Drugi zakon termodinamike: definicija, značenje, povijest

Termodinamika kao neovisna grana fizikalne znanosti nastala je u prvoj polovici XIX stoljeća. Dolazi doba automobila. Industrijska revolucija potrebna za proučavanje i razumijevanje procesa povezanih s radom toplinskih motora. U zoru strojnog doba, pojedini izumitelji bi se mogli priuštiti da koriste samo intuiciju i "poke metode". Nije bilo javnog reda za otkrića i izume, nikome nikada nije bilo ničega što bi moglo biti korisno. No, kada su toplinski (i malo kasnije električni) strojevi postali osnova proizvodnje, situacija se promijenila. Znanstvenici su konačno shvatili postupno iz terminološke zbrke koja je prevladavala do sredine XIX stoljeća, utvrđeno je da je energija poziv, da sila koja - impuls.

Što postavlja termodinamiku

Počnimo s općepoznatim informacijama. Klasična termodinamika temelji se na nekoliko postulata (principa), dosljedno predstavljenih tijekom XIX stoljeća. To jest, ove odredbe nisu dokazive u okviru svojih okvira. Oni su formulirani kao rezultat generalizacije empirijskih podataka.

Prvo načelo je primjena zakona očuvanja energije na opis ponašanja makroskopskih sustava (koji se sastoji od velikog broja čestica). Ukratko, može se formulirati na sljedeći način: rezerva unutarnje energije izoliranog termodinamičkog sustava uvijek ostaje konstantna.

Značenje drugog zakona termodinamike je odrediti smjer u kojem se procesi odvijaju u takvim sustavima.

Treće načelo omogućuje nam točno određivanje takve vrijednosti kao entropije. Razmotrimo to detaljnije.

Koncept entropije

Formulacija drugog zakona termodinamike predložila je Rudolf Clausius 1850. godine: "Spontana prijelaz topline iz manje grijane tijela na zagrijanije je nemoguće". Tako Clausius je istaknuo zasluge Sadie Carnot, čak i 1824., utvrdi da je postotak energije koji se može pretvoriti u rad toplina motora ovisi samo o razlici između grijača i hladnije temperature.

Uz daljnji razvoj drugog zakona termodinamike, Clausius uveo pojam entropije - mjeri količinu energije koja ide u nepovratnom obliku, neprikladan za liječenje raditi. Clausius je izrazio tu vrijednost formulom dS = dQ / T, gdje dS, koji određuje promjenu entropije. ovdje:

dQ je promjena topline-

T je apsolutna temperatura (ona koja se mjeri u Kelvinu).

Jednostavan primjer: dodirnite napa vašeg automobila dok motor radi. Jasno je toplije od okoline. Ali motor automobila nije dizajniran za zagrijavanje nape ili vode u radijatoru. Preobrazbom kemijske energije benzina u toplinsku energiju, a zatim u mehaničku energiju, obavlja koristan rad - okreće osovinu. Ali većina proizvedene topline je izgubljena, budući da se ne može izvući nikakav koristan rad, a činjenica da napušta ispušnu cijev nikako nije benzin. Istodobno, toplinska energija je izgubljena, ali ne nestaje, ali rasipa (rasipa). Vruće napa, naravno, hladi i svaki ciklus cilindara u motoru opet dodaje toplinu na nju. Dakle, sustav nastoji postići termodinamičku ravnotežu.

Značajke entropije

Clausius je proizveo opće načelo za drugi zakon termodinamike u formuli dS ge-0. Njegovo fizičko značenje može se definirati kao entropija "ne-smirujuće": u reverzibilnim procesima ona se ne mijenja, au nepovratnim procesima se povećava.

Valja napomenuti da su svi pravi procesi nepovratni. Pojam "neodređivanje" odražava samo činjenicu da je teorijski moguća idealizirana varijanta uključena u razmatranje tog fenomena. To znači da se količina nedostupne energije u bilo kojem spontanom procesu povećava.

Sposobnost da se postigne apsolutna nula

Max Planck je ozbiljno doprinio razvoju termodinamike. Pored rada na statističkom tumačenju drugog principa, on je aktivno sudjelovao u postavljanju trećeg zakona termodinamike. Prva formulacija pripada Walteru Nernstu i odnosi se na 1906. godinu. Nernstov teorem razmatra ponašanje ravnotežnog sustava pri temperaturi koja je sklona apsolutnoj nuli. Prva i druga načela termodinamike ne pružaju priliku saznati što će entropija biti pod tim uvjetima.

