Druhý zákon termodynamiky: definice, význam, historie

Termodynamika jako samostatná větev tělesné vědy vznikla v první polovině XIX. Století. Stála věk automobilů. Průmyslová revoluce vyžaduje studium a pochopení procesů spojených s provozem tepelných motorů. Na počátku věku stroje mohli jediní vynálezci dovolit používat pouze intuici a "metodu poke". Nebyl nalezen veřejný pořádek pro objevy a vynálezy, nikdy nikomu nenapadlo, že by mohli být užitečné. Ale když se tepelné (a později elektrické) stroje staly základem výroby, situace se změnila. Vědci konečně postupně pochopili terminologický zmatek, který převládal až do poloviny XIX. Století, určil, co nazvat energií, jaká je síla, co - impuls.

Co postuluje termodynamiku

Začněme obecně známými informacemi. Klasická termodynamika je založena na několika postulátech (principech), které byly důsledně zavedeny v průběhu století XIX. To znamená, že tato ustanovení nejsou ve svém rámci prokazatelná. Byly formulovány jako důsledek zobecnění empirických dat.

Prvním principem je aplikace práva zachování energie na popis chování makroskopických systémů (sestávající z velkého počtu částic). Stručně řečeno, může být formulováno takto: rezerva vnitřní energie izolovaného termodynamického systému zůstává vždy konstantní.

Významem druhého zákona termodynamiky je určení směru, v němž probíhají procesy v takových systémech.

Třetí princip nám umožňuje přesně určit takovou hodnotu jako je entropie. Zvažme to podrobněji.

Koncept entropie

Formulace druhého termodynamického zákona navrhla Rudolf Clausius v roce 1850: "Spontánní přechod tepla z méně ohřátého těla na ohřívanější je nemožný." Zároveň Clausius zdůraznil zásluhu Sadi Carnota, který v roce 1824 zjistil, že podíl energie, který lze přeměnit na provoz tepelného motoru, závisí pouze na teplotním rozdílu mezi ohřívačem a chladničkou.

Při dalším vývoji druhého termodynamického zákona Clausius zavádí koncept entropie, míru množství energie, která nevratně přechází do formy nevhodného pro práci. Clausius vyjádřil tuto hodnotu podle vzorce dS = dQ / T, kde dS, který určuje změnu entropie. Zde:

dQ je změna v tepelně-

T je absolutní teplota (ta je měřená v Kelvinu).

Jednoduchý příklad: dotáhněte kapotu vašeho vozu při běžícím motoru. Je jasně teplejší než prostředí. Ale motor auta není určen k ohřevu kapoty nebo vody v chladiči. Přeměnou chemické energie benzinu na tepelnou energii a pak na mechanickou energii provádí užitečnou práci - otáčí hřídel. Většina vyráběného tepla se však ztrácí, protože z něj nelze vyčerpat žádnou užitečnou práci a skutečnost, že opouští výfukové potrubí, není v žádném případě benzín. Zároveň dochází ke ztrátě tepelné energie, ale nezmizí, ale rozptýlí (rozptýlí se). Horká kapuce samozřejmě ochlazuje a každý cyklus válců v motoru opět dodává teplo. Takže systém má tendenci dosáhnout termodynamické rovnováhy.

Funkce entropie

Clausius odvodil obecný princip pro druhý termodynamický zákon ve vzorci dS ge-0. Jeho fyzický význam lze definovat jako "nekonečnou" entropii: v reverzibilních procesech se nemění, v nevratných procesech se zvyšuje.

Je třeba poznamenat, že všechny skutečné procesy jsou nezvratné. Termín "neredukující" odráží pouze skutečnost, že teoreticky možná idealizovaná varianta je také zahrnutá do úvahy tohoto jevu. To znamená, že množství nepřístupné energie v jakémkoli spontánním procesu se zvyšuje.

Schopnost dosáhnout absolutní nuly

Max Planck významně přispěl k rozvoji termodynamiky. Kromě práce na statistické interpretaci druhého principu se aktivně podílel na postulování třetího zákona termodynamiky. První formulace patří Walter Nernst a odkazuje se na 1906. Nernstova věta zvažuje chování rovnovážného systému při teplotě, která má absolutní nulu. První a druhé principy termodynamiky neposkytují příležitost zjistit, jaké entropie bude za těchto podmínek.

