Kann der zweite Hauptsatz der Thermodynamik / Entropie die Newtonschen Gesetze außer Kraft setzen?

Nein. In dem gegebenen Beispiel gehorcht jedes Teilchen den Newtonschen Gesetzen. Es gibt kein Teilchen, das nicht gehorcht$F=ma$.

Aus dem folgenden Beispiel geht hervor, dass hinter dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik eine zugrunde liegende „Kraft“ steckt, die ihn antreibt und die stärker ist als jedes andere Gesetz, und wenn es einen Konflikt zwischen dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und einem anderen Gesetz gibt, dann das zweite Gesetz gewinnt. Gibt es wirklich eine zugrunde liegende "Kraft" hinter dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, die das System in eine bestimmte Richtung treibt?

Wieder nein. Das zweite Gesetz beschreibt, wie sich die Newtonschen Gesetze mit den Wahrscheinlichkeitsgesetzen verbinden. Es gibt keine andere "Kraft", die in dem Problem wirkt.

Warum ist diese Demonstration keine Verletzung der Newtonschen Mechanik? Nun, bedenken Sie diese Frage: Sagt die Newtonsche Mechanik, dass sich schwere Teilchen nicht nach oben bewegen können?

Was im Becher passiert, ist, dass die vielen Moleküle herumdrängeln. Die schwereren Moleküle sind im Durchschnitt niedriger als die leichteren Moleküle, da sie im Durchschnitt die gleiche Menge an Gesamtenergie haben, aber schwerer sind. Aber es gibt viele, viele Moleküle. Manchmal, die$NO_2$Moleküle haben mehr kinetische Energie und springen nach oben.

Der zweite Hauptsatz drückt einfach aus, dass diese zufällige Bewegung zu einer Mischung der Gase führt. Es widerspricht nicht den Newtonschen Gesetzen, sondern drückt die unvermeidlichen Konsequenzen aus ihnen aus.

Die thermische Bewegung muss beim Verständnis des Beispiels berücksichtigt werden. Es ist genauso wichtig wie die Schwerkraft.

• wenn es keine Gravitation gäbe, keine Gravitationskraft, kein Gravitationspotential), würden sich die Gase vollständig vermischen
• wenn die Temperatur Null wäre (keine thermische Energie, keine thermische Bewegung), würden sich die Gase vollständig abscheiden.

Wenn beide Effekte vorhanden sind, müssen sie sich ausgleichen. Und das tun sie durch Kollisionen und Bewegungen, die sowohl den Newtonschen Gesetzen als auch der Thermodynamik gehorchen.

Zum Zusammenhang zwischen Energie und Entropie:

Über die Demonstration des dichteren Gases, das diffundiert, um den verfügbaren Raum zu füllen. Ich gebe Ihnen zu, das ist kontraintuitiv. Wir sind daran gewöhnt zu denken, dass es so etwas wie eine spontane Bewegung gegen eine Kraft nicht gibt. Wir erwarten, dass Steine ​​niemals bergauf rollen.

Aber ja, in gewisser Weise passiert das im Fall des Gases, das dichter als Luft ist und nach oben diffundiert; das dichtere Gas bewegt sich bergauf .

Also: Energie ist nicht das einzige Spiel in der Stadt, es gibt auch Entropie.

(Zweifellos gibt es auch Beispiele, wo Energie und Entropie in die gleiche Richtung wirken, sich also addieren. Aber es ist interessant, sie gegeneinander auszuspielen.)

Immer wenn Energie und Entropie gegensätzlich wirken, entwickelt sich das System in Richtung eines Gleichgewichtszustandes .

Sie können manipulieren, wohin dieses Gleichgewicht fällt, indem Sie die Bedingungen manipulieren. In Biologielabors ist beispielsweise eine Mikrozentrifuge ein Standardgerät .

