Thermodynamik und das zweite Newtonsche Gesetz

Sie müssen ein bisschen vorsichtig sein, was Sie meinen, wenn Sie fragen, ob die Newtonsche Mechanik umkehrbar ist oder nicht. Wie in einem der Kommentare angegeben, ist die Newton-Mechanik nur eine Reihe von Regeln, die Ihnen sagen, wie Objekte beschleunigen, wenn sie bestimmten Kräftesätzen ausgesetzt sind. Es sagt Ihnen nicht unbedingt die Natur dieser Kräfte oder woher sie kommen.

Um zu verstehen, welche Prozesse reversibel sind, dh ihren eigenen Weg zurückverfolgen können, betrachten wir einige Beispiele.

Gravitation: Hier hängen Kräfte nur vom Abstand zwischen zwei Teilchen ab, kümmert sich also nicht um die Bewegungsrichtung eines Teilchens. Die Bewegungsgleichungen sind daher zeitumkehrsymmetrisch (eine Änderung der Zeitrichtung bedeutet eine Änderung der Richtung aller Geschwindigkeiten) und jeder Gravitationsprozess ist daher umkehrbar.

Reibung: Reibung hängt hauptsächlich von der Geschwindigkeit des Objekts ab, auf das die Reibung wirkt. Als solche sind diese Kräfte nicht zeitumkehrsymmetrisch und Fiktionsprozesse sind nicht umkehrbar. Aus Sicht der statistischen Mechanik wird dies durch Energie erklärt, die auf nicht wahrnehmbare Weise aus dem System abgeführt wird.

Magnetismus: Auch magnetische Kräfte (die Lorenzkraft) sind nicht zeitumkehrsymmetrisch, da sie von der Geschwindigkeit eines Teilchens abhängen. Hier passiert jedoch eine lustige Sache unter Zeitumkehr. Wenn sich ein Teilchen in einem konstanten Magnetfeld bewegt (einen Kreis zeichnet), wird es sich bei Umkehrung der Bewegungsrichtung immer noch auf einem gleich großen Kreis bewegen, aber dieser neue Kreis wird den alten Kreis nur in a berühren einziger Punkt.

Ich habe es jetzt etwas ausführlicher gemacht. Hoffe es hat geholfen.

Was ich zu sagen versuche, ist, dass es in einem Newtonschen System gleichermaßen Sinn macht, ob eine Kugel von einem Tablett nach unten oder (ohne Reibung) nach oben rollt. Der "Vorgang" ist dann umkehrbar. In der Thermodynamik geht ein Prozess in einer gegebenen Situation nur in eine Richtung, ist also irreversibel. – Hamid Mohammad vor 18 Stunden

Wenn Sie an einen Ball denken, der einen Hügel hinauf oder hinunter rollt, können Sie sich leicht vorstellen, dass Sie keine Reibung haben. "In der Thermodynamik ist ein Prozess oft irreversibel, da ein Teil der Energie aufgrund von mikroskopisch kleinen Reibungsphänomenen zwischen Molekülen in Wärme umgewandelt wird. Deine Frage ist also nicht ganz fair

Das 2. Newtonsche Gesetz und das 2. Gesetz der Thermodynamik schließen sich nicht gegenseitig aus. Bestimmte mechanische Prozesse sind reversibel, auch wenn sie in einem isolierten System spontan ablaufen (und nicht quasistatisch sind). Zwei Beispiele für solche Prozesse sind (a) Umwandlung von potentieller Energie und kinetischer Energie ohne Reibung und (b) Feder-Masse-Systeme, die eine einfache harmonische Bewegung aufweisen. Solche Prozesse beinhalten keine Trockenreibung oder viskose Dissipation mechanischer Energie (manchmal als nasse viskose Reibung bezeichnet), die beide Entropie erzeugen.

Was sind also die allgemeinen Eigenschaften mechanisch reversibler Prozesse und irreversibler Prozesse, die beide mit dem 2. Newtonschen Gesetz und dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik übereinstimmen?

Mechanisch umkehrbare Prozesse beinhalten nur konservative Kräfte (z. B. Gravitationskörperkräfte) und rein elastische Verformungskräfte (z. B. Federn oder kompliziertere elastische Festkörper) und die Umwandlung von potentieller Energie, elastischer Energie und kinetischer Energie ineinander. Aber es gibt keine Gleitreibung und keine viskose Dämpfung. Bei mechanisch reversiblen Prozessen gibt es keine Entropieerzeugung innerhalb des Systems während des Prozesses und keine Erhöhung der Entropie des Systems als Ergebnis des Prozesses.

Irreversible mechanische Vorgänge sind immer als Gleitreibung oder viskose Dämpfung zu erkennen: Systeme mit tatsächlichem Dämpfer, Systeme mit sehr schneller Verformung von Gasen (daher viskoses Gasverhalten), Flüssigkeitssysteme mit Verformung viskoser Flüssigkeiten, Systeme mit Luftwiderstand. Alle diese Prozesse führen zu einer Entropieerzeugung innerhalb des Systems und somit in einem isolierten System zu einer Erhöhung der Entropie des Systems.

Zusätzlich zur Irreversibilität in Bezug auf Reibungs-/viskoses mechanisches Verhalten kann es auch Irreversibilität in Bezug auf die Wärmeübertragung geben. Dies tritt auf, wenn es während des Prozesses endliche (im Gegensatz zu infinitesimalen) Temperaturgradienten innerhalb des Systems gibt. Dies führt auch zu einer Entropieerzeugung während des Prozesses und einer Erhöhung der Entropie eines isolierten Systems.

Natürlich können in einem System während eines Prozesses auch beide Arten von Irreversibilität vorhanden sein.