A doua lege a termodinamicii: definiție, semnificație, istorie

Termodinamica, ca ramură independentă a științei fizice, a apărut în prima jumătate a secolului al XIX-lea. Vârsta mașinilor se apropia. Revoluția industrială necesară studierii și înțelegerii proceselor asociate funcționării motoarelor termice. La începutul erei mașinilor, inventatorii singuri își puteau permite să folosească doar intuiția și metoda "poke". Nu a existat o ordine publică pentru descoperiri și invenții, niciodată nu a avut loc nimănui că ar putea fi utile. Dar când mașinile termice (și mai târziu electrice) au devenit baza producției, situația sa schimbat. Oamenii de știință au înțeles în mod treptat confuzia terminologică predominantă până la mijlocul secolului al XIX-lea, a determinat ce să numim energie, ce este puterea, ce - impulsul.

Ce postulează termodinamica

Să începem cu informațiile general cunoscute. Termodinamica clasică se bazează pe mai multe postulate (principii), introduse în mod constant în secolul al XIX-lea. Adică, aceste dispoziții nu se dovedesc în cadrul său. Acestea au fost formulate ca rezultat al generalizării datelor empirice.

Primul principiu este aplicarea legii conservării energiei la descrierea comportamentului sistemelor macroscopice (constând dintr-un număr mare de particule). Pe scurt, poate fi formulată după cum urmează: rezerva de energie internă a unui sistem termodinamic izolat rămâne întotdeauna constantă.

Semnificația celei de-a doua lege a termodinamicii este de a determina direcția în care au loc procesele în astfel de sisteme.

Al treilea principiu ne permite să determinăm cu precizie o astfel de valoare ca entropia. Să o analizăm în detaliu.

Conceptul de entropie

Formularea a doua lege a termodinamicii a fost propusă în 1850 de Rudolf Clausius: „Nu poate fi tranziția spontane de căldură dintr-o mai puțin încălzită la un corp mai încălzit.“ Astfel Clausius a subliniat meritul Sadie Carnot, chiar și în 1824, să stabilească faptul că procentul de energie care poate fi transformată în lucru motorul termic depinde numai de diferența dintre sistemul de încălzire și temperaturi mai scăzute.

Odată cu dezvoltarea ulterioară a celei de-a doua legi a termodinamicii, Clausius introduce conceptul de entropie, o măsură a cantității de energie care trece ireversibil într-o formă nepotrivită pentru a recurge la muncă. Clausius a exprimat această valoare prin formula dS = dQ / T, unde dS, care determină schimbarea entropiei. aici:

dQ este schimbarea temperaturii-

T este temperatura absolută (cea măsurată în Kelvin).

Un exemplu simplu: atingeți capota mașinii dvs. cu motorul în funcțiune. Este evident că este mai cald decât mediul. Dar motorul mașinii nu este proiectat să încălzească capota sau apa din radiator. Transformarea energiei chimice a benzinei în energia termică și apoi în energia mecanică efectuează o lucrare utilă - aceasta rotește arborele. Dar cea mai mare parte căldura generată este pierdut, deoarece nici o lucrare utilă derivată din acesta nu poate fi, dar care este emis de țeava de eșapament nu are nici un fel de benzină nu este. În același timp, energia termică se pierde, dar nu dispare, ci disipată (disipată). Hota caldă, desigur, se răcește și fiecare ciclu de cilindri din motor adaugă din nou căldura. Astfel, sistemul tinde să atingă un echilibru termodinamic.

Funcțiile entropiei

Clausius a derivat un principiu general pentru a doua lege a termodinamicii în formula dS ge-0. Sensul său fizic poate fi definit ca entropia "non descrescătoare": în procesele reversibile nu se schimbă, în procese ireversibile crește.

Trebuie remarcat faptul că toate procesele reale sunt ireversibile. Termenul "nondecreasing" reflectă numai faptul că o variantă idealizată teoretic posibilă este inclusă și în luarea în considerare a fenomenului. Adică, cantitatea de energie inaccesibilă în orice proces spontan crește.

Abilitatea de a atinge zero absolută

Max Planck a contribuit serios la dezvoltarea termodinamicii. Pe lângă lucrul la interpretarea statistică a celui de-al doilea principiu, el a participat activ la postularea celei de-a treia legi a termodinamicii. Prima formulă aparține lui Walter Nernst și se referă la 1906. Teorema lui Nernst consideră comportamentul unui sistem de echilibru la o temperatură care tinde la zero absolută. Primul și al doilea principiu al termodinamicii nu oferă posibilitatea de a afla ce entropie va fi în aceste condiții.

