Drugi zakon termodinamike: definicija, pomen, zgodovina

Termodinamika kot samostojna veja fizikalne znanosti je nastala v prvi polovici XIX. Stoletja. Starost avtomobilov je prišla. Industrijska revolucija je zahtevala preučevanje in razumevanje procesov, povezanih z delovanjem termičnih motorjev. Na zori strojne dobe so lahko posamezni izumitelji uporabili le intuicijo in "metodo poke". Nobenega javnega reda za odkritja in izumov ni bilo nikomur nikomur, da bi bilo koristno. Toda, ko so termični (in malo kasneje električni) stroji postali osnova proizvodnje, se je situacija spremenila. Znanstveniki so končno postopoma razumeli terminološko zmedo, ki je veljala do sredine XIX. Stoletja, določila, kaj naj kliče energijo, kaj je moč, kaj - impulz.

Kaj postulira termodinamiko

Začnimo s splošno znani podatki. Klasična termodinamika temelji na več postulatih (načelih), dosledno uvedenih v XIX. Stoletju. To pomeni, da te določbe niso dokazljive v njegovem okviru. Oblikovali so jih kot posledica posploševanja empiričnih podatkov.

Prvo načelo je uporaba zakona o ohranjanju energije za opis vedenja makroskopskih sistemov (sestavljen iz velikega števila delcev). Skratka, lahko ga formuliramo na naslednji način: rezerva notranje energije izoliranega termodinamičnega sistema vedno ostane konstantna.

Pomen drugega zakona termodinamike je določiti smer, v kateri se procesi odvijajo v takih sistemih.

Tretje načelo nam omogoča natančno določitev takšne vrednosti kot entropije. Razmislimo o tem podrobneje.

Koncept entropije

Formulacijo drugega zakona termodinamike je predlagal Rudolf Clausius leta 1850: "Spontan prehod toplote iz manj segretega telesa na bolj ogrevani je nemogoč". Hkrati je Clausius poudaril zaslug Sadi Carnot, ki je leta 1824 ugotovil, da je delež energije, ki se lahko pretvori v delovanje toplotnega motorja, odvisen samo od temperaturne razlike med grelcem in hladilnikom.

Z nadaljnjim razvojem drugega zakona termodinamike Clausius uvaja koncept entropije, merilo količine energije, ki se nepovratno preide v obliko, ki ni primerna za uporabo. Clausius je to vrednost izrazil s formulo dS = dQ / T, kjer je dS, ki določa spremembo entropije. Tukaj:

dQ je sprememba toplotne moči,

T je absolutna temperatura (tista, ki se meri v Kelvinu).

Preprost primer: dotaknite se pokrova motorja z delovanjem motorja. Jasno je topleje od okolja. Toda motor avtomobila ni zasnovan za segrevanje pokrova ali vode v radiatorju. Preoblikovanje kemične energije bencina v toplotno energijo, nato pa v mehansko energijo, opravlja koristno delo - vrti gred. Toda večina proizvedene toplote se izgubi, ker iz njega ni mogoče izrabiti nobenega koristnega dela, in dejstvo, da zapusti izpušno cev, nikakor ni bencin. Hkrati se izgubi toplotna energija, vendar ne izgine, ampak se razprši (disipira). Vroči pokrov, seveda, se ohladi, in vsak cikel jeklenk v motorju ponovno doda toploto. Tako sistem postaja težko doseči termodinamično ravnovesje.

Funkcije entropije

Clausius je izpeljal splošno načelo za drugi zakon termodinamike v formuli dS ge-0. Njegov fizični pomen lahko opredelimo kot "neučinkovito" entropijo: v reverzibilnih procesih se ne spreminja, v nepovratnih procesih se poveča.

Treba je opozoriti, da so vsi realni procesi nepovratni. Izraz "neučinkovitost" odraža le dejstvo, da je teoretično možna idealizirana različica vključena tudi v obravnavo tega pojava. To pomeni, da se količina nedostopne energije v vsakem spontanem procesu poveča.

Sposobnost doseganja absolutne ničle

Max Planck je resno prispeval k razvoju termodinamike. Poleg tega, da je delal na statistični interpretaciji drugega načela, je aktivno sodeloval pri postavljanju tretjega zakona termodinamike. Prva formulacija pripada Walterju Nernstu in se nanaša na 1906. Nernstova izreka obravnava obnašanje ravnotežnega sistema pri temperaturi, ki se nagiba v absolutno nič. Prvo in drugo načelo termodinamike ne dajejo možnosti, da bi ugotovili, kaj bo entropija pod temi pogoji.

