Een zandkasteel op het strand brokkelt langzaam af naarmate de dag vordert. Maar iemand die het omgekeerde ziet - zand dat spontaan in de vorm van een kasteel springt - zou zeggen dat ze naar een opname moeten kijken, niet naar de realiteit. Evenzo komt een glas ijsthee waarin de blokjes na verloop van tijd smelten overeen met onze verwachtingen, maar niet een glas vloeistof waarin zich ijsblokjes spontaan vormen.
De reden dat sommige natuurlijke processen zinvol lijken te zijn tijd maar niet achteruit in de tijd heeft te maken met de tweede wet van de thermodynamica. Deze belangrijke wet is de enige fysieke beschrijving van het universum die afhangt van de tijd die een bepaalde richting heeft, waarin we alleen vooruit kunnen gaan.

De wetten van Newton of de kinematicavergelijkingen, beide gebruikt om de beweging te beschrijven van objecten, werken even goed of een natuurkundige besluit de boog van een voetbal te analyseren terwijl deze vooruit of achteruit beweegt. Daarom wordt de tweede wet van de thermodynamica ook wel 'de pijl van de tijd' genoemd.
Microstaten en Macrostaten

Statistische mechanica is de tak van de fysica die gedrag op microscopische schaal relateert, zoals de beweging van luchtmoleculen in een gesloten ruimte, tot daaropvolgende macroscopische waarnemingen, zoals de algemene temperatuur van de ruimte. Met andere woorden, het verbinden van wat een mens rechtstreeks zou kunnen waarnemen met de talloze onzichtbare spontane processen die het samen laten gebeuren.

Een microstaat is een mogelijke opstelling en energieverdeling van alle moleculen in een gesloten thermodynamisch systeem. Een microstaat zou bijvoorbeeld de locatie en kinetische energie van elke suiker- en watermolecule in een thermoskan met warme chocolademelk kunnen beschrijven.

Een macrostaat is daarentegen de verzameling van alle mogelijke microstaten van een systeem: alle mogelijke manieren waarop de suiker- en watermoleculen in de thermoskan kunnen worden gerangschikt. De manier waarop een natuurkundige een macrostaat beschrijft, is door variabelen zoals temperatuur, druk en volume te gebruiken.

Dit is nodig omdat het aantal mogelijke microstaten in een gegeven macrostaat veel te groot is om mee om te gaan. Een kamer op 30 graden Celsius is een nuttige meting, hoewel het weten dat het 30 graden is niet de specifieke eigenschappen van elk luchtmolecuul in de kamer onthult.

Hoewel macrostaten over het algemeen worden gebruikt bij het praten over thermodynamica, is het begrijpen van microstaten relevant omdat ze de onderliggende fysieke mechanismen beschrijven die tot die grotere metingen leiden.
Wat is entropie?

entropie wordt vaak in woorden beschreven als een maat voor de hoeveelheid stoornis in een systeem. Deze definitie werd voor het eerst voorgesteld door Ludwig Boltzmann in 1877.

In termen van thermodynamica kan het meer specifiek worden gedefinieerd als de hoeveelheid thermische energie in een gesloten systeem die niet beschikbaar is om nuttig werk te verrichten.

De omzetting van nuttige energie in thermische energie is een onomkeerbaar proces. Hieruit volgt dat de totale hoeveelheid entropie in een gesloten systeem - inclusief het universum als geheel - alleen kan toenemen
.

Dit concept verklaart hoe entropie verband houdt met de richting die tijd stroomt. Als natuurkundigen verschillende snapshots van een gesloten systeem konden maken met de gegevens over hoeveel entropie er in zat, konden ze deze in de volgorde van de tijd zetten volgens "de pijl van de tijd" - van minder naar meer entropie gaan.

Om veel technischer, wiskundiger te worden, wordt de entropie van een systeem gedefinieerd door de volgende formule, die Boltzmann ook bedacht:

S \u003d k × ln (Y)

waar Y
is het aantal microstaten in het systeem (het aantal manieren waarop het systeem kan worden besteld), k
is de Boltzmann-constante (gevonden door de ideale gasconstante te delen door de constante van Avogadro: 1.380649 × 10 ^{−23 J /K) en ln
is de natuurlijke logaritme (een logaritme met de basis e
).}

De belangrijkste afhaalmogelijkheid hieruit formule is om aan te tonen dat, naarmate het aantal microstaten, of manieren om een systeem te bestellen, toeneemt, ook de entropie ervan toeneemt.

De verandering in entropie van een systeem terwijl het van de ene macrostaat naar de andere gaat, kan worden beschreven in termen van de macrosta de variabelen warmte en tijd:
\\ Delta S \u003d \\ int \\ dfrac {dQ} {T}

waarbij T
temperatuur is en Q
de warmteoverdracht is in een omkeerbaar proces terwijl het systeem tussen twee toestanden beweegt.
De tweede wet van de thermodynamica

De tweede wet van de thermodynamica stelt dat de totale entropie van het universum of een geïsoleerd systeem nooit afneemt. In de thermodynamica is een geïsoleerd systeem een systeem waarin noch warmte noch materie de systeemgrenzen kunnen binnentreden of verlaten.

Met andere woorden, in elk geïsoleerd systeem (inclusief het universum) is entropieverandering altijd nul of positief. Wat dit in wezen betekent, is dat willekeurige thermodynamische processen de neiging hebben te leiden tot meer wanorde dan orde. Willekeurige processen kunnen leiden tot meer orde dan wanorde zonder de natuurwetten te overtreden; het is gewoon veel minder waarschijnlijk.

Bijvoorbeeld van alle microstaten waarin een willekeurig geschud kaartspel zou kunnen eindigen - 8.066 × 10 ^{67 - slechts een van die opties is gelijk aan de bestelling die ze in de originele verpakking hadden. Het zou kunnen gebeuren, maar de kansen zijn heel, heel klein. Over het algemeen neigt alles van nature naar wanorde.
De betekenis van de tweede wet van de thermodynamica}

entropie kan worden gezien als een maat voor wanorde of de willekeur van een systeem. De tweede wet van de thermodynamica stelt dat deze altijd hetzelfde blijft of toeneemt, maar nooit afneemt. Dit is een direct resultaat van statistische mechanica, omdat de beschrijving niet afhangt van het uiterst zeldzame geval waarin een kaartspel in perfecte volgorde wordt geschud, maar van de algemene neiging van een systeem om de wanorde te vergroten.

Een vereenvoudigde manier om over dit concept na te denken is om te overwegen dat het niet-mengen van twee sets objecten meer tijd en moeite kost dan ze in de eerste plaats te vermengen. Vraag een ouder van een peuter om te verifiëren; het is gemakkelijker om een grote puinhoop te maken dan om het op te ruimen!

Tal van andere observaties in de echte wereld "zijn logisch" voor ons gebeurt op de een of andere manier omdat ze de tweede wet van de thermodynamica volgen: