World News Headlines

Coverage of breaking stories

What is the Second Law of Thermodynamics?

source : livescience.com

What is the Second Law of Thermodynamics?

The laws of thermodynamics describe the relationships between thermal energy, or heat, and other forms of energy, and how energy affects matter. The First Law of Thermodynamics states that energy cannot be created or destroyed; the total quantity of energy in the universe stays the same. The Second Law of Thermodynamics is about the quality of energy. It states that as energy is transferred or transformed, more and more of it is wasted. The Second Law also states that there is a natural tendency of any isolated system to degenerate into a more disordered state. 

Saibal Mitra, a professor of physics at Missouri State University, finds the Second Law to be the most interesting of the four laws of thermodynamics. “There are a number of ways to state the Second Law,” he said. “At a very microscopic level, it simply says that if you have a system that is isolated, any natural process in that system progresses in the direction of increasing disorder, or entropy, of the system.” 

Mitra explained that all processes result in an increase in entropy. Even when order is increased in a specific location, for example by the self-assembly of molecules to form a living organism, when you take the entire system including the environment into account, there is always a net increase in entropy. In another example, crystals can form from a salt solution as the water is evaporated. Crystals are more orderly than salt molecules in solution; however, vaporized water is much more disorderly than liquid water. The process taken as a whole results in a net increase in disorder. 

History

In his book, “A New Kind of Science,” Stephen Wolfram wrote, “Around 1850 Rudolf Clausius and William Thomson (Lord Kelvin) stated that heat does not spontaneously flow from a colder body to a hotter body.” This became the basis for the Second Law. 

Subsequent works by Daniel Bernoulli, James Clerk Maxwell, and Ludwig Boltzmann led to the development of the kinetic theory of gases, in which a gas is recognized as a cloud of molecules in motion that can be treated statistically. This statistical approach allows for precise calculation of temperature, pressure and volume according to the ideal gas law. 

This approach also led to the conclusion that while collisions between individual molecules are completely reversible, i.e., they work the same when played forward or backward, for a large quantity of gas, the speeds of individual molecules tend over time to form a normal or Gaussian distribution, sometimes depicted as a “bell curve,” around the average speed. The result of this is that when hot gas and cold gas are placed together in a container, you eventually end up with warm gas. However, the warm gas will never spontaneously separate itself into hot and cold gas, meaning that the process of mixing hot and cold gasses is irreversible. This has often been summarized as, “You can’t unscramble an egg.” According to Wolfram, Boltzmann realized around 1876 that the reason for this is that there must be many more disordered states for a system than there are ordered states; therefore random interactions will inevitably lead to greater disorder. 

Work and energy

One thing the Second Law explains is that it is impossible to convert heat energy to mechanical energy with 100 percent efficiency. After the process of heating a gas to increase its pressure to drive a piston, there is always some leftover heat in the gas that cannot be used to do any additional work. This waste heat must be discarded by transferring it to a heat sink. In the case of a car engine, this is done by exhausting the spent fuel and air mixture to the atmosphere. Additionally, any device with movable parts produces friction that converts mechanical energy to heat that is generally unusable and must be removed from the system by transferring it to a heat sink. This is why claims for perpetual motion machines are summarily rejected by the U.S. Patent Office. 

When a hot and a cold body are brought into contact with each other, heat energy will flow from the hot body to the cold body until they reach thermal equilibrium, i.e., the same temperature. However, the heat will never move back the other way; the difference in the temperatures of the two bodies will never spontaneously increase. Moving heat from a cold body to a hot body requires work to be done by an external energy source such as a heat pump. 

“The most efficient engines we build right now are large gas turbines,” said David McKee, a professor of physics at Missouri State University. “They burn natural gas or other gaseous fuels at very high temperature, over 2,000 degrees C [3,600 F], and the exhaust coming out is just a stiff, warm breeze. Nobody tries to extract energy from the waste heat, because there’s just not that much there.”

