Друге початок термодинаміки: визначення, зміст, історія

Дата:

2018-07-04 15:30:17

Перегляди:

441

Рейтинг:

1Дизлайк 0Любити

Поділитися:

Table of contents:

Термодинаміка як самостійний розділ фізичної науки виникла в першій половині XIX століття. Гримнув вік машин. Промислова революція вимагала вивчити і осмислити процеси, пов'язані з функціонуванням теплових двигунів. На зорі машинної ери винахідники-одинаки могли собі дозволити використовувати лише інтуїцію і «метод тику». Не було суспільного замовлення на відкриття та винаходи, нікому навіть в голову не могло прийти, що вони можуть бути корисні. Але коли теплові (а трохи пізніше і електричні) машини стали основою виробництва, ситуація змінилася. Вчені нарешті поступово розібралися з термінологічною плутаниною, що панувала до середини XIX століття, визначившись, що називати енергією, силою, що імпульсом.

постулює термодинаміка

Почнемо з загальновідомих відомостей. Класична термодинаміка заснована на кількох принципах (засадах), послідовно вводившихся протягом XIX століття. Тобто ці положення не є доказуемыми в її рамках. Вони були сформульовані в результаті узагальнення емпіричних даних.

Перше початок – це додаток закону збереження енергії до опису поведінки макроскопічних систем (складаються з великого числа частинок). Коротко його можна сформулювати так: запас внутрішньої енергії ізольованої термодинамічної системи завжди залишається постійним.

Зміст другого початку термодинаміки полягає у визначенні напряму, в якому протікають процеси в таких системах.

Третій початок дозволяє точно визначити таку величину, як ентропія. Розглянемо її докладніше.

Поняття ентропії

Формулювання другого початку термодинаміки була запропонована в 1850 році Рудольфом Клаузиусом: «Неможливий мимовільний перехід теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого». При цьому Клаузіус підкреслював заслугу Саді Карно, ще в 1824 році встановив, що частка енергії, яка може бути перетворена в роботу теплової машини, залежить тільки від різниці температур нагрівача і холодильника.

Більше:

Перший штучний супутник Землі

Перший штучний супутник Землі

Перший штучний супутник Землі є одним з найбільших досягнень науки ХХ століття. Тим не менш, як це ні парадоксально, цьому великому науковому і технічному досягненню значною мірою сприяла холодна війна між двома наддержавами: США і Радянським Союзом....

Що таке соціалізація, і як вона змінює людину

Що таке соціалізація, і як вона змінює людину

Спробуємо розібратися, що таке соціалізація, в чому її сутність і особливість. Адже для кожної особистості входження у суспільство і засвоєння його основних норм є фундаментом до подальшої безпроблемною і успішного життя і діяльності. Отже, що таке с...

Принц Чарльз – головний спадкоємець британського престолу

Принц Чарльз – головний спадкоємець британського престолу

Згідно із законом королівства Великобританія, спадкоємець британського престолу - це старший закононароджена син чинного монарха або ж попереднього претендента на престол. Однак якщо у царюючого особи немає дитини чоловічої статі, то право спадкуванн...

Рудольф Клаузіус

При подальшій розробці другого початку термодинаміки Клаузіус ввів поняття ентропії - міри кількості енергії, яка необоротно переходить у форму, непридатну для звернення в роботу. Клаузіус висловив цю величину формулою dS = dQ/T, де dS, яка визначає зміну ентропії. Тут:

DQ - зміна теплоти;

T – абсолютна температура (та сама, яка вимірюється в кельвінах).

Простий приклад: поторкайте капот вашого автомобіля при включеному двигуні. Він явно тепліше навколишнього середовища. Але ж двигун автомобіля призначений не для того, щоб нагрівати капот або воду в радіаторі. Перетворює хімічну енергію бензину в теплову, а потім в механічну, він виконує корисну роботу – обертає вал. Але більша частина виробленого тепла втрачається, так як ніякої корисної роботи з нього не можна витягти, а те, що вилітає з вихлопної труби, вже жодним чином бензином не є. При цьому теплова енергія втрачається, але не зникає, а розсіюється (диссипирует). Гарячий капот, звичайно, остигає, а кожен цикл циліндрів в двигуні знову додає йому теплоту. Таким чином система прагне досягти термодинамічної рівноваги.

Особливості ентропії

Клаузіус вивів загальний принцип для другого початку термодинаміки у формулі dS ≥ 0. Фізичний зміст її можна визначити, як "неубывание" ентропії: в оборотних процесах вона не змінюється, в незворотних - зростає.

