Entropie v rovnovážné termodynamice
„Zákon, že entropie stále roste – druhá věta termodynamiky – má, jak se domnívám, mezi zákony Přírody výsadní postavení. Pokud Vám někdo vytkne, že Vaše zamilovaná teorie vesmíru je v rozporu s Maxwellovými rovnicemi, tím hůř pro Maxwellovy rovnice. Zjistí-li se, že je v rozporu s pozorováním, dobrá, výzkumníci občas něco zpackají. Ale zjistí-li se, že Vaše teorie je v rozporu s druhou větou termodynamiky, nemáte naději. Nezbývá než se v hluboké pokoře sklonit.“ A. S. Eddington
Rovnovážný stav termodynamické soustavy Soustava, která je od určitého okamžiku v neměnných vnějších podmínkách, přejde po jisté době samovolně do rovnovážného stavu. Setrvává v něm, dokud zůstanou tyto podmínky zachovány.
izolovaná nádoba mikrostav, makrostav entropie: míra neuspořádanosti nejpravděpodobnější makrostav: maximální počet mikrostavů
Pravděpodobnost makrostavu: Počet mikrostavů:
Pravděpodobnost makrostavu:
Termodynamická pravděpodobnost a míra neuspořádanosti Ludwig Boltzmann (1844–1906) Boltzmannův princip (1877): Entropie soustavy je funkcí pravděpodobnosti stavu soustavy.
Entropie Rudolf Clausius (1822–1888) entrópos = vnitřní změna makroskopické hledisko: k definici změny entropie využívá termodynamické teploty soustavy a tepla, které soustava během daného děje získá nebo ztratí.
Formulace druhého termodynamického zákona Rudolf Clausius (1822–1888), 1850: Je nemožné cyklickým procesem přenášet teplo z chladnějšího tělesa na teplejší, aniž se přitom změní jisté množství práce na teplo.
William Thomson ( 1824–1907), od r. 1892 lord Kelvin 1851: Je nemožné cyklickým procesem odnímat jednomu tělesu teplo a měnit je v kladnou práci, aniž přitom přejde jisté množství tepla z tělesa teplejšího na chladnější.
Max Planck (1858–1947), 1930: Je nemožné sestrojit periodicky pracující stroj, který by trvale vykonával kladnou mechanickou práci pouze ochlazováním jednoho tělesa, aniž přitom dochází k jiným změnám v ostatních tělesech.
Určení celkové změny entropie soustavy při vratném izotermickém ději: expanze komprese
Entropie izolované termodynamické soustavy se při vratném ději nemění. Nevratné děje? Odhad změny entropie soustavy při nevratném ději:
Určení změny entropie soustavy při nevratném ději:
Formulace druhého termodynamického zákona pomocí entropie: Entropie izolované soustavy roste při ději nevratném a zůstává stálá při ději vratném. Entropie izolované soustavy nikdy neklesá. Platí tedy
Empirická entropie v izolované soustavě: stav B je nedosažitelný ze stavu A B je dosažitelný z A, ale ne naopak B je dosažitelný z A a naopak > <
Constantin Carathéodory (1873–1950), 1908: dosažitelnost stavů v okolí libovolného rovnovážného stavu izolovaného systému, teorie empirické teplotní stupnice, existence empirické entropie a analýza vlastností .
Od idealizace ke skutečným dějům nevratnost - spojitost se zavedením nové veličiny entropie, souvislost entropie a míry neuspořádanosti soustavy, podle změny entropie v soustavě lze určit směr nevratného děje.
Entropie kolem nás tepelné stroje chladničky tepelné pumpy Joulovo teplo v elektrických přístrojích biologické a chemické otevřené systémy
Shrnutí z rovnosti číselných hodnot entropie plyne vzájemná dosažitelnost stavů v izolované soustavě, změna entropie určuje směr přechodu mezi dvěma stavy soustavy: při nerovnosti může děj v izolované soustavě samovolně proběhnout pouze směrem k vyšší hodnotě entropie.
Aplikace nerovnovážná termodynamika fyzika nízkých teplot chemie (katalytické reakce) biologie (disipativní struktury) kosmologie informatika ekonomie psychologie
Adiabatická demagnetizace jedna z nejstarších metod získávání velmi nízkých teplot v oblasti pod 1 K Peter Debye (1884–1966), William Giauque (1895–1982) návrh fyzikálního principu adiabatické demagnetizace (později stejný princip využit při jaderné demagnetizaci)
Termodynamické zákony podle Murphyho Ve “hře” nemůžete nikdy vyhrát. V nejlepším případě dosáhnete pouze nerozhodného výsledku. Nerozhodného výsledku můžete dosáhnout pouze při teplotě 0 K. Teploty 0 K nemůžete nikdy dosáhnout.