The arrow of time

The Second Law indicates that thermodynamic processes, i.e., processes that involve the transfer or conversion of heat energy, are irreversible because they all result in an increase in entropy. Perhaps one of the most consequential implications of the Second Law, according to Mitra, is that it gives us the thermodynamic arrow of time.

In theory, some interactions, such as collisions of rigid bodies or certain chemical reactions, look the same whether they are run forward or backward. In practice, however, all exchanges of energy are subject to inefficiencies, such as friction and radiative heat loss, which increase the entropy of the system being observed. Therefore, because there is no such thing as a perfectly reversible process, if someone asks what is the direction of time, we can answer with confidence that time always flows in the direction of increasing entropy. 

The fate of the universe

The Second Law also predicts the end of the universe, according to Boston University. “It implies that the universe will end in a ‘heat death’ in which everything is at the same temperature. This is the ultimate level of disorder; if everything is at the same temperature, no work can be done, and all the energy will end up as the random motion of atoms and molecules.” 

In the far distant future, stars will have used up all of their nuclear fuel ending up as stellar remnants, such as white dwarfs, neutron stars or black holes, according to Margaret Murray Hanson, a physics professor at the University of Cincinnati. They will eventually evaporate into protons, electrons, photons and neutrinos, ultimately reaching thermal equilibrium with the rest of the Universe. Fortunately, John Baez, a mathematical physicist at the University of California Riverside, predicts that this process of cooling down could take as long as 10(10^26) (1 followed by 1026(100 septillion) zeros) years with the temperature dropping to around 10−30 K (10−30 C above absolute zero). 

Additional resources

Here are some other explanations of the Second Law of Thermodynamics:

NASA’s Glenn Research Center gives a lesson as it pertains to aerodynamics.The University of California, Davis’ ChemWiki Dynamic Textbook describes the law, its history and applications.FT Exploring, a science education resource, explains the Second Law in simple terms.

The second law of thermodynamics states that

The second law of thermodynamics states that – Second Law- In a natural thermodynamic process the sum of the entropies of the interacting thermodynamic systems increases. A spontaneous process is a process that occurs in a system without any input of energy from the surroundings.Second law of thermodynamics when considered strictly contradicts both with quantum and the classical mechanics which predict that both quantum and the As the whole is a thermodynamical system with the low (ordered) life entropy, she will live till she ages and dies, she will undergo natural…The second law of thermodynamics states that it is not possible to have a process in which the entropy of an isolated system is decreased. According to Clausius, no process is possible, whose result is the transfer of heat from a colder object to a hotter object. In terms of entropy, it either stays the…

Thermodynamics/The Second Law of Thermodynamics – Wikiversity – As we remarked then, the second law of thermodynamics can be stated in several different ways, and all of them can be shown to imply the others. This is known as the Kelvin statement of the second law of thermodynamics. This statement describes an unattainable "perfect engine," as…'Someone recently asked me about the 2nd Law of Thermodynamics, stating that they thought it was irrelevant to creation/evolution because the earth is not an isolated system since the sun is constantly pumping in more energy. The Second Law can be stated in many different ways, e.g.The second law, however, is probably better known and even more profound because it describes the limits of what the universe can do. Despite these somewhat deflating ideas, the ideas of thermodynamics were formulated in a time of great technological optimism – the Industrial Revolution.