Při T ​​= 0 K je energie nula, částice systému zastavují chaotické tepelné pohyby a vytvářejí uspořádanou strukturu, krystal s termodynamickou pravděpodobností rovnou jednotě. Takže entropie se také změní na nulu (níže víme, proč se to stane). Ve skutečnosti to dokonce dělá to poněkud dříve, z čehož vyplývá, že chlazení jakéhokoli termodynamického systému, jakéhokoliv těla na absolutní nulu je nemožné. Teplota se libovolně blíží k tomuto bodu, ale nedosáhne.

Perpetuum-mobile: nemůžete, i když opravdu chcete

Clausius generalizoval a formuloval první a druhý princip termodynamiky tímto způsobem: celková energie každého uzavřeného systému zůstává vždy konstantní a celková entropie se s časem zvyšuje.

První část tohoto prohlášení ukládá zákaz věčného pohybu prvního druhu - zařízení, které pracuje bez přílivu energie z vnějšího zdroje. Druhá část je také zakázána věčným pohybem druhého druhu. Takový stroj by přeměnil energii systému do práce bez kompenzace entropie, aniž by porušil zákon o ochraně. Bylo by možné odčerpat teplo z rovnovážného systému, například smažených vajec nebo lité oceli na úkor energie tepelného pohybu molekul vody a zároveň ji ochladit.

Druhý a třetí princip termodynamiky zakazují věčný pohyb druhého druhu.

Bohužel, příroda nemůže nic dostat, nejen za nic, ale musíte zaplatit i provizi.

"Termální smrt"

Existuje jen málo konceptů ve vědě, které způsobily tolik nejednoznačných emocí nejen mezi širokou veřejností, ale také mezi vědci samotnými, stejně jako entropií. Fyzika, a hlavně sám Clausius, téměř okamžitě extrapolovat zákon nondecrease nejprve na zem, a pak se celý vesmír (proč ne, protože to může být také považována termodynamický systém). V důsledku toho je fyzikální veličina, která je důležitým prvkem výpočtu v mnoha technických aplikací začal být vnímán jako ztělesnění univerzální zla, destruktivní světlo a laskavým světem.

Existují názory, mezi vědci, kteří se od té doby, podle druhého termodynamického zákona, entropie nevratně zvyšuje, dříve či později, veškerá energie vesmíru je degradován v disperzní formě, a pak přijde „tepelné smrti“. K čemu se může radovat? Clausius se například neodvažoval zveřejňovat své závěry již několik let. Samozřejmě, hypotéza o "smrtelné smrti" okamžitě způsobila mnoho námitek. Existují vážné pochybnosti o jeho správnosti i nyní.

Daemon Sorter

V roce 1867, James Maxwell, jeden z autorů molekulárně-kinetická teorie plynů, ve velmi vizuální (i když fiktivní) experiment demonstroval zjevný paradoxní povahu druhého termodynamického zákona. Stručně řečeno, zkušenosti lze shrnout takto.

Nechte plavidlo s plynem. Molekuly v něm se pohybují chaoticky, jejich rychlosti jsou poněkud odlišné, ale průměrná kinetická energie je stejná v celé nádobě. Nyní rozdělte nádobu na přepážku na dvě samostatné části. Průměrná rychlost molekul v obou částech nádoby zůstává stejná. Obrazovka je chráněna malým démonem, který umožňuje rychlejším, "horkým" molekulám proniknout do jedné části a pomaleji "studené" k jiné. Výsledkem je, že v první polovině se plyn zahřívá, ve druhé polovině ochladí, tj. Ze stavu termodynamické rovnováhy systém přechází na rozdíl teplotních potenciálů, což znamená pokles entropie.

Celý problém spočívá v tom, že systém v tomto experimentu nečiní tento přechod spontánně. Obdrží od vnější energie, skrze kterou se přepážka otevírá a zavírá, nebo systém nutně zahrnuje démona, který vynakládá energii na plnění povinností vrátného. Zvýšení entropie démona bude s přebytkem pokrývat jeho pokles v plynu.

Nespecifické molekuly

Vezměte si sklenici vody a nechte ji na stole. Není nutné sledovat sklo, stačí se po chvíli vrátit a zkontrolovat stav vody v ní. Uvidíme, že jeho množství kleslo. Pokud opouštíte sklo dlouho, nebude vůbec ukazovat žádnou vodu, protože se úplně vypaří. Na samém začátku procesu byly všechny molekuly vody v ohraničené stěně sklenice prostoru vesmíru. Na konci experimentu letěli po celém pokoji. V objemu místnosti molekuly mají mnohem více příležitostí změnit své umístění bez jakýchkoli následků na stav systému. Nemůžeme je shromáždit ve spájeném "kolektivu" a odvézt je zpátky do sklenky, abychom mohli pití vody s dobrým zdravotním stavem.