La T = 0 K energia este zero, particulele sistemului opresc mișcările termice haotice și formează o structură ordonată, un cristal cu o probabilitate termodinamică egală cu unitatea. Deci, entropia se transformă și la zero (mai jos știm de ce se întâmplă acest lucru). În realitate, chiar face acest lucru oarecum mai devreme, din care rezultă că răcirea oricărui sistem termodinamic, orice organism la zero absolută este imposibilă. Temperatura se va apropia în mod arbitrar de acest punct, dar nu va ajunge la ea.

Perpetuum-mobile: nu poți, chiar dacă vrei cu adevărat

Clausius a generalizat și a formulat primul și al doilea principiu al termodinamicii în acest fel: energia totală a oricărui sistem închis rămâne întotdeauna constantă, iar entropia totală crește cu timpul.

Prima parte a acestei declarații impune o interdicție pentru mișcarea perpetuă a primului tip - un dispozitiv care funcționează fără fluxul de energie dintr-o sursă externă. A doua parte este de asemenea interzisă de mișcarea perpetuă a celui de-al doilea tip. O astfel de mașină ar transforma energia sistemului în muncă fără compensarea entropiei, fără a încălca legea conservării. Ar fi posibilă pomparea căldurii din sistemul de echilibru, de exemplu, ouăle de prăjit sau oțelul turnat în detrimentul energiei mișcării termice a moleculelor de apă, în timp ce se răcește.

Al doilea și al treilea principiu al termodinamicii interzic mișcarea perpetuă a celui de-al doilea tip.

Din păcate, natura nu poate obține nimic nu numai pentru nimic, trebuie, de asemenea, să plătiți o comisie.

"Decesul termic"

Puține concepte în domeniul științei, care a provocat atât de mult emoții ambigue, nu numai în rândul publicului larg, dar, de asemenea, printre oamenii de știință înșiși, așa cum au reprezentat entropiei. Fizică, și mai ales el însuși Clausius, drept aproape imediat extrapolată nondecrease mai întâi pe pământ, și apoi întregul univers (de ce nu, pentru că aceasta poate fi, de asemenea, considerat un sistem termodinamic). Ca rezultat, cantitatea fizică, un element important de calcul în multe aplicații tehnice au început să fie perceput ca întruchiparea unui rău universal, lumina și distructive lume natură.

există păreri între oameni de știință că, deoarece, în conformitate cu cea de a doua lege a termodinamicii, entropia crește ireversibil, mai devreme sau mai târziu, toată energia universului este degradat într-o formă dispersată, iar apoi vine „moartea termică“. De ce să te bucuri? Clausius, de exemplu, nu a îndrăznit să-și publice concluziile de mai mulți ani. Desigur, ipoteza "morții prin căldură" a provocat imediat multe obiecții. Există îndoieli serioase cu privire la corectitudinea ei chiar și acum.

Daemon Sorter

In 1867, James Maxwell, unul dintre autorii teoriei moleculare-cinetice a gazelor, într-o foarte vizual (deși fictiv) experiment a demonstrat caracterul paradoxal aparent al a doua lege a termodinamicii. Pe scurt, experiența poate fi rezumată după cum urmează.

Să fie un vas cu gaz. Moleculele din ea se mișcă haotic, vitezele lor sunt oarecum diferite, dar energia cinetică medie este aceeași pe întreaga navă. Acum împărțiți vasul într-un septum în două părți separate. Viteza medie a moleculelor în ambele jumătăți ale vasului rămâne aceeași. Ecranul este păzit de un demon mic, care permite moleculelor mai rapide, "fierbinți" să pătrundă într-o parte, și mai încet "rece" la alta. Ca urmare, în prima jumătate a gazului încălzit în al doilea - se răcească, adică dintr-o stare de echilibru termodinamic, sistemul va merge la diferența de potențial de temperatură, ceea ce înseamnă că o scădere a entropiei.

Întreaga problemă este că în experiment sistemul face această tranziție nu spontan. Primeste din afara energiei prin care partitia se deschide si se inchide sau sistemul implica in mod necesar un demon care isi petrece energia in indeplinirea sarcinilor gatekeeperului. O creștere a entropiei demonului, cu exces, va acoperi scăderea în gaz.

Molecule nediscipate

Luați un pahar de apă și lăsați-l pe masă. Nu este necesar să urmăriți paharul, este suficient să reveniți după un timp și să verificați starea apei din acesta. Vom vedea că cantitatea sa a scăzut. Dacă lăsați paharul mult timp, nu va apărea deloc, deoarece se va evapora complet. La începutul procesului, toate moleculele de apă se aflau într-un perete delimitat al paharului din regiunea spațiului. La sfârșitul experimentului, au zburat în toată camera. În volumul camerei, moleculele au mult mai multe posibilități de a-și schimba locația fără consecințe asupra stării sistemului. Nu le putem colecta într-un "colectiv" sudat și le-am conduce înapoi într-un pahar pentru a bea apă cu o bună stare de sănătate.