Pri T = 0 K je energija nič, delci sistema ustavljajo kaotične termične gibe in tvorijo urejeno strukturo, kristal s termodinamično verjetnostjo, ki je enaka enoti. Torej se entropija spremeni v nič (spodaj vemo, zakaj se to zgodi). V resnici to počne že nekoliko prej, iz katerega izhaja, da je hlajenje vsakega termodinamičnega sistema, telesa do absolutne ničle nemogoče. Temperatura se bo samodejno približala tej točki, vendar ne bo dosegla.

Perpetuum-mobile: ne morete, tudi če res želite

Clausius je generaliziral in formuliral prvo in drugo načelo termodinamike na ta način: celotna energija vsakega zaprtega sistema vedno ostaja konstantna in celotna entropija se s časom poveča.

Prvi del te izjave nalaga prepoved trajnega gibanja prve vrste - naprave, ki deluje brez priliva energije iz zunanjega vira. Drugi del je prepovedan tudi s stalnim gibanjem druge vrste. Takšen stroj bi pretvoril energijo sistema v delo brez kompenzacije entropije, ne da bi kršil zakon o ohranjanju. V ravnotežnem sistemu bi bilo mogoče izčrpati toploto, na primer, žganje jajc ali litega jekla na račun energije termičnega gibanja molekul vode, hkrati pa ga ohladiti.

Druga in tretja načela termodinamike prepovedujeta neprestano gibanje druge vrste.

Žal, narava ne more dobiti nič ne samo zaradi ničesar, prav tako mora plačati provizijo.

"Termalna smrt"

V znanosti je nekaj konceptov, ki so povzročili toliko dvoumnih čustev ne samo med splošno javnostjo, temveč tudi med samimi znanstveniki, prav tako kot entropijo. Fiziki in najprej sam Clausius je skoraj takoj ekstrapoliral zakon neupoštevanja najprej na Zemljo, nato pa celo vesolje (zakaj ne, ker se lahko šteje tudi za termodinamični sistem). Kot rezultat, fizikalna količina, pomemben element izračuna v številnih tehničnih aplikacijah začeli razumeti kot utelešenje univerzalnega zla, destruktivno svetlobe in naravi sveta.

so mnenja med znanstveniki, da ker je po drugi zakon termodinamike, entropija nepovratno povečuje, prej ali slej, vso energijo vesolja se razgradi v razpršeno obliko in potem pride "toplotno smrt". Kaj se je treba veseliti? Na primer, Clausius si ni drznil objavljati svojih zaključkov več let. Seveda je hipoteza "toplotne smrti" takoj povzročila številne ugovore. Še zdaj obstajajo resni dvomi o njegovi pravilnosti.

Razčlenjevalnik

Leta 1867 je James Maxwell, eden od avtorjev molekularno-kinetične teorije plinov, v zelo živahnem (čeprav namišljenem) eksperimentu pokazal navidezni paradoks drugega zakona termodinamike. Na kratko, izkušnje lahko povzamemo, kot sledi.

Naj bo posoda s plinom. Molekule v njem se kaotično premikajo, njihove hitrosti so nekoliko drugačne, povprečna kinetična energija pa je enaka v celotnem plovilu. Sedaj razdelite posodo v septum v dva ločena dela. Povprečna hitrost molekul v obeh polovicah posode ostaja nespremenjena. Zaslon je zaščiten z majhnim demonom, ki omogoča hitrejše, "vroče" molekule, da prodrejo v en del in počasneje "hladno" na drugega. Posledično se v prvi polovici plina segreje, v drugi polovici pa se ohladi, to pomeni, iz stanja termodinamičnega ravnovesja sistem preide na razliko temperaturnih potencialov, kar pomeni zmanjšanje entropije.

Celotna težava je v tem, da sistem v tem poskusu ne sproži spontano. Prejema od zunaj energije, skozi katero se odpre in zapira predel, ali sistem nujno vključuje demona, ki porabi energijo pri izpolnjevanju dolžnosti vratarja. Povečanje entropije demona bo s presežkom pokrilo njegovo zmanjšanje plina.

Nediferencirane molekule

Vzemi kozarec vode in jo pusti na mizi. Ni potrebno gledati stekla, dovolj je, da se čez nekaj časa vrne in preveri stanje vode v njej. Videli bomo, da se je njegova količina zmanjšala. Če dlje časa pustite steklo, na njem sploh ne bo prikazala vode, saj bo popolnoma izhlapela. Na samem začetku procesa so bile vse molekule vode v omejeni steni kozarca prostora. Na koncu poskusa so leteli po celem prostoru. V prostoru imajo molekule veliko več priložnosti, da spremenijo svojo lokacijo brez posledic za stanje sistema. Ne moremo jih zbrati v spajkani "kolektivi" in jih odpeljati nazaj v kozarec za pitje vode z dobrim zdravjem.

