Die Definition von Spontan in der Thermodynamik?

Sie können es so sehen: Wenn Sie das Universum als Ganzes betrachten, ist jeder Vorgang "natürlich" "spontan" in dem Sinne, dass die Gesamtentropie der Universumsentropie immer zunimmt. Denn wenn irgendwo in deinem Universum etwas passiert, dann muss es passieren dürfen, sonst würde es einfach nicht passieren!

Was Sie jedoch normalerweise interessiert, ist, dass Ihr Kühlschrank kalt bleibt, und deshalb konzentriert sich die Thermodynamik auf Subsysteme: Es reicht nicht zu sagen, "irgendwo im Universum gibt es die Möglichkeit eines Kühlschranks". Sie möchten etwas über Ihren Kühlschrank wissen (und Ihre Stromrechnung am Monatsende und die natürlichen Ressourcen Ihres Planeten !).

Eine Frage zu einem spontanen Vorgang wäre: Wenn ich einen Kühlschrank kaufe, wird es dann kalt? Und die Antwort lautet: Nein (es sei denn, Sie schließen es an eine externe Stromquelle an)! Wenn Sie die Frage stellen: "Gibt es im Universum kalte Kühlschränke ohne äußere Annahmen außer der Existenz des Universums?", dann lautet die Antwort natürlich ja.

Abhängig von der Größenordnung, in der Sie die Dinge betrachten (Kühlschrank < Stromrechnung < Planet < Universum), können die Dinge als spontan betrachtet werden oder nicht. Du brauchst den Strom für deinen Kühlschrank, du brauchst ein Kraftwerk für den Strom, du brauchst die Sonne für das Kraftwerk, du brauchst den Urknall für die Sonne usw.). Sie müssen sich also entscheiden: In welchem ​​Maßstab betrachte ich das System: Würde ein Kühlschrank ohne Strom funktionieren? Würde Strom ohne die Sonne funktionieren? Würde die Sonne ohne das Universum funktionieren?

Kannst du das in wissenschaftlicheren Worten sagen?

Das Universum als Ganzes hat nur Prozesse, die die Gesamtentropie erhöhen. Konzentrieren wir uns nun auf die Entropie eines Teilsystems! Hier ist der knifflige Punkt: Ein Subsystem des Universums, wenn Sie es als individuelles Objekt betrachten, könnte seine Entropie lokal verringern, wenn Sie ihm Arbeit zuführen, dh es könnte zu etwas führen, von dem Sie NICHT erwarten würden, dass es passiert, wenn Sie es nicht in Betracht ziehen als Teil eines größeren Systems.

Sagen wir also, ich habe ein Subsystem, ich sehe seine Entwicklung. Dann ist die Frage:

muss ich auf das Vorhandensein einer externen Energiequelle in meinem System zurückgreifen, um sein Verhalten zu erklären?

Wenn ja, dann ist der Prozess nicht spontan. Wenn nicht, dann ist der Prozess.

Ein spontaner Prozess innerhalb eines Systems, das Sie beobachten, ist einer, den Sie erklären können, ohne auf eine externe Energiequelle zurückzugreifen.

Ausführliche Diskussion mit einem einfachen Beispiel

Stellen Sie sich vor, Sie haben ein System, das sich nicht in einem Gleichgewichtszustand befindet. Wie es dahin gekommen ist, ist unerheblich.

Das einfachste Beispiel sind zwei identische Boxen mit einem perfekten Gas im Inneren, eine auf Temperatur$T_1$, eins bei Temperatur$T_2$mit$T_1>T_2$. Bringt man sie irgendwie in Kontakt, so fließt ohne zusätzliche äußere Arbeit Wärme vom heißen zum kalten Bad ($T_1\to T_2$) bis die beiden Temperaturen bei der Gleichgewichtstemperatur gleich sind$T_e=(T_1+T_2)/2$.

Sie haben nichts getan: Bringen Sie einfach die beiden Gase in Kontakt und sie ändern spontan ihre Temperatur in den Gleichgewichtszustand.

Stellen Sie sich nun vor, Sie möchten, dass das kalte Gas trotz seiner heißen Umgebung kalt bleibt (ein Kühlschrank): Um dem spontanen Prozess entgegenzuwirken, müssen Sie dem kalten Gas Wärme entziehen, um es kalt zu halten. Dazu benötigen Sie etwas Arbeit (die Energie, die der Kühlschrank durch den Strom erhält).

In diesem letzteren Fall wird die Entropie des Universums zunehmen, aber die Entropie des Subsystems "Kühlschrank" nicht, weil Sie sie künstlich konstant halten. Sie entfernen im Grunde auf Kosten des Universums Entropie aus dem Kühlschrank. Aber Sie müssen davon ausgehen, dass es ein äußeres Universum gibt, das die erforderliche zusätzliche Energie liefert!

