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Seconda legge della termodinamica

1850
  • Sadi Carnot
  • Rudolf Clausius
  • William Thomson (Lord Kelvin)
Ingegneri che progettano un efficiente motore termico in laboratorio, illustrando le applicazioni della termodinamica.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

La Seconda Legge introduce il concetto di entropia e definisce la direzione dei processi spontanei. Può essere enunciata in diversi modi, ma una conseguenza fondamentale è che l'entropia totale di un sistema isolato non può mai diminuire nel tempo. Questa legge spiega la ‘freccia del tempo’ e il motivo per cui i processi sono irreversibili, come il passaggio spontaneo di calore da un corpo caldo a uno freddo.

La Seconda Legge è uno dei principi più profondi della scienza. Una delle sue prime formulazioni è l'affermazione di Clausius: ‘Il calore non può mai passare da un corpo più freddo a uno più caldo senza che si verifichi contemporaneamente un altro cambiamento, ad esso collegato’. Un'altra è l'affermazione di Kelvin-Planck: ‘È impossibile ideare un dispositivo che funzioni ciclicamente, il cui unico effetto sia quello di assorbire energia sotto forma di calore da un unico serbatoio termico e di fornire una quantità equivalente di lavoro’. Entrambe le affermazioni vietano le macchine a moto perpetuo del secondo tipo.

La novità della legge consisteva nell'introduzione dell'irreversibilità nella fisica fondamentale. Mentre la Prima legge si occupa di risparmio energeticoLa seconda legge della termodinamica si occupa della qualità dell'energia e della sua inevitabile degradazione in forme meno utili (calore di scarto). Ludwig Boltzmann fornì in seguito un'interpretazione statistica, definendo l'entropia ([latex]S[/latex]) come una misura del numero di possibili configurazioni microscopiche (microstati) che corrispondono allo stato macroscopico osservato di un sistema. La formula [latex]S = k_B ln W[/latex] collega l'entropia alla probabilità statistica, spiegando che i sistemi tendono ad evolvere verso il loro stato più probabile (a massima entropia).

UNESCO Nomenclature: 2212
- Termodinamica, fisica statistica e materia condensata

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Rivoluzionario

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Il lavoro di Sadi Carnot sulla forza motrice del fuoco e sul calore ideale ciclo del motore
  • osservazioni dell'inefficienza intrinseca delle macchine a vapore
  • la comprensione intuitiva che il calore non fluisce spontaneamente dal freddo al caldo
  • sviluppo della teoria della probabilità e della statistica da parte di Laplace e altri

Applicazioni

  • progettazione di motori termici e frigoriferi efficienti (efficienza di Carnot)
  • ingegneria chimica per prevedere la spontaneità delle reazioni
  • teoria dell'informazione, dove l'entropia di Shannon è una misura del contenuto informativo
  • cosmologia (ipotesi della ‘morte termica dell'universo’)
  • scienza dei materiali per comprendere il disordine e le transizioni di fase

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • entropy-driven self-assembling nanomaterials for electronics
  • motori di informazione che convertono le informazioni in lavoro su scala microscopica
  • algoritmi per ottimizzare le reti energetiche minimizzando la produzione di entropia
  • ‘time-reversal’ data processing to correct errors in quantum computing by locally reducing entropy
  • materiali biomimetici con capacità di auto-riparazione guidate da gradienti di riduzione dell'entropia locale
  • processi di desalinizzazione avanzati che utilizzano un apporto energetico minimo gestendo attentamente i cambiamenti di entropia
  • software per la previsione del ripiegamento delle proteine ​​basato sui principi di minimizzazione dell'energia libera e dell'entropia
  • criogenico cooling systems that approach the theoretical carnot efficiency limit
  • analisi basata sull'entropia per la volatilità del mercato finanziario e la previsione dei crolli
  • processi di riciclaggio dei rifiuti che selezionano i materiali in base alle loro firme entropiche utilizzando la spettroscopia
Correlato a: seconda legge, entropia, irreversibilità, freccia del tempo, motore termico, dichiarazione di Clausius, dichiarazione di Kelvin-Planck, disordine, meccanica statistica, spontaneità.

Contesto storico

Seconda legge della termodinamica

1845
1850
1850
1850
1850
1850
1851
1842
1847
1850
1850
1850
1850
1850
1851

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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