Thermodynamics/The Second Law of Thermodynamics - Wikiversity

Laws of Thermodynamics – StudiousGuy – The Second Law states that the entropy of the universe increases. For energy to be available there must be a region with high energy level and a region with The thermodynamic efficiency of a heat machine working between two energy levels is defined in terms of absolute temperature and can be…The Second Law of Thermodynamics states that the state of entropy of the entire universe, as an isolated system. , will always increase over time. The second law also states that the changes in the entropy in the universe can never be negative.let's talk about the second law of thermodynamics this law is weird there's about ten different ways to state it which is one reason why it's weird let's spontaneously from a colder object to a hotter object so if you have these two sitting together maybe an ice cube and a hot piece of metal and you make…

PPT - Chapter 22 Entropy and the Second Law of ...
Thermodynamics eBook: The Second Law
How was the universe created if physics states matter can ...
Solved: Derive A Relationship Between Differential Enthalp ...
PPT - Entropy and the Second Law of Thermodynamics ...
Thermodynamics eBook: Temperature and Pressure
The Vinod Wadhawan Blog: 5. Can You Unscramble an Egg?
The Incredible Shrinking Man | The Second Law of ...
Download Chemical Engineering Thermodynamics by AHUJA ...
hillis2e_ch02
The second law of thermodynamics states that

