Termodynamik som en självständig gren av fysikalisk vetenskap uppstod under första hälften av 1800-talet. Maskinernas tidsålder har börjat. Den industriella revolutionen krävde studiet och förståelsen av processerna i samband med driften av värmemotorer. I början av maskineran hade ensamma uppfinnare råd att bara använda intuition och "poke-metoden". Det fanns ingen allmän ordning för upptäckter och uppfinningar, det kunde inte ens falla någon in att de kunde vara användbara. Men när termiska (och lite senare, elektriska) maskiner blev grunden för produktionen förändrades situationen. Forskare red till slut gradvis ut den terminologiska förvirringen som rådde fram till mitten av 1800-talet, och bestämde sig för vad de skulle kalla energi, vilken kraft, vilken impuls.
Vad termodynamiken postulerar
Låt oss börja med allmän kunskap. Klassisk termodynamik bygger på flera postulat (principer) som successivt introducerades under hela 1800-talet. Det vill säga att dessa bestämmelser inte är detbevisbart inom det. De formulerades som ett resultat av generalisering av empirisk data.
Den första lagen är tillämpningen av lagen om energibevarande på beskrivningen av beteendet hos makroskopiska system (som består av ett stort antal partiklar). Kortfattat kan det formuleras enligt följande: lagret av intern energi i ett isolerat termodynamiskt system förblir alltid konstant.
Meningen av termodynamikens andra lag är att bestämma i vilken riktning processer fortskrider i sådana system.
Den tredje lagen tillåter dig att exakt bestämma en sådan kvantitet som entropi. Överväg det mer i detalj.
Begreppet entropi
Formuleringen av termodynamikens andra lag föreslogs 1850 av Rudolf Clausius: "Det är omöjligt att spontant överföra värme från en mindre uppvärmd kropp till en varmare." Samtidigt betonade Clausius förtjänsten med Sadi Carnot, som redan 1824 slog fast att andelen energi som kan omvandlas till en värmemotors arbete endast beror på temperaturskillnaden mellan värmaren och kylskåpet.
I vidareutvecklingen av termodynamikens andra lag introducerar Clausius begreppet entropi - ett mått på mängden energi som irreversibelt omvandlas till en form som är olämplig för omvandling till arbete. Clausius uttryckte detta värde med formeln dS=dQ/T, där dS bestämmer förändringen i entropin. Här:
dQ - värmeförändring;
T - absolut temperatur (den som mäts i Kelvin).
Ett enkelt exempel: rör motorhuven på din bil med motorn igång. Det är han helt klartvarmare än miljön. Men bilmotorn är inte konstruerad för att värma motorhuven eller vattnet i kylaren. Genom att omvandla bensinens kemiska energi till termisk energi och sedan till mekanisk energi gör den ett användbart arbete - det roterar axeln. Men det mesta av värmen som produceras går till spillo, eftersom inget användbart arbete kan utvinnas ur det, och det som flyger ut ur avgasröret är inte på något sätt bensin. I detta fall går termisk energi förlorad, men försvinner inte, utan försvinner (försvinner). En varm huva, naturligtvis, kyls ner, och varje cykel av cylindrar i motorn tillför värme till den igen. Således tenderar systemet att nå termodynamisk jämvikt.
Entropins egenskaper
Clausius härledde den allmänna principen för termodynamikens andra lag i formeln dS ≧ 0. Dess fysiska betydelse kan definieras som entropins "icke-minskande": i reversibla processer förändras den inte, i irreversibla processer det ökar.
Det bör noteras att alla verkliga processer är irreversibla. Termen "icke-minskande" återspeglar endast det faktum att en teoretiskt möjlig idealiserad version också ingår i övervägandet av fenomenet. Det vill säga mängden otillgänglig energi i en spontan process ökar.
Möjlighet att nå den absoluta nollpunkten
Max Planck gjorde ett seriöst bidrag till utvecklingen av termodynamiken. Förutom att arbeta med den statistiska tolkningen av den andra lagen, deltog han aktivt i att postulera termodynamikens tredje lag. Den första formuleringen tillhör W alter Nernst och hänvisar till 1906. Nernsts teorem anseruppförande av ett jämviktssystem vid en temperatur som tenderar till absoluta nollpunkten. Termodynamikens första och andra lag gör det omöjligt att ta reda på vad entropin kommer att vara under givna förhållanden.
