Tweede wet van de thermodynamica
De tweede wet van de thermodynamica is een axioma betreffende de omzetting van warmte in arbeid. De meest eenvoudige uitdrukking van de Tweede Wet is:
- Warmte kan alleen van een voorwerp met hoge temperatuur naar een voorwerp met een lagere temperatuur stromen.
Dit is gelijkwaardig aan deze meer wetenschappelijke uitdrukking:
- De entropie van een geïsoleerd systeem dat niet in evenwicht is zal altijd stijgen.
De tweede wet is het meest van toepassing op macroscopische systemen. Bijvoorbeeld, wanneer één deel van een geïsoleerd systeem met een ander deel warmte kan uitwisselen, zal de warmteenergie zich gelijkmatig verdelen . Daardoor zal het systeem een staat van thermodynamisch evenwicht bereiken, waarin de entropie een maximumwaarde heeft.
Deze wet betekent ook dat zelforganisatie in een chaotisch systeem alleen mogelijk is als er energie wordt toegevoegd.
Inhoud |
[bewerk] Overzicht
In een algemene zin zegt de tweede wet dat temperatuurverschillen tussen twee systemen de neiging hebben te "middelen" en dat er arbeid kan worden verkregen uit die evenwichtsverschillen. Verschillen in temperatuur hebben net als verschillen in druk de neiging om uit te effenen als ze de kans krijgen. Dit betekent dat elk geïsoleerd systeem uiteindelijk in een toestand zal komen met een gelijke temperatuur. Een warmtemachine is een mechanisch apparaat dat gebruik maakt van het verschil in temperatuur van twee systemen en dat omzet in nuttige, bruikbare arbeid.
Tijdens de 19de eeuw werd de tweede wet opgesteld. Hij kwam voort uit bestudering van de Carnotcyclus in samenhang met het Mechanische warmte equivalent van James Joule. Omdat de werking van elke warmtemotor berust op een temperatuurverschil volgt daar uit dat er geen nuttige arbeid gehaald kan worden uit een geïsoleerd systeem in evenwicht: er moet altijd minstens een warme externe energiebron en een koude warmte afvoer zijn. De tweede wet wordt vaak gebruikt als de reden dat eeuwige bewegings-machines niet kunnen bestaan.
[bewerk] Andere formuleringen.
De tweede wet kan op diverse beknopte manieren worden geformuleerd, zoals:
- De formulering van Kelvin en Planck is "Het is onmogelijk een machine te construeren die cyclisch op warmte uit een enkel reservoir werkt en daaruit netto arbeid haalt" of korter:
- "Een perpetuum mobile kan niet bestaan".
- in een gesloten systeem kan de entropie alleen maar gelijk blijven of toenemen.
- "Het is onmogelijk om met een motor, verbonden met twee warmtereservoirs, een cyclisch proces uit te laten voeren dat als enige resultaat heeft de overdracht van een hoeveelheid warmte van het reservoir met lage temperatuur naar het reservoir met hoge temperatuur" (Clausius, 1854).
- "Als er een hoeveelheid thermodynamische arbeid werk wordt verricht, moet er vrije energie worden toegevoerd.[1]
[bewerk] Wiskundige beschrijvingen
De Duitse fysicus Rudolf Clausius gaf in 1856 de volgende formulering aan wat hij de "tweede fundamentele stelling in de mechanische theorie van hitte " noemde: [2]
waar N de "gelijkwaardigheids-waarde" van alle niet-compenseerbare omzettingen betrokken bij het cyclisch proces voorstelt. Later, in 1865, zou Clausius er toe komen om die "gelijkwaardigheids-waarde" als entropie te definiëren. Op de hielen van deze definitie, dat zelfde jaar, werd de meest beruchte versie van de tweede wet voorgelezen in een presentatie bij de Filosofische Vereniging van Zürich op 24 April toen Clausius zijn presentatie besloot met:
De entropie van het heelal neigt naar een maximum.
Deze uitdrukking is de bekendste verwoording van de tweede wet. Hij is berucht omdat ten gevolge van de beknopte vorm en het ontbreken van specifieke voorwaarden, zoals "gesloten, of geïsoleerd systeem" waarop deze verklaring van toepassing is, veel mensen denken dat de versimpelde uitdrukking van de tweede wet van de thermodynamica "de wanorde in het heelal stijgt altijd" op vrijwel elk denkbaar onderwerp van toepassing is, en dat is niet waar; de verklaring van Clausius is slechts een vereenvoudigde versie van een complexere beschrijving.
In de tijd gezien is een wiskundige formulering van de Tweede Hoofdwet, voor een geïsoleerd systeem dat een onomkeerbare adiabatisch proces doormaakt:
waarin
De Statistische thermodynamica geeft een verklaring voor de tweede wet door te stipuleren dat een materiaal is samengesteld uit atomen en moleculen die in constante beweging zijn. Een bepaalde reeks plaatsen en snelheden voor elk deeltje in het systeem wordt een "micro-toestand" genoemd en vanwege de constante beweging, verandert het systeem doorlopend zijn micro-toestand. De kansberekening zegt dat elke mogelijke micro-toestand even waarschijnlijk is. Dit leidt rechtstreeks tot de conclusie dat de tweede wet een statistische oorsprong heeft. Dat betekent dat de Tweede Hoofdwet een geldigheid heeft die verband houdt met het aantal deeltjes waar uit het systeem bestaat. Dat betekent, gemiddeld genomen geldt de Tweede Hoofdwet, maar met een statistische variatie die voorgesteld kan worden door 1/√N waarin N het aantal deeltjes in het systeem is.
Voor dagelijkse (macroscopische) situaties is de waarschijnlijkheid dat de tweede wet zal worden overtreden praktisch nul. Nochtans: voor systemen met een klein aantal deeltjes kunnen de thermodynamische parameters, de entropie inbegrepen, significante statistische afwijkingen vertonen van die voorspeld worden door de tweede wet. De klassieke thermodynamische theorie behandelt deze statistische variaties niet.
[bewerk] Zie ook:
- de nulde wet van de thermodynamica
- de eerste wet van de thermodynamica
- de derde wet van de thermodynamica
[bewerk] Referenties
- ↑ Stoner, C.D. (2000). Inquiries into the Nature of Free Energy and Entropy - in Biochemical Thermodynamics. Entropy, Vol 2.
- ↑ Clausius, R. (1865). "Mechanical Theory of Heat - with its Application to the Steam Engine and the Physical Properties of Bodies." London: John van Voorst.