Lassen Sie uns die Argumentation umkehren. Sie sehen zwei Gase zusammen, bei$T_1$Und$T_2$. Du beobachtest sie und siehst, dass sich ihre Temperatur nicht ändert. Dann muss es bedeuten, dass dem System irgendwo etwas Arbeit gegeben werden muss, um es so zu erhalten, wie es ist. Wenn Sie andererseits an den beiden Gasen arbeiten und sehen, dass sie sich ausgleichen, können Sie davon ausgehen, dass sich das System so verhält, wie es sein sollte , wenn keine Arbeiten daran durchgeführt werden. Dass ein Prozess spontan ist, bedeutet, dass Sie ihn beschreiben können, ohne auf eine externe Energiequelle zurückzugreifen: So sollten sich zwei isolierte Gase verhalten.

Wenn Sie jetzt das ganze Universum einbeziehen, dann können Sie natürlich erklären, warum der Kühlschrank kalt bleibt: Das Universum enthält bereits die Energiequelle, also gibt es keinen Widerspruch. Und weil das Universum isoliert ist, siehst du innerhalb des Universums keinen Prozess, der eine Energiequelle außerhalb deines Systems erfordert: Es ist bereits irgendwo in deinem System.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass (nicht-)"spontan" eigentlich nur auf Subsysteme angewendet werden kann. Wenn Sie nur ein Subsystem betrachten, das Wärme mit dem Rest des Universums austauschen kann (also kein isoliertes System), können Sie es zu Zuständen entwickeln, in die sich dasselbe Subsystem, wenn es isoliert wäre, niemals entwickeln würde . Spontane Prozesse nennen wir solche, die auch bei vollständig isoliertem System ablaufen würden.

Um einen nicht spontanen Prozess zu haben, benötigen Sie eine Art Energiefluss (Arbeit, Wärme ...) von außen. Im großen Ganzen des Universums hingegen ist alles in gewisser Weise spontan.

Es hängt wirklich von Ihrer Sichtweise ab, wenn Sie das System beschreiben.

Die beiden von Ihnen zitierten Definitionen bedeuten nicht, dass nicht spontane Prozesse die Entropie verringern, wenn Sie dies implizieren. Mit anderen Worten, die Tatsache, dass alle spontanen (natürlichen) Prozesse die Entropie erhöhen, bedeutet nicht, dass alle nicht spontanen Prozesse die Entropie verringern sollten.

Der Kühl-/Wärmepumpenzyklus ist eine nicht spontane Wärmeübertragung von kalt nach heiß, aber wie Sie wissen, ist dafür ein Netzeingang erforderlich, und das führt zu einer Erhöhung der Entropie für einen realen Zyklus (null Änderung für einen idealen reversibler Zyklus), keine Abnahme. Wenn keine Netzwerkeingabe erforderlich wäre, würde es eine Abnahme der Entropie und eine Verletzung der Clausius-Aussage des zweiten Hauptsatzes geben:

Kein Kälte- oder Wärmepumpenkreislauf kann ohne Netzeingang betrieben werden.

Hoffe das hilft.

Zwei Arten von Prozessen:

• Es gibt thermodynamische Prozesse, die den Zustand einiger Variablen wie Temperatur und Entropie ändern.

• In der statistischen Mechanik gibt es mikroskopische Prozesse, die Teilchen zwischen Mikrozuständen bewegen , diese Änderung kann das System näher an den Makrozustand im Gleichgewicht bringen oder nicht.

Einen spontanen thermodynamischen Prozess im Sinne einer spontanen Volumenverdopplung eines Systems gibt es nicht.

Es gibt spontane und stimulierte (nicht spontane) mikroskopische Prozesse.

Spontane Prozesse neigen dazu, das System in den Gleichgewichts-Makrozustand zu bringen, da sie eine ergodische Energieverteilung über alle Freiheitsgrade der beteiligten Teilchen ermöglichen.

Beispielsweise arbeitet ein Laser durch die Konkurrenz von spontaner Emission und simulierten (nicht-spontanen) Emissionsvorgängen.

In einem Laser fließt zunächst Energie in ein System, wodurch die spontanen Prozesse dominieren, da optische Moden mehr oder weniger gleichmäßig besetzt sind. Nach einer gewissen Zeit dominieren stimulierte Prozesse: Photonen beginnen, eine einzige optische Mode zu bevölkern. Dies ist ein hochgeordneter Makrozustand und wird nur durch Energie aufrechterhalten, die in das System fließt.

Ich habe versucht hinzuzufügen, wie ich darüber nachdenken würde, es war zu lang für einen Kommentar.