¿Puede la Segunda Ley de la Termodinámica / Entropía anular las leyes de Newton?

Question

Hice esta pregunta en Physics Stack Exchange - "¿Puede el Incremento / maximización de la Entropía ser la "Causa" detrás de cualquier fenómeno?"

A lo que recibí una hermosa explicación con un ejemplo desconcertante. Cito el ejemplo a continuación. En el ejemplo, parece que la Segunda Ley de la Termodinámica es más poderosa que las Leyes de Newton y si hay un conflicto entre las dos, ¡entonces la segunda ley gana! Y aquí es donde me surge la pregunta - ¿Puede la Segunda Ley de la Termodinámica / Entropía anular las Leyes de Newton?

A continuación figuran algunas preguntas concretas:

1. ¿Puede la Segunda Ley de la Termodinámica / Entropía anular las leyes de Newton?

2. A partir del ejemplo siguiente, parece que hay una "Fuerza" subyacente detrás de la segunda ley de la termodinámica que la impulsa y que es más poderosa que cualquier otra ley, y si hay un conflicto entre la segunda ley de la termodinámica y cualquier otra ley, entonces ganará la segunda ley. ¿Existe realmente una "fuerza" subyacente detrás de la segunda ley de la termodinámica que impulse al sistema en una dirección determinada?

Este es un ejemplo:

Recuerdo haber presenciado una demostración de que el ejemplo abstracto anterior es una analogía cercana.

La demostración consistió en dos vasos de precipitados, apilados, con las aberturas orientadas hacia una hoja de cartón fino separaba los dos.

En el vaso inferior se había tenido una cantidad de gas dióxido de nitrógeno añadido. El color marrón del gas era claramente visible. El vaso superior estaba lleno de aire. El dióxido de nitrógeno es más denso que el aire.

Al retirar el separador vimos el color marrón del Nitrógeno dióxido de nitrógeno. En menos de medio minuto el espacio combinado era de un color marrón uniforme.

Y entonces el profesor explicó el significado: en el proceso de llenar todo el espacio, las moléculas más pesadas de dióxido de nitrógeno habían desplazado a las moléculas más ligeras. Es decir: una parte significativa de la población de dióxido de nitrógeno se había movido en contra de la fuerza de la gravedad. Este movimiento en contra de la gravedad está impulsado por la probabilidad.

La mecánica estadística proporciona los medios para tratar este proceso cuantitativamente. Se cuantifica contando el número de estados. Los estados mixtos superan con creces a los estados separados.

El ascenso de las moléculas de dióxido de nitrógeno va a expensas de la temperatura de los gases combinados. Es decir, si en el estado inicial la temperatura en los dos compartimentos es la misma, entonces se puede comparar la temperatura final con aquella. La temperatura de los gases combinados será un poco más baja que la temperatura inicial. temperatura inicial. Es decir, parte de la energía cinética se ha convertido en energía potencial gravitatoria.

Creo que el ejemplo anterior cuenta como un caso de probabilidad actuando como un agente causal.

Answer 1

¿Puede la Segunda Ley de la Termodinámica / Entropía anular las leyes de Newton?

No. En el ejemplo dado, todas las partículas obedecen las leyes de Newton. No hay ninguna partícula que no obedezca $F=ma$ .

A partir del ejemplo siguiente, parece que hay una "Fuerza" subyacente detrás de la segunda ley de la termodinámica que la impulsa y que es más poderosa que cualquier otra ley, y si hay un conflicto entre la segunda ley de la termodinámica y cualquier otra ley, entonces ganará la segunda ley. ¿Existe realmente una "fuerza" subyacente detrás de la segunda ley de la termodinámica que impulse al sistema en una dirección determinada?

De nuevo, no. La segunda ley describe cómo se combinan las leyes de Newton con las leyes de la probabilidad. No hay ninguna otra "fuerza" actuando en el problema.

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¿Por qué esta demostración no constituye una violación de la mecánica newtoniana? Bueno, considere esta pregunta: ¿Dice la mecánica newtoniana que las partículas pesadas no pueden moverse hacia arriba?

Lo que ocurre en el vaso de precipitados es que las numerosas moléculas se agitan. Las moléculas más pesadas, por término medio, estarán más bajas que las más ligeras, ya que tendrán la misma cantidad de energía total, por término medio, pero son más pesadas. Pero hay muchísimas moléculas. A veces, las $NO_2$ las moléculas tendrán más energía cinética y rebotarán hacia arriba.

