Termodinamika as 'n onafhanklike tak van fisiese wetenskap het in die eerste helfte van die 19de eeu ontstaan. Die era van masjiene het aangebreek. Die industriële rewolusie het die studie en begrip van die prosesse geassosieer met die werking van hitte-enjins vereis. Met die aanbreek van die masjien-era kon eensame uitvinders dit bekostig om slegs intuïsie en die "poke-metode" te gebruik. Daar was geen openbare orde vir ontdekkings en uitvindings nie, dit kon nie eers by enigiemand opkom dat dit nuttig kon wees nie. Maar toe termiese (en 'n bietjie later, elektriese) masjiene die basis van produksie word, het die situasie verander. Wetenskaplikes het uiteindelik die terminologiese verwarring wat tot die middel van die 19de eeu geheers het, geleidelik uitgesorteer, en besluit wat om energie te noem, watter krag, watter impuls.
Wat termodinamika postuleer
Kom ons begin met algemene kennis. Klassieke termodinamika is gebaseer op verskeie postulate (beginsels) wat agtereenvolgens deur die 19de eeu ingevoer is. Dit wil sê, hierdie bepalings is niedaarin bewysbaar. Hulle is geformuleer as gevolg van veralgemening van empiriese data.
Die eerste wet is die toepassing van die wet van behoud van energie op die beskrywing van die gedrag van makroskopiese sisteme (bestaande uit 'n groot aantal deeltjies). Kortliks kan dit soos volg geformuleer word: die voorraad interne energie van 'n geïsoleerde termodinamiese sisteem bly altyd konstant.
Die betekenis van die tweede wet van termodinamika is om die rigting te bepaal waarin prosesse in sulke stelsels verloop.
Die derde wet laat jou toe om so 'n hoeveelheid soos entropie akkuraat te bepaal. Oorweeg dit in meer besonderhede.
Die konsep van entropie
Die formulering van die tweede wet van termodinamika is in 1850 deur Rudolf Clausius voorgestel: "Dit is onmoontlik om spontaan hitte van 'n minder verhitte liggaam na 'n warmer een oor te dra." Terselfdertyd het Clausius die meriete van Sadi Carnot beklemtoon, wat reeds in 1824 vasgestel het dat die proporsie energie wat in die werk van 'n hitte-enjin omgeskakel kan word, slegs afhang van die temperatuurverskil tussen die verwarmer en die yskas.
In verdere ontwikkeling van die tweede wet van termodinamika, stel Clausius die konsep van entropie bekend - 'n maatstaf van die hoeveelheid energie wat onomkeerbaar verander in 'n vorm wat nie geskik is vir omskakeling in werk nie. Clausius het hierdie waarde uitgedruk deur die formule dS=dQ/T, waar dS die verandering in entropie bepaal. Hier:
dQ - hitteverandering;
T - absolute temperatuur (die een gemeet in Kelvin).
'n Eenvoudige voorbeeld: raak aan die enjinkap van jou motor met die enjin aan die gang. Hy is duidelikwarmer as die omgewing. Maar die motorenjin is nie ontwerp om die enjinkap of die water in die verkoeler te verhit nie. Deur die chemiese energie van petrol in termiese energie om te skakel, en dan in meganiese energie, doen dit nuttige werk – dit draai die as. Maar die meeste van die hitte wat geproduseer word, word vermors, aangesien geen nuttige werk daaruit gehaal kan word nie, en wat by die uitlaatpyp uitvlieg, is geensins petrol nie. In hierdie geval gaan termiese energie verlore, maar verdwyn nie, maar dissipeer (dissipeer).’n Warm kappie koel natuurlik af, en elke siklus van silinders in die enjin voeg weer hitte by. Die stelsel is dus geneig om termodinamiese ewewig te bereik.
