Termodynamik som en selvstændig gren af fysisk videnskab opstod i første halvdel af det 19. århundrede. Maskinernes tidsalder er begyndt. Den industrielle revolution krævede undersøgelse og forståelse af de processer, der er forbundet med driften af varmemotorer. Ved begyndelsen af maskinæraen havde enlige opfindere råd til kun at bruge intuition og "poke-metoden". Der var ingen offentlig orden for opdagelser og opfindelser, det kunne ikke engang falde nogen ind, at de kunne være nyttige. Men da termiske (og lidt senere, elektriske) maskiner blev grundlaget for produktionen, ændrede situationen sig. Forskere ordnede endelig gradvist den terminologiske forvirring, der herskede indtil midten af det 19. århundrede, og besluttede, hvad de skulle kalde energi, hvilken kraft, hvilken impuls.
Hvad termodynamik postulerer
Lad os starte med almindelig viden. Klassisk termodynamik er baseret på flere postulater (principper), der successivt blev introduceret gennem det 19. århundrede. Det vil sige, at disse bestemmelser ikke er detbeviselig i det. De blev formuleret som et resultat af generalisering af empiriske data.
Den første lov er anvendelsen af loven om energibevarelse til beskrivelsen af makroskopiske systemers adfærd (bestående af et stort antal partikler). Kort fort alt kan det formuleres som følger: Beholdningen af intern energi i et isoleret termodynamisk system forbliver altid konstant.
Betydningen af termodynamikkens anden lov er at bestemme, i hvilken retning processer forløber i sådanne systemer.
Den tredje lov giver dig mulighed for nøjagtigt at bestemme en sådan mængde som entropi. Overvej det mere detaljeret.
Begrebet entropi
Formuleringen af termodynamikkens anden lov blev foreslået i 1850 af Rudolf Clausius: "Det er umuligt spontant at overføre varme fra en mindre opvarmet krop til en varmere." Samtidig understregede Clausius fortjenesten af Sadi Carnot, som allerede i 1824 fastslog, at andelen af energi, der kan omdannes til en varmemotors arbejde, kun afhænger af temperaturforskellen mellem varmeapparatet og køleskabet.
I videreudviklingen af termodynamikkens anden lov introducerer Clausius begrebet entropi - et mål for mængden af energi, der irreversibelt omdannes til en form, der er uegnet til omdannelse til arbejde. Clausius udtrykte denne værdi med formlen dS=dQ/T, hvor dS bestemmer ændringen i entropi. Her:
dQ - varmeændring;
T - absolut temperatur (den målt i Kelvin).
Et simpelt eksempel: Rør ved motorhjelmen på din bil, mens motoren kører. Det er han tydeligvisvarmere end miljøet. Men bilmotoren er ikke designet til at opvarme emhætten eller vandet i køleren. Ved at omdanne benzinens kemiske energi til termisk energi og derefter til mekanisk energi gør den nyttigt arbejde - den roterer akslen. Men det meste af den producerede varme går til spilde, da der ikke kan udvindes noget nyttigt arbejde fra det, og det, der flyver ud af udstødningsrøret, er på ingen måde benzin. I dette tilfælde går termisk energi tabt, men forsvinder ikke, men forsvinder (dissiperes). En varm emhætte køler selvfølgelig ned, og hver cyklus af cylindre i motoren tilføjer varme til den igen. Systemet har således en tendens til at nå termodynamisk ligevægt.
Funktioner ved entropi
Clausius udledte det generelle princip for termodynamikkens anden lov i formlen dS ≧ 0. Dens fysiske betydning kan defineres som entropiens "ikke-aftagende": i reversible processer ændres den ikke, i irreversible processer det stiger.
Det skal bemærkes, at alle virkelige processer er irreversible. Udtrykket "ikke-aftagende" afspejler kun det faktum, at en teoretisk mulig idealiseret version også indgår i betragtningen af fænomenet. Det vil sige, at mængden af utilgængelig energi i enhver spontan proces stiger.
Mulighed for at nå det absolutte nul
Max Planck ydede et seriøst bidrag til udviklingen af termodynamikken. Udover at arbejde med den statistiske fortolkning af den anden lov, tog han aktivt del i at postulere termodynamikkens tredje lov. Den første formulering tilhører W alter Nernst og henviser til 1906. Nernsts sætning betragteropførsel af et ligevægtssystem ved en temperatur, der har tendens til det absolutte nulpunkt. Termodynamikkens første og anden lov gør det umuligt at finde ud af, hvad entropien vil være under givne betingelser.