To znamená, že systém se vyvinul do stavu s vyšší entropií. Počínaje druhým zákonem termodynamiky je entropie nebo proces rozptýlení částic v systému (v tomto případě molekuly vody) nevratný. Proč je to tak?

Clausius na tuto otázku neodpověděl a před Ludwigem Boltzmannem to nikdo jiný neudělal.

Makro a mikrostoty

V roce 1872 uvedl tento vědec do vědy statistickou interpretaci druhého zákona termodynamiky. Koneckonců, makroskopické systémy, s nimiž se termodynamika zabývá, jsou tvořeny velkým počtem prvků, jejichž chování se řídí statistickými zákony.

Vraťme se k molekulám vody. Chaotické létání po místnosti, mohou zaujmout různé polohy, mají určité rozdíly ve rychlostech (molekuly se neustále srazí navzájem as jinými částicemi ve vzduchu). Každá varianta stavu systému molekul se nazývá mikrostate a existuje mnoho takových variant. Při provádění většiny možností se makro stav systému nijak nezmění.

Nic není zakázáno, ale něco je velmi nepravděpodobné

Známý vztah S = k LNW váže řadu možných způsobů, jak můžeme vyjádřit určité macrostate termodynamického systému (W), s jeho entropie S. se hodnota W nazývá termodynamická pravděpodobnost. Finální podobu tohoto vzorce získal Max Planck. Koeficient k je extrémně malá hodnota (1,38 × 10^minus-23 J / K), který charakterizuje vztah mezi energií a teplotou, Planck volal Boltzmannovu konstantu na počest vědce, který nejprve navrhl statistickou interpretaci druhého zákona termodynamiky.

Je zřejmé, že W je vždy přirozené číslo 1, 2, 3, hellip-N (neexistuje žádný zlomek způsobů). Pak logaritmus W, a tudíž entropie, nemůže být negativní. S jediným možným mikrostatem pro systém se entropie stává nulovým. Pokud se vrátíme k našemu sklu, může být tento postulát prezentován následujícím způsobem: molekuly vody, které se náhodně rozběhly po místnosti, se vrátily ke sklu. V tomto případě každý z nich přesně zopakoval svou cestu a udělal to stejné místo ve skle, ve kterém byl před odjezdem. Nic nebrání implementaci této možnosti, v níž je entropie nulová. Jen počkat na zavedení takové zanedbatelně malé pravděpodobnosti nestojí za to. To je jeden příklad toho, co lze udělat teoreticky.

Všechno bylo smícháno v domě -

Takže molekuly náhodně letí kolem místnosti různými způsoby. V jejich umístění není žádný vzor, ​​v systému není žádný pořadí, bez ohledu na to, jak se změní změny mikrostátů, nelze vysledovat souvislou strukturu. Sklo bylo stejné, ale kvůli omezenému prostoru molekuly změnily svou pozici ne tak aktivně.

Chaotický, neuspořádaný stav systému jako nejpravděpodobnější odpovídá jeho maximální entropii. Voda ve skle je příkladem dolní entropie. Přechod k chaosu, který je rovnoměrně rozložen po celé místnosti, je prakticky nerealizovatelný.

Poskytneme nám srozumitelnější příklad pro nás všechny - vyčištění nepořádek v domě. Aby vše bylo v pořádku, musíme také vynaložit energii. V průběhu této práce se horko (to znamená, že nemrzne). Ukazuje se, že entropie může mít prospěch. To je tak. Dá se říci ještě více: entropie, a tím druhým zákonem termodynamiky (spolu s energií) řídí vesmír. Podívejme se znovu na reverzibilní procesy. Takže svět by vypadal, kdyby nebyla žádná entropie: žádný vývoj, žádné galaxie, hvězdy, planety. Žádný život ...

Trochu víc informací o "smrtelné smrti". Je dobrá zpráva. Vzhledem k tomu, že podle statistické teorie jsou "zakázané" procesy ve skutečnosti nepravděpodobné, dochází k výkyvům v termodynamicky rovnovážném systému - spontánním porušování druhého zákona termodynamiky. Mohou být libovolně velké. Se zahrnutím gravitace do termodynamického systému nebude distribuce částic už chaoticky jednotná a stav maximální entropie nebude dosažen. Kromě toho vesmír není konstantní, trvalý, stacionární. V důsledku toho samotná formulace otázky "tepelné smrti" nemá smysl.