När T=0 K, energin är noll, stoppar systemets partiklar kaotisk termisk rörelse och bildar en ordnad struktur, en kristall med en termodynamisk sannolikhet lika med ett. Detta betyder att entropin också försvinner (nedan kommer vi att ta reda på varför detta händer). I verkligheten gör den till och med detta lite tidigare, vilket innebär att kylning av vilket termodynamiskt system som helst, vilken kropp som helst till absolut noll är omöjlig. Temperaturen kommer godtyckligt att närma sig denna punkt, men kommer inte att nå den.
Perpetuum mobil: nej, även om du verkligen vill
Clausius generaliserade och formulerade termodynamikens första och andra lag på detta sätt: den totala energin i ett slutet system förblir alltid konstant, och den totala entropin ökar med tiden.
Den första delen av detta uttalande inför ett förbud mot evighetsmaskinen av det första slaget - en enhet som fungerar utan inflöde av energi från en extern källa. Den andra delen förbjuder också evighetsmaskinen av det andra slaget. En sådan maskin skulle överföra systemets energi till arbete utan entropikompensation, utan att bryta mot bevarandelagen. Det skulle vara möjligt att pumpa ut värme från ett jämviktssystem, till exempel för att steka äggröra eller hälla stål på grund av energin från den termiska rörelsen av vattenmolekyler, och på så sätt kyla det.
Termodynamikens andra och tredje lag förbjuder en evighetsmaskin av det andra slaget.
Ack, ingenting kan erhållas från naturen, inte bara gratis, du måste också betala en provision.
Heat Death
Det finns få begrepp inom vetenskapen som orsakade så många tvetydiga känslor, inte bara bland allmänheten, utan även bland forskarna själva, så mycket som entropi. Fysiker, och först av allt Clausius själv, extrapolerade nästan omedelbart lagen om icke-minskande, först till jorden och sedan till hela universum (varför inte, eftersom det också kan betraktas som ett termodynamiskt system). Som ett resultat började en fysisk storhet, en viktig del av beräkningar i många tekniska tillämpningar, att uppfattas som förkroppsligandet av någon form av universell ondska som förstör en ljus och vänlig värld.
Det finns också sådana åsikter bland forskare: eftersom, enligt termodynamikens andra lag, växer entropin oåterkalleligt, förr eller senare degraderas all universums energi till en diffus form, och "värmedöden" kommer att komma. Vad finns det att vara glad över? Clausius tvekade till exempel i flera år att publicera sina rön. Naturligtvis väckte hypotesen "värmedöd" omedelbart många invändningar. Det finns allvarliga tvivel om dess riktighet även nu.
Sorter Daemon
År 1867 demonstrerade James Maxwell, en av författarna till den molekylär-kinetiska teorin om gaser, i ett mycket visuellt (om än fiktivt) experiment den skenbara paradoxen i termodynamikens andra lag. Upplevelsen kan sammanfattas enligt följande.
Låt det finnas ett kärl med gas. Molekylerna i den rör sig slumpmässigt, deras hastigheter är fleraskiljer sig, men den genomsnittliga kinetiska energin är densamma i hela kärlet. Nu delar vi kärlet med en skiljevägg i två isolerade delar. Medelhastigheten för molekylerna i båda halvorna av kärlet kommer att förbli densamma. Skiljeväggen bevakas av en liten demon som tillåter snabbare, "heta" molekyler att penetrera en del och långsammare "kalla" molekyler till en annan. Som ett resultat kommer gasen att värmas upp under den första halvan och svalna under den andra halvan, det vill säga systemet kommer att gå från tillståndet termodynamisk jämvikt till en temperaturpotentialskillnad, vilket innebär en minskning av entropin.
Hela problemet är att i experimentet gör systemet inte denna övergång spontant. Det tar emot energi utifrån, på grund av vilket partitionen öppnas och stänger, eller så inkluderar systemet nödvändigtvis en demon som förbrukar sin energi på en portvakts uppgifter. Ökningen av demonens entropi kommer mer än att täcka minskningen av dess gas.
ostyriga molekyler
Ta ett glas vatten och låt det stå på bordet. Det är inte nödvändigt att titta på glaset, det räcker att återvända efter ett tag och kontrollera vattnets tillstånd i det. Vi kommer att se att antalet har minskat. Om du lämnar glaset under en längre tid, kommer inget vatten att finnas i det alls, eftersom allt kommer att avdunsta. Allra i början av processen befann sig alla vattenmolekyler i ett visst område av utrymmet begränsat av glasets väggar. I slutet av experimentet spreds de ut i rummet. I volymen av ett rum har molekyler mycket större möjlighet att ändra sin plats utan någonkonsekvenser för systemets tillstånd. Det finns inget sätt att vi kan samla dem i ett löddat "kollektiv" och köra tillbaka dem i ett glas för att dricka vatten med hälsofördelar.