Unter normaler Schwerkraft bleiben viele Zellbestandteile in Suspension. Das heißt, unter normaler Schwerkraft reicht der Brownsche Bewegungseffekt aus, um alles in der Schwebe zu halten. Wenn sich ein Röhrchen in der Mikrozentrifuge dreht, ist alles im Röhrchen einer hohen G-Belastung ausgesetzt. Die hohe G-Last bedeutet, dass die Bewegung zum Boden des Rohrs viel mehr Energie freisetzt als unter normaler G-Last. Das verschiebt das Gleichgewicht. Bei ausreichend hoher G-Last setzen sich Komponenten ab, anstatt in der Schwebe zu bleiben.

Ein extremes Beispiel hierfür ist die Ultrazentrifugation zur Trennung von Uranisotopen. Dieser Trennprozess ist eigentlich eine Gaszentrifugation. Uranhexafluorid ist gasförmig. Wenn sich die Ultrazentrifuge ausreichend schnell dreht, kann der Grad der Trennung von U-235 und U-238 bis zu einem Punkt vorangetrieben werden, an dem dies eine wirtschaftlich tragfähige Methode zur Anreicherung von Uran darstellt.

Beachten Sie, dass die Zentrifugation keine vollständige Trennung ergibt. Am weitesten von der Drehachse entfernt wird das Gas etwas mit U-238 angereichert, das Gas näher an der Drehachse wird etwas mit U-238 abgereichert. Eine vollständige Trennung ist selbst bei den extremen Rotationsgeschwindigkeiten der Ultrazentrifugation zu unwahrscheinlich. Die hohe G-Last bewirkt, dass sich das Gleichgewicht verschiebt

Grenzen

Ich denke, die Quelle der Verwirrung hier ist, dass Sie den Klecks NO2-Gas als "ein Ding" betrachten. Dann sehen Sie dieses "Ding", das spontan gegen die Schwerkraft arbeitet, und nehmen an: "Hey, Newton sagt, es sollte unten bleiben, aber das tut es nicht!" Mit der naiven Erklärung sind also zwei Probleme verbunden.

Der erste ist, dass der Gasklumpen nur wegen seines Behälters „ein Ding“ ist. Der Becher ist wirklich das einzige, was das Gas bindet (technisch gesehen gibt es eine triviale Menge an Gravitationsanziehung, aber ich hoffe, wir stimmen darin überein, dass dies viele Größenordnungen zu klein ist, um hier von Interesse zu sein). Wenn Sie das Gas aus dem Becher nehmen würden, indem Sie den Becher umkippen, würden Sie sehr schnell sehen, dass dieses Gas aufhört, "ein Ding" zu sein, da es in die Umgebungsluft diffundiert.

Was ist passiert? Hat das Gas aufgehört zu existieren? Natürlich nicht. Die Moleküle des Gases gingen einfach alle getrennte Wege. Die einzige Möglichkeit, die Auflösung des Gasflecks zu erklären, besteht darin, ihn als eine Ansammlung von Molekülen zu betrachten, von denen jedes den Newtonschen Gesetzen im Ausmaß seiner Genauigkeit gehorcht (ich hoffe, wir stimmen darin überein, dass sich die Moleküle hier wahrscheinlich alle nicht-relativistisch bewegen). Das ist, was die anderen Antworten versuchen, Ihnen zu sagen. Das Gas ist nicht "ein Ding". Es ist eine Menge Dinge. Ein Haufen Billardkugeln, die sehr Newtonisch herumhüpfen.

Luftballons

Das andere Problem ist, dass Arbeit geleistet wird und Kosten bezahlt werden, und in jedem anderen Zusammenhang würden Sie nichts Ungewöhnliches an der hier stattfindenden „Transaktion“ denken. Das Zitat besagt eindeutig, dass Wärme die Arbeit leistet, die erforderlich ist, um das NO2 gegen die Schwerkraft nach oben zu bewegen. Ich schätze, Sie haben dieses Prinzip schon anderswo bei der Arbeit gesehen . Nun ist dies nicht genau derselbe Fall wie beim Heißluftballon, da angenommen wird, dass das NO2 zu Beginn der Demonstration die gleiche Temperatur wie die Luft darüber hat. Aber wenn man bedenkt, dass die Temperatur der Mischgase niedriger ist als die des reinen NO2, dann ist aus dieser Perspektive das NO2 tatsächlich „heiß“ und steigt durch diese „Überschusswärme“ an, vereinfacht gesagt.