Kenmerke van entropie
Clausius het die algemene beginsel vir die tweede wet van termodinamika afgelei in die formule dS ≧ 0. Die fisiese betekenis daarvan kan gedefinieer word as die "nie-afnemende" van entropie: in omkeerbare prosesse verander dit nie, in onomkeerbare prosesse dit neem toe.
Daar moet kennis geneem word dat alle werklike prosesse onomkeerbaar is. Die term "nie-afnemend" weerspieël slegs die feit dat 'n teoreties moontlike geïdealiseerde weergawe ook by die oorweging van die verskynsel ingesluit is. Dit wil sê, die hoeveelheid onbeskikbare energie in enige spontane proses neem toe.
moontlikheid om absolute nul te bereik
Max Planck het 'n ernstige bydrae tot die ontwikkeling van termodinamika gemaak. Benewens die werk aan die statistiese interpretasie van die tweede wet, het hy aktief deelgeneem aan die postuleer van die derde wet van termodinamika. Die eerste formulering behoort aan W alter Nernst en verwys na 1906. Nernst se stelling beskougedrag van 'n ewewigstelsel by 'n temperatuur wat na absolute nul neig. Die eerste en tweede wette van termodinamika maak dit onmoontlik om uit te vind wat die entropie onder gegewe toestande sal wees.
Wanneer T=0 K, die energie nul is, stop die deeltjies van die stelsel chaotiese termiese beweging en vorm 'n geordende struktuur, 'n kristal met 'n termodinamiese waarskynlikheid gelyk aan een. Dit beteken dat entropie ook verdwyn (hieronder sal ons uitvind hoekom dit gebeur). In werklikheid doen dit dit selfs 'n bietjie vroeër, wat beteken dat die afkoeling van enige termodinamiese stelsel, enige liggaam tot absolute nul onmoontlik is. Die temperatuur sal arbitrêr hierdie punt nader, maar sal dit nie bereik nie.
Perpetuum-selfoon: nee, al wil jy regtig
Clausius het die eerste en tweede wette van termodinamika op hierdie manier veralgemeen en geformuleer: die totale energie van enige geslote sisteem bly altyd konstant, en die totale entropie neem toe met tyd.
Die eerste deel van hierdie verklaring stel 'n verbod op die ewigdurende beweging-masjien van die eerste soort - 'n toestel wat wel werk sonder 'n invloei van energie van 'n eksterne bron. Die tweede deel verbied ook die ewigdurende bewegingsmasjien van die tweede soort. So 'n masjien sal die energie van die stelsel in werk oordra sonder entropievergoeding, sonder om die bewaringswet te oortree. Dit sou moontlik wees om hitte uit 'n ewewigstelsel uit te pomp, byvoorbeeld om roereier te braai of staal te gooi as gevolg van die energie van die termiese beweging van watermolekules, om dit sodoende af te koel.
Die tweede en derde wette van termodinamika verbied 'n ewigdurende bewegingsmasjien van die tweede soort.
Ai, niks kan uit die natuur verkry word nie, nie net gratis nie, jy moet ook 'n kommissie betaal.
Heat Death
Daar is min konsepte in die wetenskap wat soveel dubbelsinnige emosies veroorsaak het, nie net onder die algemene publiek nie, maar ook onder die wetenskaplikes self, soveel as entropie. Fisici, en eerstens Clausius self, het die wet van nie-afnemend feitlik onmiddellik geëkstrapoleer, eers na die Aarde, en toe na die hele Heelal (hoekom nie, want dit kan ook as 'n termodinamiese stelsel beskou word). Gevolglik het 'n fisiese hoeveelheid, 'n belangrike element van berekeninge in baie tegniese toepassings, begin beskou word as die beliggaming van 'n soort universele Bose wat 'n helder en vriendelike wêreld vernietig.