Detta betyder att systemet har utvecklats till ett högre entropitillstånd. Baserat på termodynamikens andra lag är entropi eller dispergeringsprocessen av systemets partiklar (i detta fall vattenmolekyler) oåterkallelig. Varför är det så?
Clausius svarade inte på den här frågan, och ingen annan kunde det före Ludwig Boltzmann.
Makro och mikrotillstånd
År 1872 introducerade denna vetenskapsman den statistiska tolkningen av termodynamikens andra lag i vetenskapen. De makroskopiska system som termodynamiken sysslar med är trots allt bildade av ett stort antal element vars beteende lyder statistiska lagar.
Låt oss gå tillbaka till vattenmolekyler. De flyger slumpmässigt runt i rummet och kan ta olika positioner, ha vissa skillnader i hastighet (molekyler kolliderar ständigt med varandra och med andra partiklar i luften). Varje variant av tillståndet för ett system av molekyler kallas en mikrotillstånd, och det finns ett stort antal sådana varianter. När du implementerar de allra flesta alternativ kommer makrotillståndet i systemet inte att ändras på något sätt.
Ingenting är förbjudet, men något är högst osannolikt
Den berömda relationen S=k lnW förbinder antalet möjliga sätt på vilka ett visst makrotillstånd i ett termodynamiskt system (W) kan uttryckas med dess entropi S. Värdet på W kallas termodynamisk sannolikhet. Den slutliga formen av denna formel gavs av Max Planck. Koefficienten k, ett extremt litet värde (1,38×10−23 J/K) som kännetecknar förhållandet mellan energi och temperatur, kallade Planck Boltzmann-konstanten för att hedra vetenskapsmannen som var först för att föreslå en statistisk tolkning av den andra termodynamikens början.
Det är tydligt att W alltid är ett naturligt tal 1, 2, 3, …N (det finns inget bråktal av sätt). Då kan inte logaritmen W, och därmed entropin, vara negativ. Med det enda möjliga mikrotillståndet för systemet blir entropin lika med noll. Om vi återvänder till vårt glas, kan detta postulat representeras på följande sätt: vattenmolekylerna, som slumpmässigt snurrade runt i rummet, återvände till glaset. Samtidigt upprepade var och en exakt sin väg och tog samma plats i glaset som den befann sig i innan avresan. Ingenting förbjuder implementeringen av detta alternativ, där entropin är lika med noll. Bara vänta på genomförandet av en så försvinnande liten sannolikhet är inte värt det. Detta är ett exempel på vad som bara kan göras teoretiskt.
Allt är blandat i huset…
Så molekylerna flyger slumpmässigt runt i rummet på olika sätt. Det finns ingen regelbundenhet i deras arrangemang, det finns ingen ordning i systemet, oavsett hur du ändrar alternativen för mikrotillstånd kan ingen begriplig struktur spåras. Det var likadant i glaset, men på grund av det begränsade utrymmet ändrade inte molekylerna sin position så aktivt.
Det kaotiska, oordnade tillståndet i systemet som mestdet sannolika motsvarar dess maximala entropi. Vatten i ett glas är ett exempel på ett lägre entropitillstånd. Övergången till det från kaoset jämnt fördelat i rummet är nästan omöjlig.
Låt oss ge ett mer förståeligt exempel för oss alla - att städa upp i röran i huset. För att sätta allt på sin plats måste vi också lägga ner energi. I processen med detta arbete blir vi varma (det vill säga vi fryser inte). Det visar sig att entropi kan vara användbart. Det här är fallet. Vi kan säga ännu mer: entropi, och genom den styr termodynamikens andra lag (tillsammans med energi) universum. Låt oss ta en ny titt på reversibla processer. Så här skulle världen se ut om det inte fanns någon entropi: ingen utveckling, inga galaxer, stjärnor, planeter. Inget liv…
Lite mer information om "värmedöd". Det finns goda nyheter. Eftersom, enligt den statistiska teorin, "förbjudna" processer faktiskt är osannolika, uppstår fluktuationer i ett termodynamiskt jämviktssystem - spontana brott mot termodynamikens andra lag. De kan vara godtyckligt stora. När gravitationen ingår i det termodynamiska systemet kommer fördelningen av partiklar inte längre att vara kaotiskt enhetlig, och tillståndet för maximal entropi kommer inte att nås. Dessutom är universum inte oföränderligt, konstant, stationärt. Därför är själva formuleringen av frågan om "värmedöd" meningslös.