Aceasta înseamnă că sistemul a evoluat într-o stare cu o entropie mai mare. Pornind de la a doua lege a termodinamicii, entropia sau procesul de împrăștiere a particulelor în sistem (în acest caz molecule de apă) este ireversibil. De ce este așa?

Clausius nu a răspuns la această întrebare și nimeni altcineva nu putea să o facă în fața lui Ludwig Boltzmann.

Macro și microstații

În 1872, acest om de știință a introdus în știință o interpretare statistică a celei de-a doua lege a termodinamicii. La urma urmei, sistemele macroscopice cu care se ocupă termodinamica sunt formate dintr-un număr mare de elemente a căror comportare respectă legile statistice.

Să ne întoarcem la moleculele de apă. Haoții care zboară în jurul camerei, pot ocupa poziții diferite, au unele diferențe în viteze (moleculele se ciocnesc în mod constant unul cu celălalt și cu alte particule în aer). Fiecare varianta a stării unui sistem de molecule se numește microstat și există o mulțime de astfel de variante. Atunci când se implementează marea majoritate a opțiunilor, starea macro a sistemului nu se schimbă în nici un fel.

Nimic nu este interzis, dar ceva este foarte puțin probabil

Binecunoscutul relația S = k LNW leaga număr de posibile moduri în care putem exprima anumit sistem termodinamic macrostări (W), cu entropia lui S. Valoarea W se numește probabilitate termodinamică. Forma finală a acestei formule a fost dată de Max Planck. Coeficientul k este o valoare extrem de mică (1,38 × 10^minus-23 J / K), care caracterizează relația dintre energie și temperatură, Planck a numit constanta Boltzmann în onoarea savantului, care a propus pentru prima dată o interpretare statistică a celei de-a doua lege a termodinamicii.

Este clar că W este întotdeauna un număr natural 1, 2, 3, hellip-N (nu există un număr redus de căi). Apoi, logaritmul lui W și, prin urmare, entropia nu poate fi negativă. Cu singura microstat posibil pentru sistem, entropia devine zero. Dacă ne întoarcem la geamul nostru, acest postulat poate fi prezentat după cum urmează: moleculele de apă, care se scurgeau aleatoriu în jurul camerei, se întorceau la geam. În acest caz, fiecare și-a repetat calea și a luat același loc în paharul în care era înainte de plecare. Nimic nu împiedică implementarea acestei opțiuni, în care entropia este zero. Numai să așteptați pentru punerea în aplicare a unei astfel de probabilități puțin dispărute nu merită. Acesta este un exemplu de ceea ce se poate face doar teoretic.

Totul a fost amestecat în casa-

Deci, moleculele zboară în mod aleatoriu în jurul camerei în moduri diferite. Nu există niciun model în locația lor, nu există ordine în sistem, indiferent de schimbarea variațiilor microstațiilor, nu poate fi urmărită nici o structură coerentă. Sticla era aceeași, dar datorită spațiului limitat, moleculele nu și-au schimbat poziția atât de activ.

Starea haotică, dezordonată a sistemului, cel mai probabil, corespunde entropiei sale maxime. Apa din sticlă este un exemplu de stare inferioară entropică. Trecerea la ea din haos, distribuită uniform în întreaga cameră, este practic imposibil de realizat.

Să oferim un exemplu mai ușor de înțeles pentru noi toți - curățați mizeria din casă. Pentru a pune totul în ordine, trebuie să consumăm și energie. În procesul acestei lucrări, devine fierbinte (adică nu înghețăm). Se pare că entropia poate beneficia. Acest lucru este valabil. Se poate spune și mai mult: entropia, iar prin aceasta a doua lege a termodinamicii (împreună cu energia) guvernează universul. Să ne uităm din nou la procesele reversibile. Deci lumea ar arăta dacă nu ar exista entropie: nici o dezvoltare, nici galaxii, stele, planete. Nicio viață ...

Mai multe informații despre "moartea prin căldură". Există veste bună. Deoarece, potrivit teoriei statistice, procesele "interzise" sunt de fapt puțin probabile, fluctuațiile apar într-un sistem de echilibru termodinamic - încălcări spontane ale celei de-a doua lege a termodinamicii. Ele pot fi arbitrar de mari. Prin includerea gravitației în sistemul termodinamic, distribuția particulelor nu va mai fi uniformă în mod haotic, iar starea entropiei maxime nu va fi atinsă. În plus, universul nu este constant, permanent, staționar. În consecință, însăși formularea problemei "morții termice" nu are sens.