Другий початок термодинаміки – доповідь

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

Ентропія

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.

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.

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.

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.

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 ».

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 замкнутої сістемеВторое початок 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

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.

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.

Посилання на основну публікацію