الإنتروبيا والقانون الثاني للديناميكا الحرارية
مُقدَّم| English | المعنى |
|---|---|
| entropy/ˈentrəpi/ | الإنتروبيا |
| second law of thermodynamics/ˈsekənd lɔː ɒv ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪks/ | القانون الثاني للديناميكا الحرارية |
كوب مكسور لا ينقبض معاً أبداً
- اسقط كوباً فيتكسر. انتظر للأبد ولن تتجمع القطع تلقائياً.
- الحليب الممزوج في القهوة لن ينفصل مجدداً. الحرارة لا تتدفق من البارد إلى الساخن تلقائياً.
- الطبيعة لها اتجاه مفضل: things run from order toward disorder.
- مقياس هذا الفوضى هو الإنتروبيا، وتتزايد دائماً.
الإنتروبيا تقيس الفوضى
- الإنتروبيا مقياس مدى انتشار وفوضى طاقة النظام.
- الترتيب النظيف والمنظم له إنتروبيا منخفضة؛ والمرتجَل والمتناثر له إنتروبيا عالية.
- هناك ترتيبات فوضوية أكثر بكثير من المرتبة، لذا الفوضى محتملة بشدة.
- عند تركها وحدها، تميل الأنظمة نحو حالتها الأكثر احتمالية (الأكثر فوضى).
*تتطور الأنظمة من النظام (إنتروبيا منخفضة) إلى الفوضى (إنتروبيا عالية) — سهم الزمن للقانون الثاني.
الإنتروبيا هي مقياس لـ:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
تقيس الإنتروبيا مدى انتشار وفوضى طاقة النظام.
القانون الثاني
- القانون الثاني للديناميكا الحرارية: الإنتروبيا الكلية للكون تتزايد دائماً.
- لهذا السبب تتدفق الحرارة من الساخن إلى البارد، وليس العكس — لأنها تنشر الطاقة.
- يمكنك خفض الإنتروبيا محلياً (ثلاجة، خلية حية)، ولكن فقط بزيادتها أكثر في مكان آخر.
- يعطي القانون الثاني اتجاهاً للزمن — "سهم الزمن".
يقول القانون الثاني للديناميكا الحرارية إن الإنتروبيا الكلية للكون:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
تزداد إنتروبيا الكون الكلية دائماً — هذا هو القانون الثاني.
تتدفق الحرارة من الساخن إلى البارد لأن ذلك يوزع الطاقة ويزيد الإنتروبيا الكلية.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
توزيع الطاقة يرفع الإنتروبيا، وهذا هو السبب في أن التدفق الطبيعي هو ساخن ← بارد.
لا محركات مثالية
- لأن الإنتروبيا يجب أن ترتفع، لا يمكن لمحرك حراري تحويل كل حرارته إلى شغل.
- بعض الطاقة تتناثر دائماً كحرارة مهدرة منخفضة الجودة.
- ولهذا السبب لا تكون محركات السيارات ومحطات الطاقة ذات كفاءة $100\%$.
- يضع القانون الثاني حداً نهائياً لا يمكن لأي تصميم ذكي تجاوزه.
القانون الثاني للديناميكا الحرارية
العمليات الطبيعية تزيد الإنتروبيا الكلية. رتب كل عملية.
بما أن الإنتروبيا يجب أن ترتفع، فلا يمكن لأي محرك حراري أن يكون فعالاً بنسبة ____%.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
تتبدد بعض الطاقة دائماً كحرارة ضائعة، لذا فإن كفاءة $100\%$ مستحيلة.
حدد جميع عواقب القانون الثاني للديناميكا الحرارية.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
يعطي القانون الثاني تدفق الحرارة وحدود المحركات وسهم الزمن. إعادة بناء الكأس ستقلل الإنتروبيا الكلية — محظور.
ينص القانون الثاني على إجمالي إنتروبيا النظام ومحيطه. يمكنك إنشاء ترتيب محليًا — فالثلاجة تصنع الجليد، والخلايا تبني البنية — ولكن دائمًا عن طريق طرح مزيد من الفوضى (الحرارة المهدرة) إلى المحيط. لا يزال إجمالي إنتروبيا الكون في تزايد.
ثلاجة تصنع الثلج تنتهك القانون الثاني لأنها تقلل الإنتروبيا.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
إنها تقلل الإنتروبيا محلياً لكنها تطرد المزيد من الفوضى (حرارة ضائعة) إلى الغرفة، لذا تظل الإنتروبيا الكلية متزايدة.
لماذا لا ترتفع درجة حرارة فنجان شاي ساخن تلقائيًا بسحب الحرارة من الغرفة الأبرد؟
- سيؤدي ذلك إلى انخفاض الإنتروبيا الكلية (تركيز الطاقة)، وهو ما يحرمه القانون الثاني.
- بدلاً من ذلك، تتدفق الحرارة من الشاي → الغرفة، مما يوزع الطاقة ويرفع الإنتروبيا الكلية.
الإنتروبيا مقياس للفوضى، وينص القانون الثاني للديناميكا الحرارية على أن إجمالي إنتروبيا الكون يتزايد دائمًا. هذا يحدد اتجاه العمليات الطبيعية (ساخن ← بارد)، ويمنع المحركات المثالية، ويعطي الزمن اتجاهه. إن الترتيب المحلي يتطلب مزيدًا من الفوضى في مكان آخر.