Слід зауважити, що всі реальні процеси необоротні. Термін «неубывание» відображає лише той факт, що розгляд явища включений також теоретично можливий ідеалізований варіант. Тобто кількість недоступною енергії в будь-якому вільному процесі збільшується.

Можливість досягнення абсолютного нуля

Макс Планк зробив серйозний внесок у розробку термодинаміки. Крім роботи над статистичної інтерпретацією другого початку, він взяв діяльну участь в постулировании третього початку термодинаміки. Перша формулювання належить Вальтеру Нернсту і відноситься до 1906 році. Теорема Нернста розглядає поведінку рівноважної системи при температурі, що прагне до абсолютного нуля. Перше і друге початку термодинаміки не дають можливості з'ясувати, яка буде ентропія в даних умовах.

Макс Планк

При T = 0 K енергія дорівнює нулю, частинки системи припиняють хаотичні теплові руху і утворюють впорядковану структуру, кристал з термодинамічною імовірністю, рівній одиниці. Отже, ентропія теж звертається в нуль (нижче ми дізнаємося, чому так відбувається). В реальності вона навіть робить це дещо раніше, з чого випливає, що охолодження будь термодинамічної системи, будь-якого тіла до абсолютного нуля неможливо. Температура буде як завгодно наближатися до цієї точки, але не досягне її.

Перпетуум-мобіле: не можна, навіть якщо дуже хочеться

Клаузіус узагальнив і сформулював перше і друге початку термодинаміки таким чином: повна енергія будь-якої замкнутої системи завжди залишається постійною, а повна ентропія зростає з плином часу.

Перша частина цього твердження накладає заборону на вічний двигун першого роду – пристрій, що здійснює роботу без припливу енергії із зовнішнього джерела. Другачастина забороняє і вічний двигун другого роду. Така машина перекладала б енергію в роботу системи без ентропійної компенсації, не порушуючи закону збереження. Можна було б відкачувати тепло з рівноважної системи, наприклад, смажити яєчню або лити сталь за рахунок енергії теплового руху молекул води, охолоджуючи її при цьому.

Друге і третє початку термодинаміки забороняють вічний двигун другого роду.

на Жаль, у природи нічого не можна отримати не тільки задарма, доводиться ще й комісію виплачувати.

вічний двигун

«Теплова смерть»

Мало знайдеться в науці понять, які викликали стільки неоднозначних емоцій не тільки у широкої публіки, але й у середовищі самих вчених, скільки довелося на частку ентропії. Фізики, і в першу чергу сам Клаузіус, практично відразу екстраполювали закон неубывания спочатку на Землю, а потім і на всю Всесвіт (чому б і ні, адже її теж можна вважати термодинамічною системою). У результаті фізична величина, важливий елемент розрахунків в багатьох технічних додатках, стала сприйматися як втілення якогось вселенського Зла, знищує світлий і добрий світ.

В середовищі вчених є й такі думки: оскільки, відповідно до другого початку термодинаміки, ентропія необоротно зростає, рано чи пізно вся енергія Всесвіту деградує в розсіяну форму, і настане «теплова смерть». Чому тут радіти? Клаузіус, наприклад, кілька років не вирішувалося на публікацію своїх висновків. Зрозуміло, гіпотеза «теплової смерті» негайно викликала безліч заперечень. Серйозні сумніви в її правильності є і зараз.

Демон-сортувальник

В 1867 році Джеймс Максвелл, один з авторів молекулярно-кінетичної теорії газів, дуже наочному (хоч і вигаданому) експеримент продемонстрував уявну парадоксальність другого початку термодинаміки. Коротко досвід можна викласти наступним чином.

Нехай є судина з газом. Молекули рухаються хаотично, швидкості їх дещо різняться, але середня кінетична енергія однакова по всьому судині. Тепер розділимо посудину перегородкою на дві ізольовані частини. Середня швидкість молекул в обох половинках посудини залишиться однаковою. Перегородку сторожить крихітний демон, який дозволяє більш швидким, «гарячим» молекулам проникати в одну частину, а більш повільним «холодним» - в іншу. У результаті В першій половинці газ нагріється, у другий – охолоне, тобто зі стану термодинамічної рівноваги система перейде до різниці температурних потенціалів, що означає зменшення ентропії.

Демон Максвелла

Вся проблема в тому, що в експерименті система робить цей перехід не мимовільно. Вона отримує ззовні енергію, за рахунок якої відкривається і закривається перегородка, або система з необхідністю включає в себе демона, затрачивающего свою енергію на виконання обов'язків воротаря. Збільшення ентропії демона з лишком покриє зменшення її в газі.