Kod T = 0 K energija je nula, čestice sustava zaustavljaju kaotične toplinske pokreta i tvore naručenu strukturu, kristal s termodinamičkom vjerojatnosti jednakom jedinstvu. Dakle, entropija se također okreće nuli (ispod znamo zašto se to dogodi). U stvarnosti to čak i čini nešto ranije, odakle slijedi da je hlađenje bilo kojeg termodinamičkog sustava, bilo koje tijelo do apsolutne nula je nemoguće. Temperatura će proizvoljno pristupiti ovoj točki, ali to neće doseći.

Perpetuum-mobile: ne možete, čak i ako stvarno želite

Clausius je generalizirao i formulirao prvo i drugo načelo termodinamike na ovaj način: ukupna energija bilo kojeg zatvorenog sustava uvijek ostaje konstantna, a ukupna entropija se s vremenom povećava.

Prvi dio ove izjave nameće zabranu trajnog kretanja prve vrste - uređaja koji radi bez priljeva energije iz vanjskog izvora. Drugi dio zabranjen je i neprestanim kretanjem druge vrste. Takav stroj bi prevesti energiju sustava u rad bez naknade entropije, bez kršenja zakona o zaštiti. Bilo bi moguće ispumpati toplinu iz ravnotežnog sustava, na primjer, jajašca ili od lijevanog čelika na trošak energije toplinskih pokreta molekula vode, dok je hlađenje.

Druga i treća načela termodinamike zabranjuju trajno kretanje druge vrste.

Jao, priroda ne može dobiti ništa ne samo za ništa, također morate platiti proviziju.

"Termička smrt"

Postoji nekoliko pojmova u znanosti koji su uzrokovali toliko dvosmislenih osjećaja ne samo u široj javnosti, nego i među znanstvenicima, jednako kao i entropije. Fizika, a posebno sam Clausius, gotovo odmah ekstrapolirati zakon nondecrease prvo na zemlji, a potom i cijeli svemir (zašto ne, jer ona također može smatrati termodinamičkog sustava). Kao rezultat toga, fizikalna veličina, važan element obračuna u mnogim tehničkim aplikacijama počeo da se shvati kao utjelovljenje univerzalnog zla, destruktivne svjetlosti i vrsta svijeta.

postoje mišljenja među znanstvenicima da je od, prema drugom zakonu termodinamike, entropija nepovratno povećava, prije ili kasnije, sva energija svemira je degradirana u dispergiranom obliku, a zatim dolazi na „toplinu smrt”. Što se može radovati? Na primjer, Clausius se nije usudio objaviti svoje zaključke već nekoliko godina. Naravno, hipoteza o "toplinskoj smrti" odmah je izazvala mnoge primjedbe. Postoje ozbiljne sumnje o njegovoj ispravnosti čak i sada.

Daemon Sorter

Godine 1867. James Maxwell, jedan od autora molekularno-kinetičke teorije plinova, u vrlo živopisan (iako imaginarni) eksperiment pokazao je naizgled paradoks drugog zakona termodinamike. Ukratko, iskustvo se može sažeti kako slijedi.

Neka bude posuda s plinom. Molekule u njemu potječu kaotično, njihove brzine su nešto drugačije, ali prosječna kinetička energija je ista u cijeloj posudi. Sada podijelite posudu u septum na dva odvojena dijela. Prosječna brzina molekula u obje polovice posude ostaje ista. Zaslon se čuva malim demonom koji omogućava brže, "vruće" molekule da prodiru u jedan dio, i sporije "hladno" drugom. Kao rezultat toga, u prvoj polovici plin zagrijava drugi - da se ohladi, tj iz stanja termodinamičke ravnoteže, sustav će ići na potencijalnom razlikom temperature, što znači da je smanjenje entropije.

Cijeli problem je u tome što sustav u eksperimentu čini ovaj prijelaz ne spontano. Ona prima energiju izvana, kroz koji se otvara i zatvara particiju ili sustav za potrebe uključivanja demon proveo svoju energiju na dužnosti čuvara. Povećanje entropije demona, s viškom, pokriva smanjenje plina.

Nedisciprirane molekule

Uzmi čašu vode i ostavite je na stolu. Nije potrebno gledati staklo, dovoljno se vratiti nakon nekog vremena i provjeriti stanje vode u njemu. Vidjet ćemo da je njegova količina smanjena. Ako dugo ostavite staklo, uopće neće pokazivati ​​vodu, jer će se potpuno ispariti. Na samom početku procesa, sve molekule vode bile su u ograđenom zidu stakla prostora prostora. Na kraju eksperimenta letjeli su po cijeloj sobi. U volumenu prostorije, molekule imaju mnogo više mogućnosti za promjenu lokacije bez ikakvih posljedica za stanje sustava. Ne možemo ih prikupiti u lemljenom "kolektivu" i vratiti ih natrag u čašu da piju vodu s dobrim zdravljem.

