热力学第二定律
的热力学第二定律声明熵对孤立系统或任何循环过程的影响从不减少;它要么增加,要么保持不变。正因为如此,第二定律提供了一个明确的方向,在这个方向上时间必须前进时间可能只会沿着熵增加的方向流逝. 这解决了单纯通过观察确定时间方向的困难。也就是说,从物理学的角度来看,大多数过程,特别是那些发生在微观尺度上的过程,都是与时间对称的:它们看起来与时间正常流逝时发生的情况相反。仅仅观察这个过程不足以确定时间的方向。
此外,这个定律是双射的;它不仅说时间的流逝总是把宇宙从一个熵较小的时空平面带到一个熵相等或更大的时空平面,而且还说不可能存在一个降低孤立系统熵的过程。正是后一个结果形成了t第二定律的热力学研究。
法律声明
的熵对孤立系统或任何循环过程的影响从不减少;它要么增加,要么保持不变。
还有其他几种方法可以表达同样的意思,这些都相当于一个等价的命题。
克劳修斯的声明
除非做功,否则热能永远不会从温度较低的物体流向温度较高的物体。
开尔文声明
热能转化为功从来都不是完全有效的。
卡诺发动机
卡诺热机这是一个概念性的问题引擎实现了最高效的数据转换热来工作开尔文声明允许。一般来说,效率定义为输出与输入热量的比率:
对于卡诺发动机,效率取决于发动机在以下两种情况下运行的储气罐温度:
卡诺定理
在两个给定温度之间运行时,任何热机都不可能比卡诺热机更高效:
考虑热机抽热量 从高温下的蓄热器 ,交付工作 放热 在高温下放入散热器
热机开始运转周期,也就是说,它吸收热量 ,确实有效 ,转储热 ,并最终返回其原始不变状态。
考虑净熵变 宇宙的:
蓄热器释放热量 恒温 所以它的熵变是
散热器接受热量 恒温 所以它的熵变是
因为热机回到了它的工作状态不变的过程后的状态,它的熵变是零.
因此,宇宙的熵变是
根据热力学第二定律, 这意味着
因为左侧代表给定热机的效率( ),右边是卡诺热机的效率,
克劳修斯和开尔文陈述的等价性
有趣的是,克劳修斯和开尔文的表述是等价的。
为了证明这一点,我们证明这两个表述是相互暗示的。
克劳修斯的说法暗示了开尔文的说法。
假设开尔文的说法是错误的。
现在,有一些发动机可以有效地将热能转换为功。
假设有一个热泵,当向它提供功时,它将热量从冷体输送到热体。(这就像冰箱一样。)
但是我们可以将想象中的发动机耦合起来,这样它就可以从热的物体中获取热能,并利用产生的功来驱动热泵。
现在,想想绿色的耦合引擎。它将热能从热的物体转移到冷的物体,而无需任何其他输入!
因此,开尔文的谬论意味着克劳修斯的谬论。
开尔文的说法暗示了克劳修斯的说法。
假设克劳修斯的说法是错误的。
现在,有一种装置可以将热能从较冷的物体转移到较热的物体,而无需外部做功。
将这台奇怪的发动机与普通的热机耦合在一起,这样它就可以将水槽中损失的热能回收到热源。
这两个引擎耦合实际上是有效地转换工作热能没有损失!
使用与上面类似的论点,我们已经证明了这个定理。
自发性和吉布的自由能量
可能违反
由于第二定律奇怪的经验和不对称的性质,已经有几次试图反驳第二定律。不用说,第二定律仍然成立。
洛希米德悖论
时间对称的微观物理定律与非时间对称的宏观物理定律如何一致?
玻耳兹曼的反应
玻尔兹曼声称熵是有可能减少的,但这是极不可能的。
麦克斯韦妖
热力学第二定律指出,系统的熵不做功是不能降低的。然而,很容易想象一个恶魔会违反这一原则。
一个装有平衡气体分子的容器被一堵绝缘墙分成两部分,墙上有一扇门,可以打开和关闭“麦克斯韦妖”。恶魔打开门只允许速度比平均分子流到一个理想的室,且仅低于平均水平的分子到另一边,导致青睐的一面逐渐升温,而另一边冷却,从而减少熵。
为什么这样一个系统不能有效地违反第二定律?
当然,打开门可以做一些工作,但这与第二定律预测的相比太少了,理论上,门也可能是无质量的。根据这篇文章,这里有一个更好的解释:
这个“恶魔”由(至少)两部分组成:一个用来探测粒子何时到来的传感器,以及一个用来实际移动门的驱动器。为了让“恶魔”正常工作,执行器必须根据传感器发出的当前指令而不是之前的指令进行操作,所以当新的指令到来时,它必须忘记指令。这需要一些工作:有一些物理系统编码比特,它将需要一些能量成本翻转它。
这项工作是由朗道尔原理给出的,该原理指出,对于处于(绝对)温度T下的电路,它需要 能量去掉一个比特的信息 是玻尔兹曼常数。
卡尔文很生气,因为我在这句话中提到了他,所以他希望通过在Brilliant.org服务器上用0覆盖这句话的所有编码位来删除它。
焦耳Brilliant.org需要做的最小工作量是多少?
如果你的能量是 ,将答案输入为 .
详情及假设:
- 服务器工作温度过高 .
- 玻尔兹曼常数是
- 他只想重写那句话。但是,这包括了所有的角色 来 (s后面的那个)。
- 他不想破坏八元组流,所以他重写每个字节中的所有位不管它们当前的状态如何。
黑洞信息悖论
本节需要进行扩容。