Недисципліновані молекули

Візьмемо склянку з водою і залишимо його на столі. Спостерігати за склянкою не обов'язково, достатньо через деякий час повернутися і перевірити стан води в ньому. Ми побачимо, що її кількість зменшилася. Якщо ж залишити склянку надовго, в ньому взагалі не виявиться води, так як вся вона випарується. На самому початку процесу всі молекули води знаходилися в якійсь обмеженою стінками склянки області простору. В кінці експерименту вони розлетілися по всій кімнаті. В обсязі кімнати у молекул набагато більше можливостей змінювати своє місце розташування без всяких наслідків для стану системи. Ми ніяк не зможемо зібрати їх в спаяний колектив " і загнати назад у склянку, щоб з користю для здоров'я випити воду.

Розсіяння молекул водяної пари по простору кімнати - приклад высокоэнтропийного стану

Це означає, що система еволюціонувала до стану з більш високою ентропією. Виходячи з другого початку термодинаміки, ентропія, або процес розсіювання частинок системи (в даному випадку молекул води) незворотній. Чому це так?

Клаузіус не відповів на це питання, та й ніхто інший не зміг цього зробити до Людвіга Больцмана.

Макро і мікростан

В 1872 році цей вчений ввів у науку статистичне тлумачення другого початку термодинаміки. Адже макроскопічні системи, з якими має справу термодинаміка, утворені великою кількістю елементів, поведінка яких підпорядковується статистичним законам.

Повернемося до молекул води. Хаотично літаючи по кімнаті, вони можуть займати різні положення, мати деякі відмінності в швидкостях (молекули постійно стикаються один з одним і з іншими частинками в повітрі). Кожен варіант стану системи молекул називається микросостоянием, і таких варіантів безліч. При реалізації переважної більшості варіантів макроекономічний стан системи не зміниться ніяк.

Ніщо не заборонено, але дещо-що вкрай малоймовірно

Знамените співвідношення S = k lnW пов'язує число можливих способів, яким можна виразити певне макроекономічний стан термодинамічної системи (W), з її ентропією S. Величину W називають термодинамічною ймовірністю. Остаточний вид цій формулі надав Макс Планк.Коефіцієнт k – надзвичайно малу величину (1,38×10−23 Дж/К), що характеризує зв'язок між енергією і температурою, Планк назвав постійної Больцмана в честь вченого, який першим запропонував статистичне тлумачення другого початку термодинаміки.

Могила Людвіга Больцмана

Ясно, що W – завжди натуральне число 1, 2, 3,…N (не буває дробового кількості способів). Тоді логарифм W, а отже, і ентропія, не можуть бути від'ємними. При єдино можливому для системи микросостоянии ентропія стає рівною нулю. Якщо повернутися до нашого склянці, цей постулат можна представити так: молекули води, безладно снуючи по кімнаті, повернулися назад у склянку. При цьому кожна в точності повторила свій шлях і зайняла в склянці те ж місце, в якому перебувала перед вильотом. Ніщо не забороняє реалізацію цього варіанту, при якому ентропія дорівнює нулю. Тільки чекати здійснення такої зникаюче малої ймовірності не варто. Це один із прикладів того, що можна здійснити лише теоретично.

Все змішалося в домі…

Отже, молекули хаотично літають по кімнаті різними способами. Немає ніякої закономірності в їх розташуванні немає порядку в системі, як не міняй варіанти станів, не простежується ніякої виразної структури. У склянці було те ж саме, але з-за обмеженості простору молекули міняли своє положення не так активно.

Хаотичне, невпорядкований стан системи як найбільш ймовірне відповідає її максимальної ентропії. Вода в склянці являє приклад більш низкоэнтропийного стану. Перехід до нього з рівномірно розподіленого по кімнаті хаосу практично нездійсненний.

Наведемо більш зрозумілий для всіх нас приклад - прибирання безладу в будинку. Щоб все розставити по місцях, нам теж доводиться витрачати енергію. У процесі цієї роботи нам стає жарко (тобто ми не мерзнемо). Виявляється, ентропія може принести користь. Це так і є. Можна сказати навіть більше: ентропія, а через неї друге початок термодинаміки (поряд з енергією) керують Всесвіту. Поглянемо ще раз на оборотні процеси. Так виглядав би світ, якби ентропії: ніякого розвитку, ніяких галактик, зірок, планет. Ніякого життя...