Intermolecular Forces and Boiling Points – البروفيسور ديف هنا, لنتحدث عن القوى بين الجزيئات ماذا يحدث عندما يغلي السائل؟ لماذا السوائل المختلفة لها درجات غليان مختلفة ؟ للإجابة على هذه الأسئلة علينا أن نتعلم عن القوى بين الجزيئية هي التفاعلات الكهروستاتيكية بين الجزيئات لذا فإن الذرات الموجودة في الجزيء تصنع روابط تساهمية وأيونية مع بعضها البعض لكن الجزيئات تشارك أيضًا في التفاعل مع الجزيئات الأخرى دعونا نلقي نظرة على الأنواع المختلفة أولاً لدينا تفاعلات بين أيون-أيون يتم تجميع المواد الصلبة الأيونية الأكبر معًا من خلال شبكات الروابط الأيونية لتي تعد أقوى قوة بين الجزيئات لأنها تنطوي على شحنات رسمية بعد ذلك لدينا تفاعلات أيون ثنائي القطب لذا يجب علينا أولاً أن نفهم ما هو ثنائي القطب الروابط التساهمية في جزيء الماء قطبية لأن الأكسجين أكثر كهربيًا من الهيدروجين وستسحب الإلكترونات في الرابطة تجاه نفسها بسبب الشكل الجزيئي المنحني عندما نجمع بين هذه المتجهات نرى الماء يحتوي على ثنائي القطب بشكل عام أو جانب من الجزيء مع وصول إلكتروني وجانب مع نقص إلكتروني يمكن أن تقوم ثنائيات القطب بعمل تفاعلات إلكتروستاتيكية لأن الجانب السلبي جزئيًا ينجذب إلى الشحنات الموجبة وينجذب الجانب الموجب جزئيًا إلى الشحنات السلبية لذلك عندما يذوب كلوريد الصوديوم في الماء تقوم أيونات الصوديوم بإجراء تفاعلات أيونية ثنائية القطب مع الجانب السلبي من ثنائي القطب في الماء وتقوم أيونات الكلوريد بإجراء تفاعلات أيونية ثنائية القطب مع الجانب الإيجابي من ثنائي القطب في الماء يمكن لكل أيون إجراء العديد من هذه التفاعلات التي تخزن الكثير من الطاقة وهذا هو سبب تفكك كلوريد الصوديوم في الماء في المقام الأول بعد ذلك لدينا التفاعلات بين ثنائي القطب كما يمكنك التخمين, هذا عندما يتفاعل ثنائي القطب معًا كما في المياه النقية, عندما تكون في شكل سائل
ستتحرك جزيئات الماء بهذه الطريقة بحيث تكون دائما كهرباء التفاعلات بين النهاية السلبية لثنائي قطب واحد والنهاية الإيجابية لقطب ثنائي آخر في هذه الحالة, تتأهل هذه التفاعلات ثنائية القطب إلى لقب خاص: روابط الهيدروجين يحدث هذا عندما تتفاعل ثنائيات القطب الناتجة عن روابط N-H أو O-H أو F-H مع بعضها البعض هذه مجرد تفاعلات ثنائية القطب قوية بشكل خاص فهي قوية بشكل خاص لأن هذه هي العناصر الأكثر كهربيًا لذلك سيخلقون الروابط الأكثر استقطابًا بقوة مما يؤدي إلى ثنائي القطب قوي جدًا وبالتالي تفاعلات قطبية ثنائية قوية جدًا تقريبًا يمكننا أن نفكر في الشحنات الجزئية على أنها جزء من الشحن الرسمي لذلك كلما زادت الشحنة الجزئية كلما كان التفاعل أقوى على الرغم من أنه ليس قويًا تمامًا مثل التفاعلات بين الجسيمات المشحونة رسميًا وأخيرا لدينا فان دير فالس او قوى تشتت لندن تشير هذه الأسماء إلى نفس القوة وهي قابلة للتبادل تمامًا لذا سأشير إليها بشكل تعسفي باسم قوى فان دير فالس هذه هي جائزة العزاء للقوى الجزيئية لأن أي مادة يمكن أن تفعلها فقط الأيونات تصنع تفاعلات أيون أيون وفقط الروابط التساهمية مع ثنائي القطب يمكنها أن تصنع تفاعلات ثنائية القطب ثنائية القطب ولكن اي شيء على الاطلاق يمكن أن يفعله فان دير والز على سبيل المثال الق نظرة على الهيليوم الهيليوم غاز نبيل, وبسبب امتلاء مدار التكافؤ فإنه لا يصنع روابط مع عناصر اخرى لذا فإن عينة الهيليوم هي مجرد حفنة من ذرات الهيليوم حسنًا ، ستكون سحابة الإلكترون حول ذرة الهيليوم غير متوازنة قليلاً أو تميل في اتجاه واحد سيؤدي هذا إلى شيء يسمى ثنائي القطب اللحظي وهذا يعني أن جانب واحد من الذرة هو سلبي جزئيا بشكل جزئي والجانب الآخر إيجابي جزئيًا هذا أضعف بكثير من ثنائي القطب الرسمي ولكنه لا يزال موجودًا ويمكن قياسه إذا اقترب ثنائي القطب اللحظي من ذرة أخرى, يمكن أن يولد ثنائي القطب المستحث وهذا يعني أن السلبية الجزئية الطفيفة تصد هذه الكثافة الإلكترونية إلى الجانب الآخر من الذرة, لذا سيكون لها أيضًا ثنائية قطب طفيفة ومن ثم يمكن أن يكون هناك تفاعل ثنائي القطب اللحظي الناجم تفاعل ثنائي القطب الذي هو قوة فان دير والز هذا تجاذب ضعيف وعابر ولكن هذا هو كل ما يمكن أن تفعله الأنواع الأحادية والمركبات التساهمية غير القطبية وبالنسبة للجزيئات الكبيرة جدًا مثل بعض الهيدروكربونات يمكن أن تصبح القوة ذات اهمية لذا فإن قوة الرابطة بين أيون-أيون أقوى لأنها تنطوي على تفاعلات بين الجسيمات المشحونة رسميًا يأتي أيون-ثنائي القطب بعد ذلك لأنه ينطوي على شحنة رسمية وجزئية ثم ثنائي القطب – ثنائي القطب الذي يقع بين الشحنات الجزئية وفان دير والز الذي يقع بين ثنائيات القطب المستحثة لنرى كيف تملي القوى بين الجزيئات بتغيير الطور ,فلنقم بتجربة فكرية.