La Segunda Ley simplemente expresa que este movimiento aleatorio dará lugar a una mezcla de los gases. No contradice las leyes de Newton, sino que expresa las consecuencias inevitables de las mismas.

Answer 2

Hay que tener en cuenta el movimiento térmico para entender el ejemplo. Es tan importante como la gravedad.

• si no hubiera gravedad (ninguna fuerza gravitatoria, cero potencial gravitatorio) los gases se mezclarían completamente
• si la temperatura fuera cero (sin energía térmica, sin movimiento térmico) los gases se separarían completamente.

Cuando ambos efectos están presentes, tienen que equilibrarse. Y lo hacen mediante colisiones y movimientos que obedecen tanto a las leyes de Newton como a la termodinámica.

Answer 3

Sobre la relación entre Energía y Entropía:

Sobre la demostración del gas más denso difundiéndose para llenar el espacio disponible. Reconozco que es contraintuitivo. Estamos acostumbrados a pensar que no existe algo que se mueva espontáneamente contra una fuerza. Esperamos que las piedras nunca rueden cuesta arriba.

Pero sí, en cierto sentido eso es lo que ocurre en el caso del gas más denso que el aire que difunde en dirección ascendente; el gas más denso se mueve cuesta arriba .

Así que la energía no es lo único que hay, también está la entropía.

(Sin duda, también hay ejemplos en los que la energía y la entropía actúan en la misma dirección, de modo que sus influencias se suman. Pero es interesante verlas enfrentadas).

Siempre que la energía y la entropía actúen en oposición entre sí, el sistema evolucionará hacia una estado de equilibrio .

Se puede manipular dónde cae ese equilibrio manipulando las condiciones. Por ejemplo, en los laboratorios de biología un equipo estándar es un microcentrífuga .

En condiciones normales de gravedad, muchos componentes de las células permanecen en suspensión. Es decir, en condiciones normales de gravedad, el efecto del movimiento browniano es suficiente para mantener todo en suspensión. Cuando un tubo gira en la microcentrifugadora, todo lo que hay en el tubo está sometido a una elevada carga G. La elevada carga G significa que moverse hacia el fondo del tubo libera mucha energía. La elevada carga G significa que para desplazarse hacia el fondo del tubo se libera mucha más energía que bajo una carga G normal. Esto altera el equilibrio. Con una carga G suficientemente elevada, los componentes se sedimentan en lugar de permanecer en suspensión.

Un ejemplo extremo es la ultracentrifugación para separar isótopos de uranio. Este proceso de separación es en realidad una centrifugación gaseosa. El hexafluoruro de uranio es gaseoso. Con la ultracentrifugadora girando lo suficientemente rápido, el nivel de separación de U-235 y U-238 puede llevarse a un punto en el que es una forma económicamente viable de enriquecer el uranio.

Tenga en cuenta que la centrifugación no proporciona una separación completa. El gas más alejado del eje de giro se enriquece en U-238, mientras que el gas más cercano al eje de giro se empobrece en U-238. La separación completa es demasiado improbable, incluso a velocidades de giro extremas. Es demasiado improbable que se produzca una separación completa, incluso a las velocidades de giro extremas de la ultracentrifugación. El efecto de la alta carga G es que el equilibrio se desplaza

Answer 4

Límites

Creo que el origen de la confusión es que consideras la burbuja de gas NO2 como "una cosa". Entonces, ves esta "cosa" haciendo trabajo espontáneo contra la gravedad, y asumes: "¡Eh, Newton dice que debería quedarse en el fondo, pero no lo hace!". La explicación ingenua plantea dos problemas.

La primera es que la burbuja de gas sólo es "una cosa" gracias a su recipiente. El vaso de precipitados es realmente lo único que une al gas (técnicamente, hay una cantidad trivial de atracción gravitatoria, pero espero que estemos de acuerdo en que es demasiado pequeña para ser de interés aquí). Si sacáramos el gas del vaso, volcándolo, veríamos muy rápidamente que este gas deja de ser "una cosa", ya que se difunde en el aire circundante.

¿Qué ha pasado? ¿Dejó de existir el gas? Por supuesto que no. Las moléculas del gas simplemente tomaron caminos separados. La única forma de explicar la disolución de la burbuja de gas es considerarla como un conjunto de moléculas, cada una de las cuales obedece las leyes de Newton en la medida de su exactitud (espero que estemos de acuerdo en que, probablemente, todas las moléculas se mueven de forma no relativista). Eso es lo que intentan decirte las otras respuestas. El gas no es "una cosa". Es un montón de cosas. Un puñado de bolas de billar rebotando muy newtonianamente.