To pomeni, da se je sistem razvil v stanje z višjo entropijo. Začetek drugega zakona termodinamike, entropije ali procesa razprševanja delcev v sistemu (v tem primeru molekul vode) je nepovraten. Zakaj je to tako?

Clausius ni odgovoril na to vprašanje in noben drug ne bi mogel storiti tega pred Ludwigom Boltzmannom.

Makro in mikroprostori

Leta 1872 je ta znanstvenik v znanost uvedel statistično interpretacijo drugega zakona termodinamike. Konec koncev, makroskopski sistemi, s katerimi se ukvarja termodinamika, tvorijo številni elementi, katerih vedenje se drži statističnih zakonov.

Vračamo se v molekule vode. Kaotično letijo po prostoru, lahko zasedajo različna položaja, imajo nekaj razlik v hitrosti (molekule nenehno trčijo med seboj in z drugimi delci v zraku). Vsaka varianta stanja sistema molekul se imenuje mikrostanica, in veliko takšnih variant je. Pri izvajanju velike večine možnosti se makro stanje sistema na noben način ne spremeni.

Nič ni prepovedano, ampak nekaj je zelo malo verjetno

Slavni odnos S = k lnW povezuje število možnih načinov, na katere lahko izrazimo določen makrostat termodinamičnega sistema (W) s svojo entropijo S. Količina W imenujemo termodinamična verjetnost. Končno obliko te formule je podaril Max Planck. Koeficient k je izredno majhna vrednost (1,38 × 10^minus-23 J / K), ki označuje razmerje med energijo in temperaturo, je Planck v čast znanstveniku imenoval Boltzmannovo konstanto, ki je najprej predlagala statistično interpretacijo drugega zakona termodinamike.

Jasno je, da je W vedno naravno število 1, 2, 3, hellip-N (ni drobnega števila načinov). Potem logaritem W in s tem entropija ne more biti negativen. Z edinim možnim mikrosteznim sistemom entropija postane nič. Če se vrnemo k našemu steklu, lahko ta postulat predstavimo takole: molekule vode, ki se naključno skušajo okrog sobe, se vrnejo v steklo. V tem primeru je vsak natančno ponovil svojo pot in se na istem mestu v steklu, v katerem je bil pred odhodom. Nič ne preprečuje izvajanja te možnosti, pri kateri je entropija nič. Le, da počakamo, da se takšna nenapovedljivo majhna verjetnost ne bo vredna. To je en primer, kaj je mogoče storiti le teoretično.

Vse je bilo pomešano v hišnem

Torej molekule naključno letijo okoli prostora na različne načine. Na njihovem mestu ni vzorca, v sistemu ni nobenega reda, ne glede na to, kako se spreminjajo spremembe mikroobmočij, ni mogoče izslediti skladne strukture. Steklo je bilo enako, vendar zaradi omejenega prostora molekule niso tako aktivno spremenile svojega položaja.

Kaotično, neurejeno stanje sistema kot najbolj verjeten ustreza njegovi maksimalni entropiji. Voda v steklu je primer nižjega entropičnega stanja. Prehod do njega iz kaosa, enakomerno porazdeljen po celotnem prostoru, je praktično neizvedljiv.

Dajte nam bolj razumljiv primer za vse nas - čiščenje nereda v hiši. Da vse uredimo, moramo porabiti tudi energijo. V procesu tega dela postane vroče (to pomeni, da ne zamrznemo). Izkaže se, da lahko koristi entropija. To je tako. Eden lahko rečemo še bolj: entropija, in skozi ta drugi zakon termodinamike (skupaj z energijo) ureja vesolje. Poglejmo še na reverzibilne procese. Tako bi svet gledal, če ne bi bilo entropije: brez razvoja, brez galaksij, zvezd, planetov. Ni življenja ...

Malo več informacij o "toplotni smrti". Obstajajo dobre novice. Ker so po statistični teoriji »prepovedani« postopki v resnici malo verjetni, v termodinamično ravnovesnem sistemu nastanejo nihanja - spontane kršitve drugega zakona termodinamike. Lahko so poljubno veliki. Z vključitvijo teže v termodinamični sistem delitev porazdelitve ne bo več kaotično enakomerna, stanje maksimalne entropije pa ne bo doseženo. Poleg tega vesolje ni konstantno, stalno, nepremično. Zato je sam sestava vprašanja "toplotne smrti" nesmiselna.