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Re: [Phys-L] spontaneity and irreversibility



On Thu, Aug 8, 2024 at 11:58 AM John Denker via Phys-l <
phys-l@mail.phys-l.org> wrote:

On 8/7/24 8:23 PM, Matthew Heaney wrote:
Suppose I have a weight suspended a few feet above ground, attached
to a rope over a pulley.  In principle I could use this to weight and
pulley to do work, such as lifting something.  The system has the
capacity to do work, so it has "free energy" and thus low entropy.

What's the entropy in this case?

1) If the weight and the payload are evenly balanced, there is
  no spontaneity here. The weight might go down while the payload
  goes up, or vice versa. There is no significant creation or even
  transport of entropy.

2) If they are not quite evenly balanced, let's imagine that the
  weight goes down, bounces off a cushion, and goes back up. The
  system is a highly nonlinear oscillator. It goes up and down
  forever. The weight spends half it's time moving in the direction
  of the net force, and half moving the other way. Again entropy
  plays no role.

3) If you want it to go down and *stay* down, let's imagine that
  the weight smacks into a hydraulic shock absorber, like you have
  on your car. Entropy is produced via viscosity in the fluid in
  the shock absorber.


This is the case I had in mind.  The system will spontaneously lift the
smaller weight.  How does one quantify this spontaneity?  We do this all
the time for chemical reactions, but is there something analogous for
mechanical systems ?

There is available energy (or something -- not sure what is the correct
term here) in the system, and some of it is used to lift the smaller
weight, and some of it is lost as heat.  After the larger weight falls to
the ground, the system now has less potential energy (it is now the smaller
weight that is suspended) and the heat has increased the entropy.

Does one describe the change in system state in terms of a combination of
potential energy and entropy, or just entropy?

If a student asks why a ball drops to the ground when you release it, what
do you tell them?




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Defining energy in terms of "capacity to do work" is wrong
physics.


Isn't that what "Gibbs free energy" is?  Is there a mechanical analog?


It's also bad pedagogy, because of what we call
"ignotum per ignotius". You can't explain the unknown in
terms of the more unknown. Students don't have a usable
intuition about "work". It's more ambiguous and hard to
define than energy itself.

It's wrong physics because you can easily have a system
that has *more* energy but *less* capacity to do work.
Details can be found here:

https://av8n.com/physics/thermo/entropy-energy.html#sec-system-subsystem


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Earlier:


My favorite site about entropy:

https://franklambert.net/entropysite.com/

I don't recommend that. Lambert was a crank IMHO. He crusaded
against certain thermodynamic misconceptions ... by substituting
new and different misconceptions. The following is particularly
pernicious:

Concisely, the second law is “Energy of all types changes from
being localized to becoming more spread out, dispersed in space**
if that energy is not constrained from doing so”.

That's just wrong. If you have two rotating rings rubbing against
each other, the energy is 100% spread out beforehand and 100% spread
out afterwards, yet huge amounts of entropy are produced. Some
discussion, with diagrams, can be found here:
   https://av8n.com/physics/thermo/entropy-energy.html#sec-spreading
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Forum for Physics Educators
Phys-l@mail.phys-l.org
https://www.phys-l.org/mailman/listinfo/phys-l