La segona llei de la termodinàmica és un principi de la termodinàmica clàssica que estableix la irreversibilitat de molts esdeveniments termodinàmics, com el pas de la calor d'un cos calent a un fred. A diferència d'altres lleis de la física com la llei de gravitació universal o les equacions de Maxwell, el segon principi està fonamentalment vinculat a la fletxa del temps.
El segon principi de la termodinàmica posseeix diverses formulacions equivalents, una de les quals es basa en la introducció d'una funció d'estat, l'entropia: en aquest cas el segon principi afirma que la 'entropia d'un sistema aïllat lluny de l'equilibri tèrmic tendeix a augmentar amb el temps fins que s'aconsegueixi l'equilibri. En mecànica estadística, clàssica i quàntica, l'entropia es defineix a partir del volum en l'espai de fase ocupat pel sistema per satisfer automàticament (per construcció) el segon principi.
Formulacions de la segona llei de la termodinàmica
Hi ha moltes formulacions equivalents d'aquest principi. Aquells que històricament van provar ser els més importants són:
«És impossible realitzar una transformació l'únic resultat és transferir calor d'un cos més fred a un de més càlid sense la contribució del treball extern» (formulació de Clausius).
«És impossible realitzar una transformació cíclica l'únic resultat és la transformació en el treball de tot la calor absorbida per una font homogènia» (formulació de Kelvin - Planck).
"És impossible fer una màquina tèrmica l'eficiència sigui â € <â €
A la física moderna, però, la formulació més utilitzada és la basada en la funció d'entropia:
«En un sistema aïllat, l'entropia és una funció que no disminueix amb el temps»
Aquest principi ha tingut un impacte significatiu des d'un punt de vista històric. De fet, implícitament sanciona la impossibilitat de realitzar l'anomenat moviment perpetu de la segona espècie i mitjançant la irreversibilitat dels processos termodinàmics es defineix una fletxa del temps.
Els dos principis de la termodinàmica macroscòpica també s'apliquen als sistemes oberts, i es generalitzen a través de la exergia.
Equivalència de les dues primeres declaracions
L'equivalència de l'oració de Kelvin-Planck i la de Clausius pot mostrar-se mitjançant el següent argument per a l'absurd.
En el que segueix, per raons de brevetat i claredat que es denotaran per Kelvin la proposició corresponent enunciat Kelvin, amb no Kelvin seva negació, amb Clausius la proposició corresponent enunciat Clausius i amb no Clausius la seva negació.
Kelvin implica Clausius
Esquematització d'una màquina tèrmica basada en una màquina anti-Clausius, que viola la declaració de Kelvin
Suposem que és absurd que l'afirmació de Clausius sigui falsa, és a dir, que hi hagi una màquina refrigeradora cíclica capaç de transferir calor d'una font freda a una calenta, sense la contribució del treball extern.
Sigui Q la quantitat transferida per a cada cicle de la màquina des de la font freda a la calenta.
Llavors podem fer un treball de la màquina tèrmica entre les dues fonts, de manera que el resta en cada cicle una quantitat de calor Q 'de la font de calor, la transferència a la quantitat freda QA i convertir la diferència Q' - Q a la feina.
La font freda llavors no pateix cap transferència neta de calor i, per tant, el nostre sistema de màquines tèrmiques està extraient calor, globalment, només de la font calenta, produint exclusivament treball, en violació de la formulació Kelvin-Planck del segon principi .
Clausius implica Kelvin
Esquematització d'una màquina tèrmica basada en una màquina anti-Kelvin, que viola la declaració de Clausius
Ara suposem que podem convertir completament la calor en treball, extret per una màquina cíclica d'una sola font S a temperatura constant.
Deixi L ser tal treball extret en un cicle.
Llavors podem prendre una segona font S 'a una temperatura més alta i fer funcionar una màquina refrigeradora entre les dues fonts, que absorbeix el treball produït per l'altra màquina en cada cicle.
Per tant, hi ha una transferència neta de calor des de la font freda S a la font calenta S ', en violació de la declaració de Clausius.
