Прийшла пора розібратися з другим фундаментальним постулатом термодинаміки, що має назву другий початок термодинаміки. Другий закон не є доказовим в рамках класичної термодинаміки. Його формулювання - результат узагальнення дослідів, спостережень і експериментів. Розповімо Вам про нього коротко і зрозуміло.
У минулій статті з термодинаміки ми говорили про термодинамічних системах, що складаються з великої кількості частинок. Для опису подібних систем використовуються так звані функції стану.
Функція стану (або термодинамічний потенціал) - це функція, що залежить від декількох незалежних параметрів, що визначають стан системи. Щоб було зрозуміліше, наведемо приклад. Одна з функцій стану системи - це її внутрішня енергія. Вона не залежить від того, як саме система виявилося в даному стані
Ще одне поняття, з яким потрібно познайомитися - це ентропія. Для розуміння другого закону термодинаміки ентропія дуже важлива. А ще це красиве слово, яке багатьох ставить в ступор і яким можна спробувати свої сили у компанії.
У найзагальнішому випадку, ентропія - міра хаотичності деякої системи
Простий приклад. уявімо, що у вас є ящик зі шкарпетками. Якщо все шкарпетки в ящику розкидані і валяються впереміш і по одному, ентропія такої системи максимальна. А якщо шкарпетки зібрані по парам і лежать акуратно в рядок - мінімальна.
У термодинаміки, ентропія - це функція стану термодинамічної системи, яка визначає міру незворотного розсіювання енергії. Що це означає? Це означає, що якась частина внутрішньої енергії системи не може перейти в здійснюються системою механічну роботу. Наприклад, процес перетворення теплоти в механічну роботу завжди супроводжується втратами, в результаті яких теплота трансформується в інші види енергії.
Ентропія при незворотних термодинамічних процесах збільшується, а при оборотних - залишається незмінною. Математична запис ентропії (S):
Тут дельта Q - кількість теплоти, підведене або відведений від системи, T - температура системи, dS - зміна ентропії.
Існує кілька різних формулювань другого закону термодинаміки, і ось одна з них:
Ентропія замкнутої системи зростає при будь-яких необоротних процесах в цій системі
Так як нас цікавить саме розуміння суті речей, наведемо ще одне найпростіше визначення:
Неможливий процес, єдиним результатом якого є передача енергії у формі теплоти від холодного тіла до гарячого
До слова, це формулювання другого початку термодинаміки належить Рудольфу Клаузиусу, який і ввів в ужиток поняття ентропії.
Неможливий процес, єдиним результатом якого є передача енергії у формі теплоти від холодного тіла до гарячого
І знову вічний двигун
Після розчарування з ідеєю вічного двигуна першого роду люди і не думали здаватися. Через якийсь час був придуманий вічний двигун другого роду, робота якого грунтувалася на передачі тепла і не суперечила закону збереження енергії. Такий двигун перетворює все тепло, отримане від навколишніх тіл, в роботу. Наприклад, в якості його реалізації передбачалося шляхом охолодження океану отримати величезну кількість теплоти. Але на щастя до охолодження океану і заморозки риб справа не дійшла, тому що дана ідея суперечить другому початку динаміки. ККД будь-якої машини не може бути дорівнює одиниці, також як тепло не може бути перетворено в роботу повністю. Так що скільки не намагайтеся, а вічний двигун другого роду створити неможливо, так само як і вічний двигун першого роду.
Теплова смерть Всесвіту
Після введення Рудольфом Клаузиусом поняття ентропії в 1865 році виникло безліч суперечок, домислів і теорій, пов'язаних з цим поняттям. Одна з них - гіпотеза про теплової смерті Всесвіту. сформульована самим Клаузиусом на основі другого закону термодинаміки.
Рудольф Клаузіус (1822-1888)
Дана теорія, сформульована Клаузиусом, говорить, що Всесвіт, як будь-яка замкнута система, прагне до стану термодинамічної рівноваги, що характеризується максимальною ентропією і повною відсутністю макроскопічних процесів, що в свою чергу обессмислівает звичне нам поняття часу. За Клаузиусу: «Енергія світу залишається постійною. Ентропія світу прагнути до максимуму ». Це означає, що коли Всесвіт прийде в стан термодинамічної рівноваги, всі процеси припиняться і світ зануритися в стан "теплової смерті». Температура в будь-якій точці Всесвіту буде однією і тією ж, вже не буде будь-яких причин, здатних викликати виникнення яких би то ні було процесів.
