Вторият закон на термодинамиката: определение, значение, история

Термодинамиката като самостоятелен отрасъл на физическата наука възниква през първата половина на XIX век. Възрастта на автомобилите идваше. Промишлената революция изискваше да се проучат и разберат процесите, свързани с работата на топлинните двигатели. В зората на ерата на машината, единичните изобретатели биха могли да си позволят да използват само интуицията и "метода на разбиване". Нямаше обществена заповед за открития и изобретения, никога не се беше случвало на никого, че биха могли да бъдат полезни. Но когато топлинните (и малко по-късно електрически) машини станаха основата на производството, ситуацията се промени. Учените най-накрая постепенно разбират терминологичната обърканост, която преобладава до средата на XIX век, определят какво да наречем енергия, каква е властта, какво - импулсът.

Какво постулира термодинамиката

Да започнем с общоизвестната информация. Класическата термодинамика се основава на няколко постулати (принципи), последователно въведени през XIX век. Това означава, че тези разпоредби не се доказват в нейната рамка. Те бяха формулирани в резултат на обобщаването на емпиричните данни.

Първият принцип е прилагането на закона за опазване на енергията в описанието на поведението на макроскопичните системи (състоящи се от голям брой частици). Накратко, тя може да бъде формулирана както следва: резервът на вътрешната енергия на изолирана термодинамична система винаги остава постоянен.

Значението на втория закон за термодинамиката е да се определи посоката, в която се извършват процесите в тези системи.

Третият принцип ни позволява да определим точно такава стойност като ентропията. Нека разгледаме по-подробно.

Концепцията за ентропията

Формулировката на втория закон за термодинамиката е предложена през 1850 г. от Рудолф Клаузий: "Спонтанният преход на топлината от по-малко топло тяло към по-топъл е невъзможен". В същото време Клаузий подчертава заслугата на Сади Карно, който през 1824 г. установи, че делът на енергията, която може да се превърне в работата на топлинния двигател, зависи само от температурната разлика между нагревателя и хладилника.

С по-нататъшното развитие на втория закон за термодинамиката Клаузий въвежда концепцията за ентропия, мярка за количеството енергия, която необратимо преминава в форма, неподходяща за работа. Клаусий изразява тази стойност с формулата dS = dQ / T, където dS, която определя промяната в ентропията. тук:

dQ е промяната в топлинно-

Т е абсолютната температура (тази, която се измерва в Келвин).

Един прост пример: докоснете качулката на автомобила си с работещ двигател. Явно е по-топла от околната среда. Но двигателят на автомобила не е проектиран да загрява качулката или водата в радиатора. Трансформирайки химическата енергия на бензина в топлинна енергия и след това в механична енергия, тя изпълнява полезна работа - тя върти вала. Но по-голямата част от произведената топлина се губи, тъй като от нея не може да се извлече полезна работа, а фактът, че тя излиза от изпускателната тръба, по никакъв начин не е бензин. В същото време топлинната енергия се губи, но не изчезва, а се разсейва (разсейва). Горещата качулка, разбира се, се охлажда и всеки цикъл цилиндри в двигателя отново придава топлина към него. По този начин системата има тенденция да постига термодинамично равновесие.

Ентропични характеристики

Клаузий изведе общ принцип за втория закон на термодинамиката във формулата dS ge-0. Физическото му значение може да се определи като "не намаляваща" ентропия: при обратими процеси тя не се променя, в необратими процеси тя се увеличава.

Трябва да се отбележи, че всички реални процеси са необратими. Терминът "не намалява" отразява само факта, че в разглеждането на феномена е включен и теоретично възможен идеализиран вариант. Това означава, че количеството недостъпна енергия във всеки спонтанен процес се увеличава.

Способност за постигане на абсолютна нула

Макс Планк даде сериозен принос за развитието на термодинамиката. Освен че работи върху статистическото тълкуване на втория принцип, той активно участва в постулацията на третия закон за термодинамиката. Първата формулировка принадлежи на Уолтър Нернст и се отнася до 1906 г. Теоремата на Nernst разглежда поведението на една равновесна система при температура, която тенденция към абсолютна нула. Първият и вторият принцип на термодинамиката не дават възможност да се разбере каква ще бъде ентропията при тези условия.