تذكر أولاً أن جسيمات المادة الصلبة معبئة بشكل صارم ولا تتحرك جزيئات السائل تتحرك ولكن لا تزال قريبة من بعضها وتتفاعل تتحرك الجسيمات الغازية وهي بعيدة عن بعضها البعض مقارنة بالسوائل تعتبر لا تتفاعل بشكل اساسي لذلك لنزعم بأن لدينا ثلاث مواد: الهيليوم والماء وكلوريد الصوديوم سنضعهم في حرارة صفر كلفن أو صفر مطلق وهو أدنى درجة حرارة ممكنة مع غياب كامل للطاقة الحرارية حيث لا توجد طاقة متاحة للحركة هنا كل شيء حتى الهيليوم في الحالة الصلبة من اجل الانتقال من الحالة الصلبة الى الحالة السائلة الى الحالة الغازية يجب أن تدخل الطاقة الحرارية في العينة وتطغى على القوى الجزيئية التي تحدث في السائل يوجد بعض الطاقة المخزنة في التفاعلات الإلكتروستاتيكية ومهما كانت الكمية هي بالضبط مقدار الطاقة الحرارية التي يجب توفيرها لتحرير الجزيئات في مرحلة الغاز حيث لا تتفاعل ولا تخزن الطاقة لأن الطبيعة لن تميل إلى الذهاب إلى طاقة أعلى بشكل تلقائي لذا يجب توفير الطاقة المخزنة في هذه التفاعلات بطريقة أخرى هذا يعني أنه كلما كانت القوى بين الجزيئات أقوى كلما زادت الطاقة الحرارية التي يجب أن نزوّها بها لتذويب العينة ولغليها لذا دعونا نأخذ موادنا الثلاث ونرفع درجة الحرارة ببطء ونرى ما يحدث الهليوم ، لأنه يشارك فقط في قوى فان دير فالس الضعيفة بشكل لا يصدق يحتاج فقط إلى كمية ضئيلة من الطاقة الحرارية لتعطيل هذه التفاعلات الضعيفة لهذا السبب سوف يذوب الهيليوم ويغلي بالكاد عند درجة واحدة فوق الصفر المطلق من ناحية أخرى يشارك الماء في التفاعلات ثنائية القطب – ثنائية القطب القوية ,تسمى روابط الهيدروجينية هناك كمية كبيرة من الطاقة المخزنة في هذه التفاعلات لذلك سنحتاج إلى طاقة حرارية كبيرة للتغلب عليهم الماء يذوب ويغلي عند 273 و 373 كلفن على التوالي وأخيرً,، يقوم كلوريد الصوديوم بعمل تفاعلات أيون – أيون قوية للغاية لذلك ستستغرق كمية كبيرة من الطاقة لإذابة وغلي هذه المادة الصلبة يذوب عند 1074 كلفن ، مما يعني أن هناك الكثير من الطاقة المخزنة في قوى أيون أيون يمكننا استخدام هذه المعلومات لتحديد أي مجموعة من المركبات قد يكون لها أعلى نقطة غليان عندما نطرح هذا السؤال ,فنحن حقيقة نسأل عن: أي مركب يولد أقوى قوى بين الجزيئات ؟ كلما كان المركب أقوى, كلما احتجنا إلى المزيد من الطاقة الحرارية لفصل الجزيئات عن بعضها البعض ووضعها في مرحلة الغاز حتى تغلي عند درجات حرارة أعلى نحن بحاجة إلى أن نكون قادرين على النظر إلى جزيء ما وتحديد نوع التفاعلات التي ستحدثها إذا كان مركب تساهمي بروابط غير قطبية يمكن فقط ان يكون فان دير والس إذا كان مركب تساهمي مع روابط قطبية اذا يجب أن ننظر إلى الشكل الهندسي لمعرفة ما إذا كان هناك ثنائي القطب في الشكل العام على سبيل المثال, يحتوي الماء على ثنائي القطب بينما لا يحتوي ثاني أكسيد الكربون لأنه على الرغم من أن روابط الكربون والأكسجين قطبية فإن اتجاه هذه الروابط القطبية يجعلها تلغي بعضها البعض ويكون الجزيء غير قطبي بشكل عام وبالمثل قارن BF3 مع NH3 مرة أخرى الهندسة الجزيئية ستحدد أن هذا غير قطبي لأن المتجهات تلغي بعضها البعض بدقة ولكن مع الأمونيا ,تشير جميع الروابط إلى حد ما نحو اتجاه واحد لذا تحتوي الأمونيا على ثنائي القطب CS4 غير قطبي مرة أخرى بسبب الهندسة ,ولكن CH3F لديه رابط قطبي واحد فقط بحيث يحتوي على ثنائي القطب إذا كان الجزيء يحتوي على ثنائي القطب ، فيمكنه القيام بتفاعلات ثنائي القطب – ثنائي القطب وأخيرًا ، تشارك الأيونات المشحونة رسميًا في تفاعلات الأيونات الأيونية تعرف على المركبات التي يمكنها أن تفعل ما ستقوم به في مجال الأعمال دعونا نتحقق من مدى الاستيعاب شكرا لمشاهدتكم اشتركوا في القناة من اجل المزيد من الدروس وكما اقول دائما لا تتردد بمراسلتي على البريد الخاص بي .