Daar is ook sulke menings onder wetenskaplikes: aangesien, volgens die tweede wet van termodinamika, entropie onomkeerbaar groei, degradeer al die energie van die Heelal vroeër of later in 'n diffuse vorm, en sal "hitte-dood" kom. Wat is daar om oor bly te wees? Clausius het byvoorbeeld vir etlike jare gehuiwer om sy bevindinge te publiseer. Natuurlik het die “hittedood”-hipotese dadelik baie besware ontlok. Daar is selfs nou ernstige twyfel oor die korrektheid daarvan.
Sorter Daemon
In 1867 het James Maxwell, een van die skrywers van die molekulêr-kinetiese teorie van gasse, in 'n baie visuele (hoewel fiktiewe) eksperiment die skynbare paradoks van die tweede wet van termodinamika gedemonstreer. Die ervaring kan soos volg opgesom word.
Laat daar 'n vaartuig met gas wees. Die molekules daarin beweeg ewekansig, hul snelhede is verskeieverskil, maar die gemiddelde kinetiese energie is dieselfde regdeur die vaartuig. Nou verdeel ons die houer met 'n afskorting in twee geïsoleerde dele. Die gemiddelde snelheid van die molekules in beide helftes van die houer sal dieselfde bly. Die afskorting word bewaak deur 'n klein demoon wat vinniger, "warm" molekules toelaat om een deel binne te dring, en stadiger "koue" molekules na 'n ander. As gevolg hiervan sal die gas in die eerste helfte verhit en in die tweede helfte afkoel, dit wil sê, die stelsel sal van die toestand van termodinamiese ewewig na 'n temperatuurpotensiaalverskil beweeg, wat 'n afname in entropie beteken.
Die hele probleem is dat in die eksperiment die stelsel nie hierdie oorgang spontaan maak nie. Dit ontvang energie van buite, waardeur die afskorting oop- en toemaak, of die stelsel sluit noodwendig 'n demoon in wat sy energie op die pligte van 'n hekwagter bestee. Die toename in die entropie van die demoon sal meer as die afname in sy gas dek.
Onbeheerste molekules
Neem 'n glas water en los dit op die tafel. Dit is nie nodig om na die glas te kyk nie, dit is genoeg om na 'n rukkie terug te keer en die toestand van die water daarin na te gaan. Ons sal sien dat sy getal afgeneem het. As jy die glas vir 'n lang tyd los, sal daar glad nie water in gevind word nie, aangesien dit alles sal verdamp. Heel aan die begin van die proses was alle watermolekules in 'n sekere area van die ruimte wat deur die glaswande beperk is. Aan die einde van die eksperiment het hulle deur die vertrek gestrooi. In die volume van 'n kamer het molekules baie meer geleentheid om hul ligging te verander sonder enigegevolge vir die toestand van die stelsel. Daar is geen manier waarop ons hulle in 'n gesoldeerde "kollektief" kan versamel en hulle in 'n glas kan terugdryf om water met gesondheidsvoordele te drink nie.
Dit beteken dat die stelsel na 'n hoër entropie-toestand ontwikkel het. Gebaseer op die tweede wet van termodinamika, entropie, of die proses van verspreiding van die deeltjies van die sisteem (in hierdie geval, watermolekules) is onomkeerbaar. Hoekom is dit?
Clausius het nie hierdie vraag beantwoord nie, en niemand anders kon voor Ludwig Boltzmann nie.
Makro en mikrostate
In 1872 het hierdie wetenskaplike die statistiese interpretasie van die tweede wet van termodinamika in die wetenskap bekendgestel. Die makroskopiese sisteme waarmee termodinamika handel, word immers gevorm deur 'n groot aantal elemente wie se gedrag statistiese wette gehoorsaam.
Kom ons keer terug na watermolekules. As hulle lukraak deur die kamer vlieg, kan hulle verskillende posisies inneem, 'n paar verskille in spoed hê (molekules bots voortdurend met mekaar en met ander deeltjies in die lug). Elke variant van die toestand van 'n stelsel van molekules word 'n mikrotoestand genoem, en daar is 'n groot aantal sulke variante. Wanneer die oorgrote meerderheid opsies geïmplementeer word, sal die makrotoestand van die stelsel op geen manier verander nie.
