Entropija in reverzibilni/ireverzibilni procesi


Celotna KE N T V P
         

V tej animaciji velja N = nR (številska vrednost Boltzmannove konstante je  1.38 10-23 J/K, v animacijah se privzame vrednost   kB = 1 brez enote. R je univerzalna plinska konstanta 8310 J/K, T je absolutna temperatura v K, n je število molov snovi. Zaradi privzete vrednosti za kB je N potem številsko enak številu molekul v plinu, oziroma enak temu številu, če izpustimo enoto). Iz tega sledi  plinska enačba za idealni plin v obliki   pV = NT. Enote so relativne.

Animacija 1 kaže množico delcev, ki po razpršitvi po škatli izgledajo "naravno". Ne pričakujemo, da bi lahko bil ta proces obrnjen. Zakaj? Vzemimo Animacijo 2. Ta je videti ves čas enaka, če jo vrtimo naprej ali nazaj. Prva animacija je primer ireverzibilnega procesa, druga je primer reverzibilnega procesa. Kaj dela oba procesa različna? Koncept entropije. Ponovni zagon.

Spet si oglej obe animaciji. V obeh primerih glej celotno energijo (kinetično energijo). Se energija spreminja? Ne. Ohranitev energije (določena v termodinamiki kot prvi zakon termodinamike) nam ne pomaga ugotoviti ničesar (v obeh primerih se energija ohranja).

Da bi ugotovili, katera animacija bolj realistično ponazoruje plinske delce v škatli, moramo uporabiti drugi zakon termodinamike in njemu pridružen koncept entropije. Entropija je merilo za nered v nekem sistemu. Katera animacija ima večjo entropijo (neurejenost)? Zakaj? Nedvomno Animacija 2 kaže precej bolj urejen sistem. Animacija 1 začne urejeno in se zaključi neurejeno.

Ko gledamo prvo animacijo, opazimo tudi, da so možne različne porazdelitve hitrosti, pa bomo še vedno imeli enako celotno energijo (temperaturo) in tlak.  Statistično gledano je precej bolj verjetno, da bodo hitrosti množice delcev porazdeljene v skladu z  Maxwell-Boltzmannovo porazdelitvijo, kot da bi vsi imeli enako hitrost.

Entropija in drugi zakon termodinamike opisujeta, kaj se zgodi z večjo hitrostjo. Bolj verjetno je, da bodo delci zavzeli stanja večje neurejenosti, ker je "neurejenih" stanj več kot urejenih (in število možnih stanj je v relaciji z entropijo). Tako na primer imamo precej več načinov, da skupina delcev sledi Maxwell-Boltzmannovi porazdelitvi, kot pa da bi imeli enake hitrosti za vse delce. Drugi zakon pravi, da entropija narašča ali kvečjemu ostaja enaka. Ireverzibilni procesi povzročajo povečanje entropije. Po tem vemo, da ne gledamo filma, ki ga vrtimo naprej in nazaj: Ko se čas povečuje, tudi entropija narašča. Če se ponekod entropija zmanjšuje (ko na primer elektrone "uredimo" za osvetljevanje računalniškega zaslona), potrebujemo energijo. Potrebna energija pomeni, da se nekje drugje entropija povečuje. Zato globalno vzeto entropija samo narašča.