Termodynamikk som en selvstendig gren av fysisk vitenskap oppsto i første halvdel av 1800-tallet. Maskinenes tidsalder har begynt. Den industrielle revolusjonen krevde studiet og forståelsen av prosessene knyttet til driften av varmemotorer. Ved begynnelsen av maskinæraen hadde ensomme oppfinnere råd til å bruke kun intuisjon og "poke-metoden". Det var ingen offentlig orden for funn og oppfinnelser, det kunne ikke en gang falle noen inn at de kunne være nyttige. Men da termiske (og litt senere, elektriske) maskiner ble grunnlaget for produksjon, endret situasjonen seg. Forskere ordnet til slutt gradvis ut den terminologiske forvirringen som hersket frem til midten av 1800-tallet, og bestemte seg for hva de skulle kalle energi, hvilken kraft, hvilken impuls.
Hva termodynamikk postulerer
La oss starte med felles kunnskap. Klassisk termodynamikk er basert på flere postulater (prinsipper) som suksessivt ble introdusert gjennom hele 1800-tallet. Det vil si at disse bestemmelsene ikke er detbeviselig innenfor det. De ble formulert som et resultat av generalisering av empiri.
Den første loven er anvendelsen av loven om bevaring av energi på beskrivelsen av oppførselen til makroskopiske systemer (bestående av et stort antall partikler). Kort fort alt kan det formuleres som følger: lageret av intern energi i et isolert termodynamisk system forblir alltid konstant.
Betydningen av termodynamikkens andre lov er å bestemme retningen i hvilke prosesser foregår i slike systemer.
Den tredje loven lar deg bestemme nøyaktig en slik mengde som entropi. Vurder det mer detaljert.
Konseptet med entropi
Formuleringen av termodynamikkens andre lov ble foreslått i 1850 av Rudolf Clausius: "Det er umulig å spontant overføre varme fra en mindre oppvarmet kropp til en varmere." Samtidig understreket Clausius fortjenesten til Sadi Carnot, som allerede i 1824 slo fast at andelen energi som kan omdannes til en varmemotors arbeid kun avhenger av temperaturforskjellen mellom varmeapparatet og kjøleskapet.
I videreutviklingen av termodynamikkens andre lov introduserer Clausius begrepet entropi – et mål på mengden energi som irreversibelt forvandles til en form som ikke er egnet for omdannelse til arbeid. Clausius uttrykte denne verdien med formelen dS=dQ/T, der dS bestemmer endringen i entropien. Her:
dQ - varmeendring;
T - absolutt temperatur (den målt i Kelvin).
Et enkelt eksempel: berør panseret på bilen din mens motoren går. Det er han tydeligvarmere enn miljøet. Men bilmotoren er ikke laget for å varme panseret eller vannet i radiatoren. Ved å konvertere den kjemiske energien til bensin til termisk energi, og deretter til mekanisk energi, gjør den nyttig arbeid - den roterer akselen. Men mesteparten av varmen som produseres er bortkastet, siden det ikke kan hentes noe nyttig arbeid fra den, og det som flyr ut av eksosrøret er på ingen måte bensin. I dette tilfellet går termisk energi tapt, men forsvinner ikke, men forsvinner (forsvinner). En varm panser, selvfølgelig, kjøles ned, og hver syklus av sylindere i motoren tilfører varme til den igjen. Dermed har systemet en tendens til å nå termodynamisk likevekt.
Funksjoner ved entropi
Clausius avledet det generelle prinsippet for termodynamikkens andre lov i formelen dS ≧ 0. Dens fysiske betydning kan defineres som entropiens "ikke-avtagende": i reversible prosesser endres den ikke, i irreversible prosesser det øker.
Det skal bemerkes at alle reelle prosesser er irreversible. Begrepet «ikke-avtagende» gjenspeiler kun det faktum at en teoretisk mulig idealisert versjon også inngår i betraktningen av fenomenet. Det vil si at mengden utilgjengelig energi i enhver spontan prosess øker.
Mulighet for å nå absolutt null
Max Planck ga et seriøst bidrag til utviklingen av termodynamikk. I tillegg til å jobbe med den statistiske tolkningen av den andre loven, tok han aktivt del i å postulere termodynamikkens tredje lov. Den første formuleringen tilhører W alter Nernst og refererer til 1906. Nernsts teorem vurdereroppførselen til et likevektssystem ved en temperatur som tenderer til absolutt null. Termodynamikkens første og andre lov gjør det umulig å finne ut hva entropien vil være under gitte forhold.