Niks is buite perke nie, maar iets is hoogs onwaarskynlik
Die bekende verhouding S=k lnW verbind die aantal moontlike maniere waarop 'n sekere makrotoestand van 'n termodinamiese sisteem (W) met sy entropie S uitgedruk kan word. Die waarde van W word die termodinamiese waarskynlikheid genoem. Die finale vorm van hierdie formule is deur Max Planck gegee. Die koëffisiënt k, 'n uiters klein waarde (1.38×10−23 J/K) wat die verhouding tussen energie en temperatuur kenmerk, het Planck die Boltzmann-konstante genoem ter ere van die wetenskaplike wat die eerstens om 'n statistiese interpretasie van die tweede die begin van termodinamika voor te stel.
Dit is duidelik dat W altyd 'n natuurlike getal 1, 2, 3, …N is (daar is geen breukgetal van maniere nie). Dan kan die logaritme W, en dus die entropie, nie negatief wees nie. Met die enigste moontlike mikrotoestand vir die stelsel word die entropie gelyk aan nul. As ons terugkeer na ons glas, kan hierdie postulaat soos volg voorgestel word: die watermolekules, wat lukraak deur die kamer skarrel, het teruggekeer na die glas. Terselfdertyd het elkeen presies sy pad herhaal en dieselfde plek ingeneem in die glas waarin dit voor vertrek was. Niks verbied die implementering van hierdie opsie, waarin die entropie gelyk is aan nul nie. Wag net vir die implementering van so 'n verdwynende klein waarskynlikheid is nie die moeite werd nie. Dit is een voorbeeld van wat net teoreties gedoen kan word.
Alles is deurmekaar in die huis…
So die molekules vlieg lukraak op verskillende maniere deur die kamer. Daar is geen reëlmaat in hul rangskikking nie, daar is geen orde in die stelsel nie, maak nie saak hoe jy die opsies vir mikrostate verander nie, geen verstaanbare struktuur kan opgespoor word nie. Dit was dieselfde in die glas, maar weens die beperkte spasie het die molekules nie so aktief hul posisie verander nie.
Die chaotiese, wanordelike toestand van die stelsel as die meesdie waarskynlike stem ooreen met sy maksimum entropie. Water in 'n glas is 'n voorbeeld van 'n laer entropietoestand. Die oorgang daarna van die chaos wat eweredig deur die vertrek versprei is, is amper onmoontlik.
Kom ons gee 'n meer verstaanbare voorbeeld vir ons almal - om die gemors in die huis op te ruim. Om alles op sy plek te plaas, moet ons ook energie spandeer. In die proses van hierdie werk word ons warm (dit wil sê ons vries nie). Dit blyk dat entropie nuttig kan wees. Dit is die geval. Ons kan selfs meer sê: entropie, en daardeur beheer die tweede wet van termodinamika (saam met energie) die heelal. Kom ons kyk weer na omkeerbare prosesse. Dit is hoe die wêreld sou lyk as daar geen entropie was nie: geen ontwikkeling, geen sterrestelsels, sterre, planete nie. Geen lewe…
'n Bietjie meer inligting oor "hittedood". Daar is goeie nuus. Aangesien "verbode" prosesse volgens die statistiese teorie in werklikheid onwaarskynlik is, ontstaan fluktuasies in 'n termodinamiese ewewigstelsel - spontane oortredings van die tweede wet van termodinamika. Hulle kan arbitrêr groot wees. Wanneer swaartekrag by die termodinamiese stelsel ingesluit word, sal die verspreiding van deeltjies nie meer chaoties uniform wees nie, en die toestand van maksimum entropie sal nie bereik word nie. Daarbenewens is die Heelal nie onveranderlik, konstant, stilstaande nie. Daarom is die formulering van die vraag van "hittedood" betekenisloos.