При T = 0 K енергията е нула, частиците на системата спират хаотични топлинни движения и образуват подредена структура, кристал с термодинамична вероятност, равна на единството. Така че, ентропията също се превръща в нула (по-долу знаем защо това се случва). В действителност, това дори прави това малко по-рано, от което следва, че охлаждането на всяка термодинамична система, всяко тяло до абсолютна нула е невъзможно. Температурата произволно ще се доближи до тази точка, но няма да стигне до нея.

Perpetuum-mobile: не можеш, дори ако наистина искаш

Клаузий генерализира и формулира първия и втория принцип на термодинамиката по този начин: общата енергия на всяка затворена система винаги остава постоянна и общата ентропия се увеличава с течение на времето.

Първата част на това изявление налага забрана за вечното движение от първия вид - устройство, което работи без приток на енергия от външен източник. Втората част също е забранена от вечното движение на втория вид. Такава машина би превърнала енергията на системата в работа без компенсация от ентропия, без да нарушава закона за опазване. Възможно е да се изпомпва топлината от равновесната система, например яйцата се запържват или се излива стомана за сметка на енергията от топлинното движение на водните молекули, докато се охлажда.

Вторият и третият принцип на термодинамиката забраняват вечното движение на втория вид.

Уви, природата не може да получи нищо не само за нищо, вие също трябва да платите комисионна.

"Топлинна смърт"

Има много малко понятия в науката, които причиняват толкова много двусмислени емоции не само сред широката общественост, но и сред самите учени, както и в ентропията. Физиците, и преди всичко самият Клаузий, почти веднага са екстраполирали закона за ненаслабването първо на Земята и след това на цялата Вселена (защо не, защото тя може да се счита за термодинамична система). В резултат на това физическото количество, важен елемент на изчисленията в много технически приложения, започна да се възприема като въплъщение на някакво универсално Зло, което унищожава светлия и любезен свят.

Съществуват мнения, между учените, че тъй като, според втория закон на термодинамиката, ентропията необратимо се увеличава, рано или късно, всички от енергията на Вселената се разгражда в дисперсна форма, а след това идва и "топлинна смърт". За какво се радвам? Клаузий, например, не смееше да публикува заключенията си в продължение на няколко години. Разбира се, хипотезата за "топлинна смърт" веднага предизвика много възражения. Съществуват сериозни съмнения относно неговата коректност дори сега.

Даймон сетер

През 1867 г. Джеймс Максуел, един от авторите на молекулярно-кинетичната теория на газовете, в много ярък (макар и въображаем) експеримент демонстрира привидния парадокс на втория закон за термодинамиката. Накратко, опитът може да се обобщи по следния начин.

Нека има кораб с газ. Молекулите в него се движат хаотично, скоростта им е малко по-различна, но средната кинетична енергия е еднаква в целия съд. Разделете съда в преграда на две отделни части. Средната скорост на молекулите в двете половини на съда остава същата. Екранът се охранява от малък демон, който позволява по-бързи "горещи" молекули да проникнат в една част и по-бавно "студени" в друга. В резултат на това през първата половина газът се нагрява, през втората половина се охлажда, т.е. от състоянието на термодинамичното равновесие системата преминава към разликата в температурните потенциали, което означава намаляване на ентропията.

Целият проблем е, че в експеримента системата не прави този преход спонтанно. Тя получава отвън енергията, през която се разтваря и затваря дяла, или системата задължително включва демон, който изразходва енергията си за изпълнение на задълженията на вратаря. Увеличаването на ентропията на демона ще покрие с излишък намаляването на газа.

Неразкрити молекули

Вземете чаша вода и я оставете на масата. Не е необходимо да гледате чашата, достатъчно е да се върнете след известно време и да проверите състоянието на водата в нея. Ще видим, че количеството му е намаляло. Ако оставите чашата дълго време, изобщо няма да има никаква вода, тъй като тя ще се изпари напълно. Още в самото начало на процеса всички молекули на водата бяха в очертаната стена на чашата в района на пространството. В края на експеримента те прелетяха из цялата стая. В обема на помещението молекулите имат много повече възможности да променят местонахождението си без последствия за състоянието на системата. Не можем да ги съберем в споявания "колективен" и да ги закараме обратно в чаша, за да пием вода с добро здраве.