Når T=0 K, energien er nul, stopper systemets partikler kaotisk termisk bevægelse og danner en ordnet struktur, en krystal med en termodynamisk sandsynlighed lig med én. Det betyder, at entropi også forsvinder (nedenfor finder vi ud af, hvorfor dette sker). I virkeligheden gør det endda dette lidt tidligere, hvilket betyder, at afkøling af ethvert termodynamisk system, enhver krop til det absolutte nulpunkt er umulig. Temperaturen vil vilkårligt nærme sig dette punkt, men vil ikke nå det.
Perpetuum mobil: nej, selvom du virkelig vil
Clausius generaliserede og formulerede termodynamikkens første og anden lov på denne måde: Den samlede energi i ethvert lukket system forbliver altid konstant, og den samlede entropi stiger med tiden.
Den første del af denne erklæring pålægger et forbud mod evighedsmaskine af den første slags - en enhed, der virker uden tilstrømning af energi fra en ekstern kilde. Anden del forbyder også evighedsmaskinen af den anden slags. En sådan maskine ville overføre systemets energi til arbejde uden entropikompensation, uden at overtræde fredningsloven. Det ville være muligt at pumpe varme ud fra et ligevægtssystem, for eksempel at stege røræg eller hælde stål på grund af energien fra den termiske bevægelse af vandmolekyler og dermed afkøle det.
Termodynamikkens anden og tredje lov forbyder en evighedsmaskine af den anden slags.
Ak, intet kan fås fra naturen, ikke kun gratis, du skal også betale en kommission.
Heat Death
Der er få begreber i videnskaben, der forårsagede så mange tvetydige følelser, ikke kun blandt den brede offentlighed, men også blandt videnskabsmændene selv, så meget som entropi. Fysikere, og først og fremmest Clausius selv, ekstrapolerede næsten øjeblikkeligt loven om ikke-aftagende, først til Jorden og derefter til hele universet (hvorfor ikke, fordi det også kan betragtes som et termodynamisk system). Som et resultat begyndte en fysisk størrelse, et vigtigt element i beregninger i mange tekniske applikationer, at blive opfattet som legemliggørelsen af en form for universel ondskab, der ødelægger en lys og venlig verden.
Der er også sådanne meninger blandt videnskabsmænd: da entropi ifølge termodynamikkens anden lov vokser irreversibelt, før eller siden nedbrydes al universets energi til en diffus form, og "varmedød" vil komme. Hvad er der at være glad for? Clausius tøvede for eksempel i flere år med at offentliggøre sine resultater. Naturligvis vakte "varmedød"-hypotesen straks mange indvendinger. Der er alvorlig tvivl om dens rigtighed selv nu.
Sorter Daemon
I 1867 demonstrerede James Maxwell, en af forfatterne af den molekylær-kinetiske teori om gasser, i et meget visuelt (omend fiktivt) eksperiment det tilsyneladende paradoks i termodynamikkens anden lov. Oplevelsen kan opsummeres som følger.
Lad der være et fartøj med gas. Molekylerne i den bevæger sig tilfældigt, deres hastigheder er flereafvige, men den gennemsnitlige kinetiske energi er den samme i hele karret. Nu deler vi karret med en skillevæg i to isolerede dele. Den gennemsnitlige hastighed af molekylerne i begge halvdele af karret vil forblive den samme. Skillevæggen er bevogtet af en lillebitte dæmon, der tillader hurtigere, "varme" molekyler at trænge ind i en del, og langsommere "kolde" molekyler til en anden. Som et resultat vil gassen varme op i første halvdel og køle ned i anden halvdel, det vil sige, at systemet vil bevæge sig fra termodynamisk ligevægtstilstand til en temperaturpotentialforskel, hvilket betyder et fald i entropi.
Hele problemet er, at i eksperimentet foretager systemet ikke denne overgang spontant. Det modtager energi udefra, på grund af hvilken skillevæggen åbner og lukker, eller systemet inkluderer nødvendigvis en dæmon, der bruger sin energi på en portvagts pligter. Stigningen i dæmonens entropi vil mere end dække faldet i dens gas.
Ustyrlige molekyler
Tag et glas vand og lad det stå på bordet. Det er ikke nødvendigt at se glasset, det er nok at vende tilbage efter et stykke tid og kontrollere tilstanden af vandet i det. Vi vil se, at dets antal er faldet. Hvis du efterlader glasset i lang tid, vil der slet ikke blive fundet vand i det, da det hele vil fordampe. Allerede i begyndelsen af processen var alle vandmolekyler i et bestemt område af rummet begrænset af glassets vægge. I slutningen af eksperimentet spredte de sig ud i rummet. I rumfanget har molekyler meget større mulighed for at ændre deres placering uden nogenkonsekvenser for systemets tilstand. Der er ingen måde, vi kan samle dem i et loddet "kollektiv" og køre dem tilbage i et glas for at drikke vand med sundhedsmæssige fordele.