Når T=0 K, energien er null, stopper partiklene i systemet kaotisk termisk bevegelse og danner en ordnet struktur, en krystall med en termodynamisk sannsynlighet lik én. Dette betyr at entropi også forsvinner (nedenfor vil vi finne ut hvorfor dette skjer). I virkeligheten gjør den til og med dette litt tidligere, noe som betyr at avkjøling av ethvert termodynamisk system, enhver kropp til absolutt null er umulig. Temperaturen vil vilkårlig nærme seg dette punktet, men vil ikke nå det.
Perpetuum mobil: nei, selv om du virkelig vil
Clausius generaliserte og formulerte termodynamikkens første og andre lov på denne måten: den totale energien til ethvert lukket system forblir alltid konstant, og den totale entropien øker med tiden.
Den første delen av denne uttalelsen pålegger et forbud mot evighetsmaskinen av den første typen - en enhet som fungerer uten tilstrømning av energi fra en ekstern kilde. Den andre delen forbyr også evighetsmaskinen av den andre typen. En slik maskin ville overføre energien til systemet til arbeid uten entropikompensasjon, uten å bryte fredningsloven. Det ville være mulig å pumpe ut varme fra et likevektssystem, for eksempel for å steke eggerøre eller helle stål på grunn av energien fra den termiske bevegelsen til vannmolekyler, og dermed avkjøle det.
Termodynamikkens andre og tredje lov forbyr en evighetsmaskin av den andre typen.
Akk, ingenting kan fås fra naturen, ikke bare gratis, du må også betale en provisjon.
Heat Death
Det er få konsepter i vitenskapen som forårsaket så mange tvetydige følelser, ikke bare blant allmennheten, men også blant forskerne selv, så mye som entropi. Fysikere, og først og fremst Clausius selv, ekstrapolerte nesten umiddelbart loven om ikke-avtagende, først til jorden, og deretter til hele universet (hvorfor ikke, fordi det også kan betraktes som et termodynamisk system). Som et resultat begynte en fysisk størrelse, et viktig element i beregninger i mange tekniske applikasjoner, å bli oppfattet som legemliggjørelsen av en slags universell ondskap som ødelegger en lys og snill verden.
Det er også slike meninger blant forskere: siden, i henhold til termodynamikkens andre lov, vokser entropi irreversibelt, før eller siden degraderes all energien i universet til en diffus form, og "varmedød" vil komme. Hva er det å glede seg over? Clausius nølte for eksempel i flere år med å publisere funnene sine. Selvfølgelig vakte hypotesen om «varmedød» umiddelbart mange innvendinger. Det er alvorlig tvil om riktigheten selv nå.
Sorter Daemon
I 1867 demonstrerte James Maxwell, en av forfatterne av den molekylær-kinetiske teorien om gasser, i et veldig visuelt (riktignok fiktivt) eksperiment det tilsynelatende paradokset til termodynamikkens andre lov. Opplevelsen kan oppsummeres som følger.
La det bli et fartøy med gass. Molekylene i den beveger seg tilfeldig, hastighetene deres er flereforskjellig, men den gjennomsnittlige kinetiske energien er den samme i hele fartøyet. Nå deler vi karet med en skillevegg i to isolerte deler. Gjennomsnittshastigheten til molekylene i begge halvdelene av karet vil forbli den samme. Skilleveggen er voktet av en liten demon som lar raskere, "varme" molekyler trenge gjennom en del, og langsommere "kalde" molekyler til en annen. Som et resultat vil gassen varmes opp i første halvdel og avkjøles i andre halvdel, det vil si at systemet vil bevege seg fra tilstanden termodynamisk likevekt til en temperaturpotensialforskjell, som betyr en reduksjon i entropi.
Hele problemet er at i eksperimentet gjør ikke systemet denne overgangen spontant. Den mottar energi fra utsiden, på grunn av hvilken partisjonen åpnes og lukkes, eller systemet inkluderer nødvendigvis en demon som bruker energien sin på pliktene til en portvakt. Økningen i entropien til demonen vil mer enn dekke nedgangen i gassen.
Uregjerlige molekyler
Ta et glass vann og la det stå på bordet. Det er ikke nødvendig å se på glasset, det er nok å komme tilbake etter en stund og sjekke tilstanden til vannet i det. Vi vil se at antallet har gått ned. Hvis du lar glasset stå lenge, vil det ikke bli funnet vann i det i det hele tatt, siden alt vil fordampe. Helt i begynnelsen av prosessen var alle vannmolekyler i et bestemt område begrenset av glassets vegger. På slutten av eksperimentet spredte de seg utover i rommet. I volumet av et rom har molekyler mye større mulighet til å endre plassering uten noenkonsekvenser for systemets tilstand. Det er ingen måte vi kan samle dem i et loddet "kollektiv" og kjøre dem tilbake i et glass for å drikke vann med helsemessige fordeler.
