Po drugie, podstawy termodynamiki: definicja, znaczenie, historia

Termodynamika jako samodzielna sekcja fizycznej nauki powstała w pierwszej połowie XIX wieku. Przyszedł wiek maszyn. Rewolucja przemysłowa domagała się poznać i zrozumieć procesy związane z funkcjonowaniem silników cieplnych. Na początku prać ery wynalazcy samotni mogli sobie pozwolić tylko intuicji i «metoda spear». Nie było publicznego zamówienia na odkrycia i wynalazki, nikomu nawet do głowy nie mogło przyjść, że mogą one być przydatne. Ale gdy ciepła (a trochę później i elektryczne) maszyny stały się podstawą produkcji, sytuacja się zmieniła. Naukowcy w końcu zorientowali się stopniowo z technicznego dezorientacja, panującej do połowy XIX wieku, po określeniu, co nazywać energią, że siłą, że impulsem.

Że postulaty termodynamika

Zacznijmy od powszechnie znanych informacji. Klasyczna termodynamika opiera się na kilku postulatach (zasadach), konsekwentnie wprowadzony na przestrzeni XIX wieku. Czyli przepisy te nie są доказуемыми w jej ramach. Zostały one sformułowane w wyniku generalizacji empirycznych danych.

Pierwszy start – jest to aplikacja, prawa zachowania energii do opisu zachowania makroskopowych systemów (składających się z dużej liczby cząstek). Krótko można je sformułować tak: zapas energii wewnętrznej obszaru termodynamicznej układu pozostaje stały.

Sens drugiego początku termodynamiki składa się w określeniu kierunku, w którym przebiegają procesy w takich systemach.

Po Trzecie początek pozwala dokładnie ustalić taką wartość, jak entropia. Przyjrzyjmy się jej więcej.

Pojęcie entropii

Sformułowanie drugiego początku termodynamiki została zaoferowana w 1850 roku Przez rudolfa Клаузиусом: «nie jest Możliwa самопроизвольный przejście ciepła od mniej ogrzanego ciała do bardziej нагретому». Przy tym Клаузиус podkreślał zasługi Sadi Carnot, jeszcze w 1824 r., które ustanawia, że część energii, która może być przekształcona w pracę cieplnej maszyny, zależy tylko od różnicy temperatur grzejnika i lodówki.

Bardziej:

Główne etapy rozwoju psychiki w филогенезе

Rozwój psychiki w филогенезе charakteryzuje się kilkoma etapami. Rozważmy dwie główne historie związane z tym procesem.Филогенез - to historyczny rozwój, obejmującego miliony lat ewolucji, historię rozwoju różnych gatunków organizmów żywych.Ontogenez...

Co to jest gronkowiec i metody jego leczenia

Wielu w swoim życiu miał do czynienia z zakażeniem gronkowca. Dlatego konieczne jest posiadanie pełnej informacji o tej chorobie, aby w pełni zrozumieć, co dzieje się w organizmie. Więc co to jest gronkowiec? To bakterie, lub jedną z ich odmian, z kt...

Co studiuje morfologia

 Przed podjęciem się, że studiuje morfologia, należy zauważyć, że sam studiuje ten dział gramatyki. Tak, morfologia studiuje słowo jako część mowy, a także sposoby jego edukacji, jego formy, struktury i gramatyki wartości, a także poszczególne j...

Podczas dalszego rozwoju drugiego początku termodynamiki Клаузиус wprowadza pojęcie entropii - środki ilości energii, która nieodwracalnie przechodzi w formę, nie nadaje się do traktowania w pracy. Клаузиус wyraził tę wielkość wzoru: dS = dQ/T, gdzie dS, decydująca zmiana entropii. Tu:

DQ - zmiana ciepła;

T – temperatura bezwzględna (ta sama, która jest mierzona w stopniach kelvina).