Dette betyder, at systemet har udviklet sig til en højere entropitilstand. Baseret på termodynamikkens anden lov er entropi eller spredningsprocessen af systemets partikler (i dette tilfælde vandmolekyler) irreversibel. Hvorfor er det det?
Clausius besvarede ikke dette spørgsmål, og det kunne ingen andre før Ludwig Boltzmann.
Makro og mikrostater
I 1872 introducerede denne videnskabsmand den statistiske fortolkning af termodynamikkens anden lov i videnskaben. De makroskopiske systemer, som termodynamikken beskæftiger sig med, er jo dannet af en lang række elementer, hvis adfærd overholder statistiske love.
Lad os vende tilbage til vandmolekyler. Flyver de tilfældigt rundt i rummet, de kan tage forskellige positioner, have nogle forskelle i hastigheder (molekyler kolliderer konstant med hinanden og med andre partikler i luften). Hver variant af tilstanden af et system af molekyler kaldes en mikrotilstand, og der er et stort antal af sådanne varianter. Når du implementerer langt de fleste muligheder, ændres systemets makrotilstand ikke på nogen måde.
Intet er ulovligt, men noget er meget usandsynligt
Den berømte relation S=k lnW forbinder antallet af mulige måder, hvorpå en bestemt makrotilstand i et termodynamisk system (W) kan udtrykkes med dets entropi S. Værdien af W kaldes den termodynamiske sandsynlighed. Den endelige form for denne formel blev givet af Max Planck. Koefficienten k, en ekstremt lille værdi (1,38×10−23 J/K), der karakteriserer forholdet mellem energi og temperatur, kaldte Planck Boltzmann-konstanten til ære for videnskabsmanden, der var først for at foreslå en statistisk fortolkning af den anden begyndelsen af termodynamikken.
Det er klart, at W altid er et naturligt tal 1, 2, 3, …N (der er ingen brøktal af måder). Så kan logaritmen W, og dermed entropien, ikke være negativ. Med den eneste mulige mikrotilstand for systemet bliver entropien lig nul. Hvis vi vender tilbage til vores glas, kan dette postulat repræsenteres som følger: vandmolekylerne, der tilfældigt susede rundt i rummet, vendte tilbage til glasset. Samtidig gentog hver nøjagtig sin vej og tog samme plads i glasset, som den var i før afgang. Intet forbyder implementeringen af denne mulighed, hvor entropien er lig nul. Bare vent på implementeringen af sådan en forsvindende lille sandsynlighed er ikke det værd. Dette er et eksempel på, hvad der kun kan gøres teoretisk.
Alt er blandet sammen i huset…
Så molekylerne flyver tilfældigt rundt i rummet på forskellige måder. Der er ingen regelmæssighed i deres arrangement, der er ingen orden i systemet, uanset hvordan du ændrer mulighederne for mikrotilstande, kan ingen forståelig struktur spores. Det var det samme i glasset, men på grund af den begrænsede plads ændrede molekylerne ikke deres position så aktivt.
Den kaotiske, uordnede tilstand af systemet som mestdet sandsynlige svarer til dets maksimale entropi. Vand i et glas er et eksempel på en lavere entropitilstand. Overgangen til det fra kaos jævnt fordelt i hele rummet er næsten umulig.
Lad os give et mere forståeligt eksempel for os alle - at rydde op i rod i huset. For at sætte alt på plads, skal vi også bruge energi. I processen med dette arbejde bliver vi varme (det vil sige, vi fryser ikke). Det viser sig, at entropi kan være nyttig. Dette er tilfældet. Vi kan sige endnu mere: entropi, og gennem den styrer termodynamikkens anden lov (sammen med energi) universet. Lad os tage et nyt kig på reversible processer. Sådan ville verden se ud, hvis der ikke var nogen entropi: ingen udvikling, ingen galakser, stjerner, planeter. Intet liv…
Lidt mere information om "varmedød". Der er gode nyheder. Da "forbudte" processer ifølge den statistiske teori faktisk er usandsynlige, opstår der fluktuationer i et termodynamisk ligevægtssystem - spontane overtrædelser af termodynamikkens anden lov. De kan være vilkårligt store. Når tyngdekraften indgår i det termodynamiske system, vil fordelingen af partikler ikke længere være kaotisk ensartet, og tilstanden af maksimal entropi vil ikke blive nået. Derudover er universet ikke uforanderligt, konstant, stationært. Derfor er selve formuleringen af spørgsmålet om "varmedød" meningsløs.