Това означава, че системата е се превърнала в състояние с по-висока ентропия. Започвайки от втория закон на термодинамиката, ентропията или процесът на разсейване на частици в системата (в този случай водни молекули) е необратим. Защо е така?

Клаузий не отговори на този въпрос и никой друг не може да направи това пред Лудвиг Болцман.

Макро и микростати

През 1872 г. този учен въвежда в науката статистическа интерпретация на втория закон за термодинамиката. В края на краищата, макроскопичните системи, с които термодинамичните сделки се формират от голям брой елементи, чието поведение се подчинява на статистическите закони.

Нека се върнем към водните молекули. Хаотични летящи около стаята, те могат да заемат различни позиции, да имат някои разлики в скоростите (молекулите постоянно се сблъскват помежду си и с други частици във въздуха). Всеки вариант на състоянието на система от молекули се нарича микрокредит и има много такива варианти. При внедряването на по-голямата част от опциите макро състояние на системата не се променя по никакъв начин.

Нищо не е забранено, но нещо е малко вероятно

Известната връзка S = k lnW свързва броя на възможните начини, по които може да се изрази определен макростат на термодинамичната система (W) с неговата ентропия S. Количеството W се нарича термодинамична вероятност. Крайната форма на тази формула бе дадена от Макс Планк. Коефициентът k е изключително малка стойност (1,38 × 10^{минус-23} J / K), който характеризира връзката между енергията и температурата, Планк нарича константата Болцман в чест на учения, който първо предложи статистическа интерпретация на втория закон за термодинамиката.

Ясно е, че W винаги е естествено число 1, 2, 3, hellip-N (няма частичен брой начини). Тогава логаритъмът на W, а оттам и ентропията, не може да бъде отрицателен. С единствената възможна микрокредитация за системата, ентропията става нула. Ако се върнем в нашето стъкло, този постулат може да бъде представен, както следва: водните молекули, които се разхождаха случайно около стаята, се върнаха на стъклото. В този случай всеки повтори пътя си и пое същото място в чашата, в която беше преди заминаването. Нищо не възпрепятства прилагането на тази опция, при която ентропията е нула. Само да чакаме за изпълнението на такава изчезващо малка вероятност не си заслужава. Това е един пример за това, което може да се направи само теоретично.

Всичко беше смесено в домашната шейна -

Така че, молекулите случайно летят около стаята по различни начини. В тяхното местоположение няма модел, няма система в системата, без значение как се променят промените на микростомите, не може да се проследи последователна структура. Чашата беше същата, но поради ограниченото пространство, молекулите не промениха позицията си толкова активно.

Хаотичното, неудобно състояние на системата като най-вероятно съответства на неговата максимална ентропия. Водата в стъклото е пример за по-ниско ентропично състояние. Преходът към него от хаоса, равномерно разпределен в цялата стая, е практически невъзможно.

Нека да дадем по-разбираем пример за всички нас - да почистим бъркотията в къщата. За да сложим всичко в ред, трябва да изразходваме и енергия. В процеса на тази работа, тя става гореща (т.е. ние не замразяваме). Оказва се, че ентропията може да се възползва. Това е така. Може да се каже още повече: ентропията и чрез нея вторият закон на термодинамиката (заедно с енергията) урежда вселената. Нека отново да разгледаме обратимите процеси. Така че светът ще изглежда, ако няма ентропия: няма развитие, няма галактики, звезди, планети. Няма живот ...

Още малко информация за "топлинната смърт". Има добри новини. Тъй като според статистическата теория на "забранените" процеси са в действителност е малко вероятно да възникне при термодинамичните колебания равновесие на системата се случи - спонтанно нарушение на втория закон на термодинамиката. Те могат да бъдат произволно големи. Когато системата за гравитацията в термодинамичен разпределение на частиците няма да бъде еднакво хаотично, но се достига до състояние на максимална ентропия. В допълнение, вселената не е постоянна, постоянна, стационарна. Следователно самата формулировка на въпроса за термичната смърт е безсмислена.