Physics Web Assign Ch 12 #3 – .

What is the Zeroth Law of Thermodynamics? – These three cups are in thermal equilibrium.
I can measure the temperature in all three
mugs here with a thermometer and you can see they are all come up as being the same temperature. I could also use three different thermometers
and they would still say that the temperature is the same across all three containers. That�s because temperature is a fundamental
and measurable property of matter. The framework that describes all of thermodynamics
can be summed up in the four laws, and these describe heat, energy, and their
interactions with matter. While the first, second and third laws of
thermodynamics are quite well known, there's a fourth law that underpins all of the other
laws. It was devised after the three laws of thermodynamics, but was so fundamental and provided such a
basis for the other laws, that it was termed the zeroth law of thermodynamics. The zeroth law of thermodynamics is actually
an observation and states that if two thermodynamic systems
are in thermal equilibrium with a third system, they are also in thermal equilibrium with
each other. Or to put it mathematically, if A=C and B=C
then A must also = B. If all of these three glasses are at thermal
equilibrium, then we can say that they're all at the same temperature. And this is where the significance of the
zeroth law lies. It lets us establish temperature as a measurable
and universal property of matter. If something is measurable, then we can create
scales for it and this is exactly what happened with temperature. The first temperature scale that, in a slightly
altered form, is still in use today was established by Daniel
Gabriel Fahrenheit in 1724. A more common scale, named after Swedish scientist
Anders Celsius, uses the point of water freezing as the 0
point on the scale, and the boiling of water as the 100th degree
on the scale. Rather than using a scale where 0 is defined
arbitrarily, what we really want is to use a scale where
0 is the coldest temperature you could ever get to. Scientists around the world use the Kelvin
scale, where 0 is defined as absolute zero. Absolute zero is something which is defined
by the third law of thermodynamics, but that's something we'll get to in another video. It was observed that the properties of matter
could change with temperature. For example, liquids can expand or contract
when heated or cooled, and the conductivity of wires can change as a function of temperature. Some old fashioned thermometers like this
one use the expansion of mercury or other liquids under heat as a measuring tool. Modern electronic thermometers commonly use
thermoresistors, where the resistance in a material changes with changes in temperature. Yet another way of looking at temperature
is with a thermal imaging camera. All objects above absolute zero radiate some
sort of infrared frequency radiation with hotter objects radiating higher amounts
of infrared. This allows us to us thermal imaging to see the world even without any visible light. If two objects at different temperatures are
brought into contact with each other, they will try to reach thermal equilibrium. If the two objects are of sufficiently different
temperatures, the reaction can be rather violent due to a phenomenon called thermal shock. Because the heat gradient makes the glass
want to expand, but the other side is cold. This causes a strain that breaks the glass. The concept of the zeroth law may seem trivial, but it lets us define temperature, and that in turn allows us to quantify the
effects of the other three laws. .