To znači da se sustav razvio u stanje s većom entropijom. Polazeći od drugog zakona termodinamike, entropije ili procesa raspršivanja čestica u sustavu (u ovom slučaju molekule vode) je nepovratan. Zašto je tako?

Clausius nije odgovorio na ovo pitanje, a nitko drugi to ne bi mogao učiniti prije Ludwiga Boltzmana.

Makro i mikrostati

Godine 1872. ovaj je znanstvenik unio u znanost statističko tumačenje drugog zakona termodinamike. Uostalom, makroskopski sustavi s kojima se bave termodinamika formiraju veliki broj elemenata čije ponašanje poštuje statističke zakone.

Vratimo se vodenim molekulama. Kaotično leti po sobi, mogu zauzeti različite pozicije, imati neke razlike u brzinama (molekule se stalno sudaraju jedna s drugom i drugim česticama u zraku). Svaka varijanta stanja sustava molekula naziva se mikrostatom, a postoji mnogo takvih varijanti. Kada implementirate veliku većinu opcija, makro stanje sustava se ni na koji način ne mijenja.

Ništa nije zabranjeno, ali nešto je iznimno malo vjerojatno

Poznati odnos S = k lnW veže broj mogućih načina na koji se mogu izraziti određeni macrostate termodinamički sustav (W), s entropije S. vrijednost W naziva termodinamička vjerojatnosti. Konačni oblik te formule bio je Max Planck. Koeficijent k je iznimno malena vrijednost (1,38 × 10^{minus 23} J / K), koji karakterizira odnos između energije i temperature, Planck je pozvao Boltzmannovu konstantu u čast znanstvenika koji je prvo predložio statističku interpretaciju drugog zakona termodinamike.

Jasno je da je W uvijek prirodni broj 1, 2, 3, hellip-N (nema djelomičnog broja načina). Zatim logaritam W, a time i entropije, ne može biti negativan. S jednim mogućim mikrostatom za sustav, entropija postaje nula. Ako se vratimo na staklo, ovaj postulat može se prikazati na slijedeći način: molekule vode, nasumično prolazeći po sobi, vratile su se do stakla. U ovom slučaju, svaki je točno ponovio svoj put i uzeo isto mjesto u staklu u kojoj je bilo prije odlaska. Ništa ne sprječava primjenu ove opcije, u kojoj je entropija nula. Samo čekati da se implementacija tako iznimno male vjerojatnosti ne isplati. Ovo je jedan primjer onoga što se može učiniti samo teoretski.

Sve je bilo pomiješano u kući -

Dakle, molekule slučajno lete po sobi na različite načine. Na njihovom mjestu nema uzorka, nema reda u sustavu, bez obzira na promjene varijacija mikrostata, ne može se pratiti koherentna struktura. Staklo je bilo isto, ali zbog ograničenog prostora, molekule nisu promijenile svoj položaj tako aktivno.

Kaotično, poremećeno stanje sustava kao najvjerojatnije odgovara njegovoj maksimalnoj entropiji. Voda u staklu je primjer nižeg entropijskog stanja. Prijelaz na nju iz kaosa, koji se ravnomjerno raspoređuje po sobi, praktički je neizvediva.

Dajmo razumljiviji primjer za sve nas - čišćenje nereda u kući. Da bismo sve stavili u red, također moramo trošiti energiju. U procesu ovog rada postaje vruć (to jest, ne smrzavamo). Ispada da entropija može imati koristi. Ovo je tako. Može se reći još više: entropija, a kroz njega drugi zakon termodinamike (zajedno s energijom) upravlja svemirom. Pogledajmo opet na reverzibilne procese. Tako bi svijet izgledao, ako nema entropije: nema razvoja, nema galaksija, zvijezda, planeta. Nema života ...

Malo više informacija o "smrti topline". Postoje dobre vijesti. Budući da su, prema statističkoj teoriji, "zabranjeni" procesi zapravo malo vjerojatni, pojavljuju se fluktuacije u termodinamičkom sustavu ravnoteže - spontanih kršenja drugog zakona termodinamike. Oni mogu biti proizvoljno velika. Uz uključivanje gravitacije u termodinamički sustav, raspodjela čestica neće više biti kaotično jednolika, a stanje maksimalne entropije neće biti postignuto. Dodatno, svemir nije konstantan, stalan, stacionaran. Slijedom toga, sama formulacija pitanja "termalne smrti" nema smisla.