodynamique, la loi zéro décrit essentiellement ce qu'est la température. Il précise que lorsque deux systèmes sont chacun en équilibre thermique avec un troisième système, ils doivent nécessairement aussi être en équilibre thermique l'un avec l'autre. En d'autres termes, les trois systèmes doivent avoir la même température. James Clerk Maxwell a décrit un résultat principal de cette loi comme "Toute la chaleur est du même type."

    La première loi de la thermodynamique. Cette loi applique la conservation de l'énergie à la thermodynamique. Il indique que la variation de l'énergie interne d'un système est égale à la différence entre la chaleur ajoutée au système et le travail effectué par le système:

    ΔU \u003d Q - W

    Où < em> U
    est l'énergie, Q
    est la chaleur et W
    est le travail, tous généralement mesurés en joules (bien que parfois en Btus ou en calories).

    Le troisième loi de la thermodynamique. Cette loi définit le zéro absolu
    en termes d'entropie. Il indique qu'un cristal parfait a une entropie nulle lorsque sa température est zéro absolu, ou 0 Kelvins. Le cristal doit être parfaitement disposé, sinon il aurait un désordre inhérent (entropie) dans sa structure. A cette température, les molécules du cristal n'ont aucun mouvement (ce qui serait également considéré comme de l'énergie thermique, ou entropie).

    Notez que lorsque l'univers atteint son état final d'équilibre thermique - sa mort thermique - il ont atteint une température supérieure
    au zéro absolu.

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