Вам сподобається: Які шанси вступити на бюджет: за кількістю балів, по вузу, за фахом
Концепція теплової смерті всесвіту ще в недалекому минулому була досить широко поширена і була предметом активних дискусій. Так, в книзі Джинса «Universe around us» (1932р.) Можна знайти такі рядки щодо теплової смерті Всесвіту: «Всесвіт не може існувати вічно; рано чи пізно має настати час, коли її останній ерг енергії досягне найвищого ступеня на сходах падаючої корисності, і в цей момент активне життя Всесвіту повинна буде припинитися ».
Десь у Всесвіті
При виведенні своєї теорії Клаузиус вдавався в своїх міркуваннях до наступних екстраполяцій (наближенням):
- Всесвіт розглядається як замкнута система.
- Еволюція світу може бути описана як зміна його станів.
Цікавий факт. міркування про теплової смерті дозволили церкви заявити, що з наукової точки зору (в тому числі і завдяки теорії Клаузіуса) можна визначити причини, що вказують на існування бога. Так, в 1952 році на засіданні «папської академії наук» папа Пій 12-й у своїй промові сказав: «Закон ентропії, відкритий Рудольфом Клаузиусом, дав нам впевненість, що спонтанні природні процеси завжди пов'язані з деякою втратою вільної, здатної бути використаною енергії, звідки випливає, що в замкнутої матеріальної системи в кінці кінців ці процеси в макроскопічному масштабі колись припиняться. Ця сумна необхідність ... красномовно свідчить про існування Необхідного Істоти ».
Спростування теорії теплової смерті Всесвіту
Як вже зазначалося вище Клаузиусом, при виведенні його теорії застосовувалися певні екстраполяції. Сьогодні незважаючи на деякі складності можна з упевненістю сказати, що подібні висновки є антинауковими. Справа в тому, що існують певні межі застосування другого закону термодинаміки: нижня і верхня. Так, другий початок термодинаміки не може бути застосоване для опису мікросистем, розміри яких порівнянні з розмірами молекул, і для макросістем, що складаються з нескінченного числа частинок, тобто для Всесвіту в цілому.
Другий закон термодинаміки не застосовуються до Всесвіту як замкнутій системі
Власне першим вченим, що встановив статистичну природу другого початку термодинаміки і протиставив теорії теплової смерті Всесвіту так звану флуктуаційну гіпотезу, був видатний фізик-матеріаліст Больцман. Має місце формула Больцмана, що дозволяє дати статистичне тлумачення другого закону термодинаміки
Тут S - ентропія системи, k - постійна Больцмана, P - термодинамічна ймовірність стану, що визначає число микросостояний системи, що відповідають даному макросостояніе. Відповідно до формули Больцмана,
Тобто термодинамічна ймовірність стану ізольованої системи при всіх відбуваються в ній не може спадати. Однак тому для систем, що складаються з нескінченного числа частинок, їхні капітали будуть рівноімовірними. вищеописане співвідношення застосовується до Всесвіту. У подібних системах мають місце значні флуктуації (флуктуація - відхилення істинного значення деякої величини від її середнього значення), що представляють собою відхилення від другого закону термодинаміки. Згідно Больцману, стан термодинамічної рівноваги є лише найбільш часто зустрічається і найбільш ймовірне; поряд з цим в рівноважної системі можуть мимовільно виникнути як завгодно великі флуктуації. Тобто у Всесвіті, що знаходиться в стані термодинамічної рівноваги, постійно виникають флуктуації, причому однієї такої флуктуацией є та область простору, в якій перебуваємо ми.
Людвіг Больцман (1844-1906)
Сучасний підхід безумовно відкидає теорію теплової смерті Всесвіту. З огляду на величезний вік Всесвіту і той факт, що вона не знаходиться в стан теплової смерті, можна зробити висновок про те, що у Всесвіті протікають процеси, що перешкоджають зростанню ентропії, тобто процеси з негативною ентропією. Однак висновків Больцмана про те, що у Всесвіті переважає стан термодинамічної рівноваги, все більше суперечить зростаючий експериментальний матеріал астрономії. Матерія має ніколи не втрачається здатність до концентрації енергії і перетворення одних форм руху в інші. Так, наприклад, процес освіти з розсіяною матерії зірок підпорядковується певним закономірностям і не може бути зведений виключно до випадкових флуктуацій розподілу енергії у Всесвіті.
