La segunda ley de la termodinámica y la entropía
La segunda ley de la termodinámica es una ley termodinámica que limita la dirección de los procesos termodinámicos reales. Confirma que el principio de aumento de entropía está establecido: hay una función de estado de entropía en un sistema termodinámico que alcanza el equilibrio, la entropía de un sistema aislado no disminuye y la entropía es máxima cuando alcanza el equilibrio. Es decir, la segunda ley de la termodinámica requiere que el proceso que ocurre en un sistema aislado avance en la dirección de una entropía creciente, lo que se denomina criterio de entropía. Junto con la primera ley de la termodinámica y la tercera ley de la termodinámica, forma la base de la teoría termodinámica. El teorema de Carnot derivado de él señala la dirección y el límite de mejorar la economía de los motores térmicos y las máquinas de refrigeración.
La experiencia señala que la conversión de energía térmica es irreversible. La irreversibilidad de la conversión de energía térmica se puede observar en un gran número de ciclos de un motor térmico. Es imposible realizar un ciclo que solo absorba calor de una alta temperatura. fuente de calor de temperatura sin liberar calor a una fuente de calor de baja temperatura. El motor térmico de acción. Después de resumir mucha práctica, llegamos a la conclusión de que es imposible absorber calor de una sola fuente de calor y convertirlo completamente en trabajo útil sin producir otros efectos. Ésta es la expresión Kelvin de la segunda ley de la termodinámica. Niega la posibilidad de fabricar una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo (ver máquina de movimiento perpetuo). Además de la irreversibilidad de la conversión del trabajo térmico, la transferencia de calor también es irreversible: el calor siempre se transfiere espontáneamente de un objeto de alta temperatura a un objeto de baja temperatura, y el proceso inverso no puede ocurrir espontáneamente. A partir de numerosos experimentos, Clausius concluyó otra expresión de la segunda ley de la termodinámica: es imposible transferir calor de un objeto de baja temperatura a uno de alta temperatura sin provocar otros efectos.
Desde una perspectiva microscópica, como otros fenómenos macroscópicos, los fenómenos irreversibles son también regularidades estadísticas manifestadas por un sistema compuesto por un gran número de partículas a nivel macroscópico. Bajo ciertas condiciones macroscópicas, los microestados deseables de un sistema compuesto por un gran número de partículas y los macroestados relacionados son eventos accidentales, cada uno de los cuales ocurre con una cierta probabilidad. Los estados macroscópicos con alta probabilidad tienen más posibilidades de ser observados en experimentos. El estado de equilibrio del sistema es el macroestado con mayor probabilidad en determinadas condiciones macroscópicas. Para un sistema compuesto por un gran número de partículas, la probabilidad correspondiente a su estado de equilibrio es mucho mayor que la probabilidad de otros estados macroscópicos. Por lo tanto, el proceso irreversible que ocurre espontáneamente en un sistema macroscópico es en realidad el proceso en el que el sistema se transforma de un estado macroscópico con una probabilidad menor a un estado macroscópico con una probabilidad mayor en determinadas condiciones cuando el sistema alcanza el estado macroscópico con la mayor probabilidad; probabilidad, el proceso espontáneo se detiene y alcanza el equilibrio.
La probabilidad de que aparezca un macroestado está relacionada con el número de microestados que contiene. El número de microestados correspondientes a un macroestado se denomina probabilidad termodinámica. Cuanto mayor sea la probabilidad termodinámica, mayor será la posibilidad de que este estado macroscópico se observe en los experimentos. El estado de equilibrio es el estado macroscópico con la mayor probabilidad termodinámica W y tiene un valor definido. Por lo tanto, si la entropía del estado de equilibrio se define como S=klnW usando la fórmula de Boltzmann, entonces el sistema pasará espontáneamente de un estado con un estado más pequeño. probabilidad a un estado con mayor probabilidad. El proceso irreversible de un estado grande es un proceso de aumento de entropía, lo que explica el principio de aumento de entropía a nivel microscópico.