Warto przeczytać

Nieodwracalność wielu otaczających nas zjawisk wynika z prawa wzrostu entropii. Entropia – miara nieuporządkowania układu, w procesach spontanicznych zawsze rośnie.

W układach izolowanych entropia nie może maleć.

To najogólniejsza postać II zasady termodynamiki. Wzrost entropii oznacza, że stopień uporządkowania układu maleje. Porządek samorzutnie zamienia się w chaos, nigdy odwrotnie. Dzieje się tak, ponieważ prawdopodobieństwoPrawdopodobieństwoprawdopodobieństwo stanów nieuporządkowanych jest znacznie większe niż prawdopodobieństwo stanów uporządkowanych. Układy dążą do stanów bardziej prawdopodobnych.

Nieodwracalność zjawisk wyznacza kierunek upływu czasu. Czas upływa zawsze w kierunku od przeszłości do przyszłości, a nigdy odwrotnie, jest jednokierunkowy, asymetryczny i nieodwracalny. Tym różni się czas od przestrzeni, w której możemy poruszać się w dowolnym kierunku. W czasie możemy się poruszać tylko od przeszłości do przyszłości (Rys. 1.).

R1lM32ar1yiPW

Rys. 1. Na rysunku znajduje się duża, szeroka strzałka skierowana poziomo w prawo. Nad strzałka jest napis: strzałka czasu. Pod strzałką z lewej strony jest napis: przeszłość, pośrodku strzałki napis: teraźniejszość, z prawej strony napis: przyszłość.

Z prawa wzrostu entropii wynika wyrównywanie się temperatur. Temperatura jest miarą średniej energii kinetycznej cząsteczek. Jeśli w różnych częściach układu występują różne temperatury, to oznacza to, że cząsteczki o średnio większych energiach kinetycznych są oddzielone od cząsteczek o średnio mniejszych energiach kinetycznych. Jest to stan bardziej uporządkowany niż stan o wyrównanych średnich energiach kinetycznych. Tak więc wyrównywanie się temperatur oznacza wzrost entropii układu.

Wnioskiem z najogólniejszej postaci II zasady termodynamiki – prawa wzrostu entropii - jest niemożność spontanicznego powstania różnic temperatur między częściami układu. Oznacza to, że energia cieplna nigdy nie płynie od ciała chłodniejszego do cieplejszego. Przepływ ciepła możliwy jest tylko od ciała o wyższej temperaturze do ciała o niższej temperaturze. Dlatego nie możemy czerpać energii cieplnej z jednego zbiornika i zamieniać ją w całości na pracę. TemperaturatemperaturaTemperatura takiego zbiornika wciąż by się obniżała i ciepło musiało by płynąć od ciała o niższej temperaturze do ciała o wyższej temperaturze, a tego zabrania II zasada termodynamiki. Tak więc działać mogą tylko takie silniki cieplne, które pobierają ciepło ze zbiornika ciepła o wyższej temperaturze, przekształcają jego część w użyteczną pracę, a resztę oddają do chłodnicy – zbiornika ciepła o niższej temperaturze.

R11s4kXNuzrs3

Rys. 2. Na rysunku są 2 prostokąty, stykające się bocznymi krawędziami. Z lewej strony znajduje się niebieski prostokąt, na którym zapisano literę wielkie T z indeksem dolnym 1. Prawy prostokąt jest czerwony i zapisano na nim literę wielkie T z indeksem dolnym 2. Na wspólnej krawędzi prostokątów narysowano szeroką strzałkę skierowaną poziomo w lewo. Nad strzałką zapisano literę wielkie Q. Pod rysunkiem jest nierówność: wielkie T z indeksem dolnym 1 jest mniejsze niż wielkie T z indeksem dolnym 2.

Konieczność istnienia dwóch zbiorników ciepła o różnych temperaturach powoduje, że praca uzyskana w jednym cyklu silnika jest zawsze mniejsza od pobranego ciepła. Część ciepła w każdym cyklu pracy silnika oddawana jest do chłodnicy. Bilans energetyczny wygląda następująco: ciepło pobrane z grzejnika $Q_p$ równe jest sumie wykonanej pracy $W$ i ciepła oddanego do chłodnicy $Q_{\mathrm{od}}$:

Praca wykonana w jednym cyklu wynosi

Sprawność silnika definiujemy jako stosunek pracy $W$ do pobranego ciepła $Q_p$:

przy czym obie wielkości odpowiadają jednemu cyklowi pracy silnika.

Praca jest mniejsza od ciepła pobranego o ciepło oddane do chłodnicy, co oznacza, że zawsze sprawność silnika jest mniejsza od jedności. Silnik zamieniający w całości ciepło na pracę, zwany perpetuum mobile drugiego rodzaju, nie może działać, bo byłoby to sprzeczne z II zasadą termodynamiki.

Sprawność silnika cieplnego zawsze jest mniejsza od jedności.

Słowniczek