Prosty przykład: dotknij maskę samochodu przy włączonym silniku. On wyraźnie cieplej środowiska. Ale przecież silnik samochodu nie jest przeznaczony do tego, aby ogrzewać maskę lub wodę w chłodnicy. Przetwarzając energię chemiczną paliwa w cieplną, a następnie w mechaniczną, on wykonuje pożyteczną pracę ó obraca się wał. Ale duża część produkowane ciepła jest tracona, ponieważ żadnej użytecznej pracy z niego wydobyć nie może, a to, co wylatuje z rury wydechowej, już w żaden sposób benzyną nie jest. Przy tym energia cieplna jest stracone, ale nie znika, a jest rozpraszana (диссипирует). Gorący maskę, oczywiście, stygnie, a każdy cykl cylindrów w silniku ponownie dodaje mu ciepło. W ten sposób system dąży do osiągnięcia równowagi termodynamicznej.

Cechy entropii

Клаузиус wyprowadził ogólna zasada dla drugiego początku termodynamiki w formule dS ≥ 0. Fizyczny sens można ją określić, jako "неубывание" entropii: w odwracalnych procesach ona się nie zmienia, w nieodwracalnych zmian w stanie zdrowia - zwiększa się.

Należy zauważyć, że wszystkie rzeczywiste procesy są nieodwracalne. Termin óнеубывание» odzwierciedla jedynie fakt, że w rozważanie zjawiska jest włączony oraz teoretycznie możliwa wyidealizowany opcja. Czyli ilość dostępna energii w każdym spontaniczne procesie wzrasta.

Możliwość osiągnięcia zera absolutnego

Max Planck wniósł poważny wkład w rozwój termodynamiki. Oprócz pracy nad statystycznej interpretacji drugiego początku, wziął czynny udział w постулировании trzeciego początku termodynamiki. Pierwsza sformułowanie należy do Waltera Нернсту i odnosi się do 1906 roku. Twierdzenie Nernsta rozważa zachowanie równowagi systemu w temperaturze, dążącej do zera absolutnego. Pierwsze i drugie początku termodynamiki nie dają możliwości dowiedzieć się, jaka będzie entropia w danych warunkach.

W temperaturze T = 0 K energia jest równa zero, cząstki systemu przestają chaotyczne ruchy cieplne i tworzą uporządkowane struktury, kryształ termodynamicznej z prawdopodobieństwem równym jedności. To znaczy, że entropia też przemawia na zero (poniżej dowiemy się, dlaczego tak się dzieje). W rzeczywistości jest nawet sprawia, że jest to nieco wcześniej, z czego wynika, że chłodzenie każdy termodynamicznej układu dowolnego ciała do absolutnego zera jest niemożliwe. Temperatura będzie dowolnie zbliżać się do tego punktu, ale nie zlikwiduje go.

Podobne ruchome urządzenie-mobile: nie można, nawet jeśli się bardzo chce

Клаузиус podsumować i sformułował pierwsze i drugie początku termodynamiki w ten sposób: pełna energia każdego zamkniętego systemu zawsze pozostaje stała, a całkowita entropia wzrasta z upływem czasu.

Pierwsza część tego stwierdzenia nakłada zakaz wieczny silnik pierwszego rodzaju – urządzenie, dokonująca pracę bez dopływu energii z zewnętrznego źródła. Drugaczęść zabrania i wieczny silnik drugiego rodzaju. Taka maszyna tłumaczyła by energię systemu w pracy bez энтропийной odszkodowania, nie łamiąc prawa zachowania. Można było pompować ciepło z równowagi systemu, na przykład, smażyć jajecznicę lub lać stal kosztem energii ruchu cieplnego cząsteczek wody, chłodząc ją przy tym.

Drugie i trzecie początku termodynamiki zabraniają wieczny silnik drugiego rodzaju.

Niestety, z natury nic nie można uzyskać nie tylko za darmo, trzeba jeszcze prowizję zapłacić.