Dette betyr at systemet har utviklet seg til en høyere entropitilstand. Basert på termodynamikkens andre lov, er entropi eller spredningsprosessen av partikler i systemet (i dette tilfellet vannmolekyler) irreversibel. Hvorfor er det det?
Clausius svarte ikke på dette spørsmålet, og ingen andre kunne det før Ludwig Boltzmann.
Makro og mikrostater
I 1872 introduserte denne forskeren den statistiske tolkningen av termodynamikkens andre lov i vitenskapen. Tross alt er de makroskopiske systemene som termodynamikken omhandler, dannet av et stort antall elementer hvis oppførsel følger statistiske lover.
La oss komme tilbake til vannmolekyler. Flyr de tilfeldig rundt i rommet, kan de ta forskjellige posisjoner, ha noen forskjeller i hastigheter (molekyler kolliderer konstant med hverandre og med andre partikler i luften). Hver variant av tilstanden til et system av molekyler kalles en mikrotilstand, og det er et stort antall slike varianter. Når du implementerer de aller fleste alternativene, vil ikke makrotilstanden til systemet endres på noen måte.
Ingenting er forbudt, men noe er svært usannsynlig
Den berømte relasjonen S=k lnW forbinder antall mulige måter som en viss makrotilstand i et termodynamisk system (W) kan uttrykkes med entropien S. Verdien av W kalles termodynamisk sannsynlighet. Den endelige formen for denne formelen ble gitt av Max Planck. Koeffisienten k, en ekstremt liten verdi (1,38×10−23 J/K) som karakteriserer forholdet mellom energi og temperatur, k alte Planck Boltzmann-konstanten til ære for forskeren som var først for å foreslå en statistisk tolkning av den andre begynnelsen av termodynamikk.
Det er klart at W alltid er et naturlig tall 1, 2, 3, …N (det er ingen brøktall av måter). Da kan ikke logaritmen W, og dermed entropien, være negativ. Med den eneste mulige mikrotilstanden for systemet blir entropien lik null. Hvis vi går tilbake til glasset vårt, kan dette postulatet representeres som følger: vannmolekylene, som tilfeldig suser rundt i rommet, returnerte tilbake til glasset. Samtidig gjentok hver sin vei nøyaktig og tok samme plass i glasset som den var i før avreise. Ingenting forbyr implementeringen av dette alternativet, der entropien er lik null. Bare vent på implementeringen av en så forsvinnende liten sannsynlighet er ikke verdt det. Dette er ett eksempel på hva som bare kan gjøres teoretisk.
Alt er blandet sammen i huset…
Så molekylene flyr tilfeldig rundt i rommet på forskjellige måter. Det er ingen regelmessighet i arrangementet deres, det er ingen orden i systemet, uansett hvordan du endrer alternativene for mikrostater, kan ingen forståelig struktur spores. Det var det samme i glasset, men på grunn av begrenset plass endret ikke molekylene posisjon så aktivt.
Den kaotiske, uordnede tilstanden til systemet som mestdet sannsynlige tilsvarer dens maksimale entropi. Vann i et glass er et eksempel på en lavere entropitilstand. Overgangen til det fra kaoset jevnt fordelt over hele rommet er nesten umulig.
La oss gi et mer forståelig eksempel for oss alle - å rydde opp i rotet i huset. For å sette alt på plass, må vi også bruke energi. I prosessen med dette arbeidet blir vi varme (det vil si at vi ikke fryser). Det viser seg at entropi kan være nyttig. Dette er saken. Vi kan si enda mer: entropi, og gjennom den styrer termodynamikkens andre lov (sammen med energi) universet. La oss ta en ny titt på reversible prosesser. Slik ville verden sett ut hvis det ikke fantes entropi: ingen utvikling, ingen galakser, stjerner, planeter. Ikke noe liv…
Litt mer informasjon om "varmedød". Det er gode nyheter. Siden "forbudte" prosesser i følge den statistiske teorien faktisk er usannsynlige, oppstår fluktuasjoner i et termodynamisk likevektssystem - spontane brudd på termodynamikkens andre lov. De kan være vilkårlig store. Når tyngdekraften inkluderes i det termodynamiske systemet, vil fordelingen av partikler ikke lenger være kaotisk jevn, og tilstanden med maksimal entropi vil ikke nås. I tillegg er universet ikke uforanderlig, konstant, stasjonært. Derfor er selve formuleringen av spørsmålet om "varmedød" meningsløs.