Kann der zweite Hauptsatz der Thermodynamik / Entropie die Newtonschen Gesetze außer Kraft setzen?

Nein, die Newtonschen Gesetze und der zweite Hauptsatz der Thermodynamik konkurrieren nicht miteinander. Die Newtonschen Gesetze bilden die Bühne, auf der der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik wirkt. Schließlich erlauben die Newtonschen Gesetze, dass sich ein Gasmolekül gegen die Schwerkraft nach oben bewegt, wenn es vom Boden der Box abprallt.

Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass sich isolierte Systeme in Richtung Makrozustände mit höherer Entropie bewegen. Die Regeln des Systems (Newtonsche Gesetze, Wechselwirkungen zwischen Entitäten, Quantenmechanik) sagen aus, welche Zustände vorhanden sind.

Wenn es keine (oder schwache) Kräfte im System gibt (ein ideales Gas), sagt die Thermodynamik, dass die Moleküle dazu neigen, sich gleichmäßig über die Box zu verteilen, da es mehr Möglichkeiten gibt, sich gleichmäßig zu verteilen, als alle Moleküle zu haben in einer Ecke. Wenn Sie jedoch ein externes Gravitationsfeld einbeziehen, muss die Auswirkung der Schwerkraft auf die für das System verfügbaren Zustände bei der Bestimmung des Makrozustands mit maximaler Entropie berücksichtigt werden. Wenn sich in der Nähe des Bodens der Box mehr Moleküle befinden als in der Nähe der Oberseite, ist mehr kinetische Energie verfügbar und daher mehr mögliche Impulswerte für die Moleküle. Es besteht also eine Konkurrenz zwischen Ortsentropie , die für eine gleichmäßige Verteilung von Molekülen maximiert wird, und Impulsentropie, die maximiert ist, wenn sich alle Moleküle am Boden der Box befinden und die meiste kinetische Energie verfügbar ist. Die endgültige Molekülverteilung, die die Entropie maximiert, hängt von der Masse der Moleküle, der Erdbeschleunigung, dem Abstand zwischen Ober- und Unterseite der Box und der verfügbaren Gesamtenergie (oder der Temperatur) ab. Vielleicht können Sie jetzt sehen, wie die Newtonschen Gesetze und der Zweite Hauptsatz zusammenkommen, um den Gleichgewichtszustand zu bestimmen.

Gibt es wirklich eine zugrunde liegende "Kraft" hinter dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, die das System in eine bestimmte Richtung treibt?

Ja, thermodynamische Kräfte sind real und messbar.

Thermodynamische Kräfte haben in der klassischen Mechanik den gleichen Charakter wie die Zentripetalkraft. Wenn sich ein Objekt im Kreis bewegt, wissen Sie, dass eine Zentripetalkraft ausgeübt wird, aber Sie wissen nicht unbedingt, dass die zugrunde liegenden Wechselwirkungen dies tatsächlich bewirken. Sie können Spannung in einer Schnur, Schwerkraft, elektrostatische Kraft usw. sein.

Ebenso kann uns der zweite Hauptsatz der Thermodynamik sagen, dass eine durchschnittliche Kraft existiert, auch wenn wir die Wechselwirkungen nicht kennen, die zu der durchschnittlichen Kraft führen (die durch das Coulombsche Gesetz oder Van-der-Waals-Kräfte oder Quantenmechanik geliefert werden könnten).

Unten haben wir eine Ansammlung identischer Moleküle mit einer Art abstoßender Kräfte zwischen ihnen, die um eine Box mit einem Flaschenhals springen. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik sagt uns, dass ein Molekül an der Position des roten Moleküls im Gleichgewicht und im Durchschnitt eine Kraft nach rechts spürt, einfach weil es mehr Möglichkeiten gibt, Moleküle in den fetten Teil der Box zu bringen als in den dünnen Engpass. Die Wechselwirkungen zwischen den Molekülen und zwischen den Molekülen und den Wänden, die zu dieser durchschnittlichen thermodynamischen Kraft führen, können elektrostatisch, van der Waals, Pauli-Ausschluss usw. sein.