«śmierć Cieplna»

Niewiele znajdzie się w nauce pojęć, które wywoływały tyle niejednoznacznych emocji nie tylko wśród publiczności, ale i w środowisku samych naukowców, ile musiałem na udział entropii. Fizyki, a przede wszystkim sam Клаузиус, niemal natychmiast экстраполировали prawo неубывания najpierw na Ziemi, a następnie na cały Świat (dlaczego nie, przecież ją też można uznać za termodynamicznej system). W rezultacie wielkość fizyczna, ważny element obliczeń w wielu zastosowaniach technicznych, zaczęła być postrzegana jako uosobienie pewnego uniwersalnego Zła, niszcząc jasny i dobry świat.

W środowisku naukowców są i takie opinie: ponieważ, według drugiego początku termodynamiki, entropia nieodwracalnie rośnie, prędzej czy później cała energia Wszechświata rozkłada się w rozproszonych źródeł kształt, i nastanie «śmierć cieplna». Czego tu się cieszyć? Клаузиус, na przykład, kilka lat nie odważył się na publikację swoich wniosków. Oczywiście, hipoteza «cieplnej śmierci» natychmiast wzbudziła wiele zastrzeżeń. Poważne wątpliwości co do jej poprawności jest i teraz.

Demon-sortownik

W 1867 roku James Maxwell, jeden z autorów molekularne-kinetycznej teorii gazów, w bardzo przejrzysty (choć fikcyjnym) eksperyment wykazał pozornej paradoks niewidomych drugiej początku termodynamiki. Krótko doświadczenie można przedstawić w następujący sposób.

Niech znajduje się naczynie z gazem. Molekuły w nim poruszają się w sposób dość chaotyczny, prędkości ich trochę się różnią, ale średnia energia kinetyczna jest taka sama na całym statku. Teraz dzielimy naczynie przegrodą na dwie białym części. Średnia prędkość cząsteczek w obu połówkach naczynie pozostanie taki sam. Przegrodę dogging mały demon, który pozwala na szybsze, «na gorąco» molekuły przenikać w jedną część, a wolniejszy «zimny» - w drugiej. W rezultacie w pierwszej połowie gaz nagrzeje, w drugiej – ostygnie, czyli ze stanu równowagi termodynamicznej system przejdzie do różnicy temperatury potencjałów, co oznacza zmniejszenie entropii.

Cały problem w tym, że w eksperymencie system sprawia, że ta zmiana nie spontanicznie. Ona dostaje z zewnątrz energię, dzięki której otwiera się i zamyka przegroda, albo system z konieczności zawiera w sobie demona, затрачивающего swoją energię na wykonanie obowiązków woźnego. Wzrost entropii demona z nadmiarem pokryje zmniejszenie jej w gazie.

Potrzebują dyscypliny cząsteczki

Weź szklankę z wodą i zostawić go na stole. Obserwować szklanką nie koniecznie, wystarczy po jakimś czasie wrócić i sprawdzić stan wody w nim. Zobaczymy, że jej ilość się zmniejszyła. Jeśli zostawić szklankę na długo, nim w ogóle nie okaże się wody, tak jak cała ona wyparuje. Na samym początku procesu wszystkie cząsteczki wody znajdowały się w pewnej ograniczonej ścianami szklanki obszarze przestrzeni. W końcu eksperymentu są one rozrzucone po całym pokoju. W zakresie gościnne u cząsteczek o wiele więcej możliwości zmieniać swoje położenie bez żadnych konsekwencji dla stanu systemu. Nie jesteśmy w stanie zebrać je w spawane "zespół" i jechać z powrotem do szklanki, aby z korzyścią dla zdrowia pić wodę.

To znaczy, że system ewoluował do stanu o wyższej entropii. Na podstawie drugiego początku termodynamiki, entropia, lub proces rozpraszania cząstek systemu (w tym przypadku cząsteczek wody) nieodwracalny. Dlaczego tak jest?

Клаузиус nie odpowiedział na to pytanie, tak jak i nikt inny nie mógł tego zrobić do Ludwiga Boltzmanna.

Makro i микросостояния

W 1872 roku ten naukowiec wprowadził do nauki statystyczny interpretacja drugiego początku termodynamiki. Przecież makroskopowe systemów, z którymi ma do czynienia termodynamika, wykształceni dużą ilością elementów, których zachowanie podlega statystycznych prawa.

