Termodynamikkens andre hovedsetning

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Gå til: navigasjon, søk
Skjematisk fremstilling av en dampmaskin, dens funksjon er basert på termodynamikkens andre hovedsetning

Termodynamikkens andre hovedsetning sier at entropien S aldri kan minke for noen spontan prosess. Dermed er det umulig å redusere entropien til et isolert system — det vil si et system som ikke kan utveksle energi eller materie med omverdenen. Oppdagelsen av denne fundamentale naturloven hadde utgangspunkt i betraktninger gjort av den franske ingeniør Sadi Carnot i første halvdel av det 18. århundret om arbeid som kunne utføres av varmekraftmaskiner. Dette arbeidet ble videreført av den tyske fysiker Rudolf Clausius og den engelske fysiker William Thomson (Lord Kelvin).

Mer nøyaktig sier loven at hvis systemet blir tilført en liten varmemengde ΔQ, så vil forandringen i dets entropi alltid tilfredsstille ulikheten

 \Delta S \ge {\Delta Q\over T}

hvor T er temperaturen til systemet. Likhetstegnet gjelder kun når forandringen skjer så langsomt og forsiktig eller er tilstrekkeelig liten slik at den er reversibel. Denne betingelsen kalles nå for Clausius' ulikhet etter Rudolf Clausius som formulerte denne hovedsetningen på en presis måte i 1850.

For et isolert system er ΔQ  = 0, og dets entropi kan derfor aldri avta. I beste fall forblir den konstant med ΔS  = 0 som betyr at entropien er maksimal og forblir slik.

Den tilførte varmen ΔQ  kan bidra til å øke systemets indre energi U eller omsettes i arbeid W. Ved bruk av termodynamikkens første hovedsetning om energiens bevarelse, kan denne loven skrives som

  T\Delta S \ge \Delta U + \Delta W

Arbeidet kan være mekanisk, kjemisk eller av elektromagnetisk natur. Her brukes den konvensjonen at det er positivt når det utføres av systemet. Kan det kun produsere et mekanisk arbeid mot et eksternt trykk P, vil arbeidet være ΔW = PΔV  hvor ΔV  er volumforandringen. I en kjemisk reaksjon kan antall partikler i systemet forandres. Det tilsvarende arbeidet som da utføres er gitt ved det kjemiske potensial.

I grensen hvor de små forandringene ΔV , ΔU  og ΔS  er infinitesemalt små, kan de erstattes av de tilsvarende differensialene dV, dU og dS. Da er forandringen i systemet reversibel slik at man har den eksakte ligningen

 TdS = dU + PdV

når man ser bort fra forandringer i partikkeltallet. Denne eksakte sammenhengen spiller en avgjørende rolle i den matematiske formulering av termodynamikkens lover og for definisjonen av et systems frie energi. Man må da ta hensyn til at de forskjellige, termodynamiske variable alltid er forbundet med en tilstandsligning når systemet er i termisk likevekt.

Det finnes også andre formuleringer av 2. hovedsetning: Varme kan ikke spontant overføres fra et kaldt legeme til et varmt legeme, uten en ytre påvirkning. Det er ikke mulig å omdanne all varme fra en prosess til arbeid. For eksempel så er det en veldig stor energimengde lagret som varme i verdenshavene. I følge 1. hovedsetning er det fullt mulig å omsette denne til nyttbar energi for å utføre arbeid. Men det er 2. hovedsetning som forbyr denne muligheten.

I et ikke-isolert system kan derimot entropien minke, gitt at entalpiforandringen er stor nok. Dette skyldes at varmetapet medfører en økning av omgivelsenes entropi. Som et mål på spontanitet for en prosess brukes forandringen av den frie energien.

Se også[rediger | rediger kilde]