Наша Всесвіт не статична

Ще трохи інформації про «теплової смерті». Є хороші новини. Оскільки, відповідно до статистичної теорії, «заборонені» процеси насправді є малоймовірними, в термодинамічно рівноважної системі виникають флуктуації – спонтанні порушення другого початку термодинаміки. Вони можуть бути як завгодно великими. При включенні гравітації в термодинамічну систему розподіл частинок вже не буде хаотично-рівномірним, а стан максимальної ентропії не буде досягнуто. Крім того, Всесвіт не є незмінною, постійною, стаціонарної. Отже, сама постановка питання про «теплової смерті» позбавлена сенсу.


Article in other languages:

AR: https://www.tostpost.com/ar/education/1323-the-second-law-of-thermodynamics-definition-meaning-history.html

BE: https://www.tostpost.com/be/adukacyya/2268-drugoe-pachatak-termadynam-k-vyznachenne-sens-g-storyya.html

DE: https://www.tostpost.com/de/bildung/2266-der-zweite-hauptsatz-der-thermodynamik-definition-bedeutung-geschichte.html

En: https://www.tostpost.com/education/16667-the-second-law-of-thermodynamics-definition-meaning-history.html

ES: https://www.tostpost.com/es/la-educaci-n/2271-la-segunda-ley-de-la-termodin-mica-definici-n-significado-historia.html

HI: https://www.tostpost.com/hi/education/1323-the-second-law-of-thermodynamics-definition-meaning-history.html

JA: https://www.tostpost.com/ja/education/1322-the-second-law-of-thermodynamics-definition-meaning-history.html

KK: https://www.tostpost.com/kk/b-l-m/2269-termodinamikany-ek-nsh-bastamasy-any-tamasy-m-n-tarihy.html

PL: https://www.tostpost.com/pl/edukacja/2272-po-drugie-podstawy-termodynamiki-definicja-znaczenie-historia.html

PT: https://www.tostpost.com/pt/educa-o/2269-segundo-o-come-o-da-termodin-mica-defini-o-significado-hist-ria.html

TR: https://www.tostpost.com/tr/e-itim/2274-kinci-ba-lang-termodinami-in-tan-m-anlam-tarih-esi.html

ZH: https://www.tostpost.com/zh/education/1386-the-second-law-of-thermodynamics-definition-meaning-history.html






Alin Trodden - автор статті, редактор
"Привіт, Я Алін Тродден. Я пишу тексти, читаю книги і шукаю враження. І я непогано вмію розповідати вам про це. Я завжди радий брати участь у цікавих проектах."

Примітка (0)

Ця стаття не має коментарів, будьте першим!

Додати коментар

Новини

Школа людських відносин як нова форма управління у науковому менеджменті

Школа людських відносин як нова форма управління у науковому менеджменті

На рубежі 30-х років XX століття на Заході стали формуватися перші передумови для створення нової школи людських відносин, яка доповнила б розробки класичної та наукової шкіл менеджменту. Визріла необхідність створення якісно нови...

Англійські колонії в Північній Америці. Країни - колишні колонії Великобританії

Англійські колонії в Північній Америці. Країни - колишні колонії Великобританії

Існує велика кількість легенд і різних за ступенем достовірності оповідань про відважних мореплавців, ще задовго до Колумба побували в Північній Америці. Серед них були і китайські ченці, ще приблизно в 5 столітті висадилися в Кал...

Що таке очей? Які функції виконує око в тілі людини?

Що таке очей? Які функції виконує око в тілі людини?

Уміння сприймати інформацію про навколишній світ за допомогою зору – найдивовижніша і корисна здатність людини. Ми запечатлеваем картинку того, що відбувається, немов фото. Око є тим «оптичним приладом», який доз...

Що таке лихослів'я? Проблема сквернослів'я

Що таке лихослів'я? Проблема сквернослів'я

Звичні розмовні формулювання можуть бути неприйнятними, просто люди про це нечасто замислюються. В результаті дорослим залишається лише дивуватися, де діти вчаться «поганим словами» і чому вони виявляються до такої мір...

Навколишній світ - це все, що оточує нас

Навколишній світ - це все, що оточує нас

У даній статті представлено матеріал для учнів 3 класу, навколишній світ для яких надано у вигляді спрощених моделей екосистеми. Також розглянуто поняття суспільства людей, його структура і значення в житті кожної людини. На прост...

Гандикап - що це? Європейський і азіатський гандикап

Гандикап - що це? Європейський і азіатський гандикап

Незважаючи на те, що українська мова є однією з найбагатших у світі за своїм словниковим запасом, в ньому є багато запозичених слів. Оскільки кожна мова являє собою не просто набір конкретних лексичних одиниць, а постійно розвиває...