Globos

El otro problema es que se está realizando un trabajo, y se está pagando un coste, y en cualquier otro contexto, no se pensaría nada raro sobre la "transacción" que ocurre aquí. La cita dice claramente que el calor proporciona el trabajo necesario para mover el NO2 hacia arriba en contra de la gravedad. Supongo que habrás visto este principio en funcionamiento en otro lugar . Ahora bien, no es exactamente el mismo caso que el del globo aerostático, porque se supone que el NO2 está a la misma temperatura que el aire de arriba al comienzo de la demostración. Pero si se considera que la temperatura del mixto es inferior al NO2 puro, entonces, desde ese punto de vista, el NO2 está efectivamente "caliente" y aumenta debido a este "exceso de calor", por decirlo de forma simplista.

Answer 5

¿Puede la Segunda Ley de la Termodinámica / Entropía anular las leyes de Newton?

No, las Leyes de Newton y la Segunda Ley de la Termodinámica no compiten entre sí. Las leyes de Newton sientan las bases sobre las que actúa la Segunda Ley de la Termodinámica. Al fin y al cabo, las leyes de Newton permiten que una molécula de gas se desplace hacia arriba en contra de la gravedad si rebota en el fondo de la caja.

La Segunda Ley de la Termodinámica dice que los sistemas aislados avanzan hacia macroestados de mayor entropía. Las reglas del sistema (Leyes de Newton, interacciones entre entidades, Mecánica Cuántica) decir qué estados están disponibles.

Si no hay fuerzas (o son débiles) en el sistema (un gas ideal), la termodinámica dice que las moléculas tenderán a repartirse uniformemente por la caja, ya que hay más formas de repartirse uniformemente que de tener todas las moléculas en una esquina. Sin embargo, si se incluye un campo gravitatorio externo, el efecto de la gravedad sobre los estados disponibles para el sistema debe tenerse en cuenta a la hora de determinar el macroestado de entropía máxima. Cuando hay más moléculas cerca de la parte inferior de la caja que cerca de la parte superior, hay más energía cinética disponible y, por tanto, más valores de momento posibles para las moléculas. Por tanto, existe una competencia entre entropía de posición que se maximiza para una distribución uniforme de moléculas y momento entropía que se maximiza cuando todas las moléculas están en el fondo de la caja y se dispone de la mayor cantidad de energía cinética. La distribución final de las moléculas que maximiza la entropía dependerá de la masa de las moléculas, la aceleración de la gravedad, la distancia entre la parte superior e inferior de la caja y la energía total disponible (o la temperatura). Quizá ahora puedas ver cómo las Leyes de Newton y la Segunda Ley se unen para determinar el estado de equilibrio.

¿Existe realmente una "fuerza" subyacente tras la segunda ley de la termodinámica, que impulsa al sistema en una dirección determinada?

Sí, las fuerzas termodinámicas son reales y pueden medirse.

Las fuerzas termodinámicas tienen el mismo carácter que la fuerza centrípeta en mecánica clásica. Si un objeto se mueve en círculo, sabemos que se aplica una fuerza centrípeta, pero no conocemos necesariamente las interacciones subyacentes que hacen que esto ocurra. Pueden ser la tensión en una cuerda, la gravedad, la fuerza electrostática, etc.

Del mismo modo, la Segunda Ley de la Termodinámica puede decirnos que existe una fuerza media, aunque no conozcamos las interacciones que dan lugar a la fuerza media (que podrían venir dadas por la Ley de Coulomb o las fuerzas de van der Waals o la Mecánica Cuántica).

A continuación tenemos una colección de moléculas idénticas con algún tipo de fuerzas repulsivas entre ellas rebotando alrededor de una caja con un cuello de botella. La Segunda Ley de la Termodinámica nos dice que, en equilibrio y por término medio, una molécula en la posición de la molécula roja sentirá una fuerza hacia la derecha simplemente porque hay más formas de poner moléculas en la parte gorda de la caja que en el cuello de botella flaco. Las interacciones entre las moléculas y entre éstas y las paredes que dan lugar a esta fuerza termodinámica media pueden ser electrostáticas, de van der Waals, de exclusión de Pauli, etc.