Wracając do molekuły wody. Nierówno latające po pokoju, mogą zajmować różne pozycje, mieć pewne różnice w prędkościach (cząsteczki stale zderzają się ze sobą i z innymi cząstkami w powietrzu). Każdy wariant stanu systemu cząsteczek nazywa микросостоянием, i takich opcji ogromna ilość. Przy realizacji większości opcji макросостояние systemu się nie zmieni w żaden sposób.

Nic nie jest zabronione, ale jest coś, co jest bardzo mało prawdopodobne

Słynne stosunek S = k lnW wiąże się liczba możliwych sposobów, którymi można wyrazić pewną макросостояние termodynamicznej układu (W), z jej entropii S. Wartość W nazywają termodynamicznej prawdopodobieństwem. Ostateczny wygląd tej formule nadał Max Planck.Współczynnik k ó bardzo małą wartość (1,38×10⁻²³ J/K), odzwierciedlającą związek między energią i temperaturą, Plank nazwał stałą Boltzmanna na cześć naukowca, który jako pierwszy zaproponował statystyczny interpretacja drugiego początku termodynamiki.

Jasne, że W ó zawsze naturalny liczba 1, 2, 3,…N (nie ma ułamkową liczby sposobów). Wtedy logarytm W, a zatem i entropia, nie mogą być ujemne. W jedynym możliwym dla systemu микросостоянии entropia jest równa zero. Jeśli wrócić do naszego szkło, postulat ten można przedstawić tak: cząsteczki wody, losowo снующие po pokoju, wrócił z powrotem do szklanki. Przy tym każda dokładnie powtórzyła swój sposób i zajęła w szklance to samo miejsce, w którym przebywała przed odlotem. Nic nie uniemożliwia realizację tego wariantu, w którym entropia jest równa zeru. Tylko czekać realizacji taka исчезающе małej pewnością nie warto. Jest to jeden z przykładów tego, co można zrealizować tylko teoretycznie.

Wszystko pomieszało w domu…

Tak Więc, cząsteczki nierówno latają po pokoju na różne sposoby. Nie ma żadnej prawidłowości w ich lokalizacji, brak porządku w systemie, jak nie zmieniaj opcje микросостояний, nie można odnaleźć żadnej spójne struktury. W szklance było to samo, ale z powodu ograniczonej przestrzeni cząsteczki zmieniały swoje położenie, nie tak aktywnie.

Chaotyczne, неупорядоченное stan systemu jak najbardziej prawdopodobne pasuje do jej maksymalnej entropii. Woda w szklance jest przykład bardziej низкоэнтропийного stanu. Przejście do niego z równomiernie rozłożonego w pokoju chaosu praktycznie przepraszam.

Oto bardziej zrozumiały dla nas wszystkich przykładem - sprzątanie bałaganu w domu. Aby ustalić, nam też trzeba wydać energię. W trakcie tej pracy staje się dla nas gorące (czyli nie мерзнем). Okazuje się, że entropia może przynieść korzyść. To tak jest. Można powiedzieć nawet więcej: entropia, a po niej druga podstawy termodynamiki (wraz z energią) rządzą Wszechświatem. Spójrzmy jeszcze raz na procesy odwracalne. Tak wyglądałby świat, gdyby entropii: nie ma rozwoju, nie ma galaktyk, gwiazd, planet. Nie ma życia...

Jeszcze trochę informacji na temat ócieplnej śmierci”. Mam dobre wieści. Ponieważ, według statystycznej teorii, «zakazane» procesy w rzeczywistości są takimi, w термодинамически równowagi systemie występują fluktuacje ó spontaniczne naruszenie drugiego początku termodynamiki. Mogą one być dowolnie duże. Po włączeniu wagi w термодинамическую system dystrybucji cząstek już nie będzie nierówno-jednolite, a stan maksymalnej entropii nie zostanie osiągnięty. Ponadto, Wszechświat nie jest niezmienną, stałą, stacjonarną. W konsekwencji, samo postawienie pytania o «cieplnej śmierci” jest pozbawione sensu.