Thermodynamics bilang isang independiyenteng sangay ng pisikal na agham ay lumitaw sa unang kalahati ng ika-19 na siglo. Ang edad ng mga makina ay sumikat na. Ang rebolusyong pang-industriya ay nangangailangan ng pag-aaral at pag-unawa sa mga prosesong nauugnay sa pagpapatakbo ng mga heat engine. Sa bukang-liwayway ng panahon ng makina, ang mga nag-iisang imbentor ay kayang gumamit lamang ng intuwisyon at ang "paraan ng pagsundot". Walang pampublikong kaayusan para sa mga pagtuklas at imbensyon, hindi man lang maisip ng sinuman na maaari silang maging kapaki-pakinabang. Ngunit nang ang mga thermal (at ilang sandali pa, electric) ang naging batayan ng produksyon, nagbago ang sitwasyon. Sa wakas ay unti-unting inayos ng mga siyentipiko ang terminolohiyang kalituhan na namayani hanggang sa kalagitnaan ng ika-19 na siglo, na nagpapasya kung ano ang tatawaging enerhiya, anong puwersa, anong impulse.
Ano ang ipinopostulat ng thermodynamics
Magsimula tayo sa karaniwang kaalaman. Ang klasikal na termodinamika ay batay sa ilang mga postulate (prinsipyo) na sunud-sunod na ipinakilala sa buong ika-19 na siglo. Ibig sabihin, ang mga probisyong ito ay hindimapapatunayan sa loob nito. Binuo ang mga ito bilang resulta ng generalization ng empirical data.
Ang unang batas ay ang paggamit ng batas ng konserbasyon ng enerhiya sa paglalarawan ng pag-uugali ng mga macroscopic system (binubuo ng malaking bilang ng mga particle). Sa madaling sabi, maaari itong buuin bilang mga sumusunod: ang stock ng panloob na enerhiya ng isang nakahiwalay na thermodynamic system ay palaging nananatiling pare-pareho.
Ang kahulugan ng pangalawang batas ng thermodynamics ay upang matukoy ang direksyon kung saan nagpapatuloy ang mga proseso sa naturang mga sistema.
Ang ikatlong batas ay nagbibigay-daan sa iyong tumpak na matukoy ang bilang ng bilang ng entropy. Isaalang-alang ito nang mas detalyado.
Ang konsepto ng entropy
Ang pagbabalangkas ng ikalawang batas ng thermodynamics ay iminungkahi noong 1850 ni Rudolf Clausius: "Imposibleng kusang ilipat ang init mula sa isang hindi gaanong init na katawan patungo sa isang mas mainit." Kasabay nito, binigyang-diin ni Clausius ang merito ni Sadi Carnot, na noong unang bahagi ng 1824 ay itinatag na ang proporsyon ng enerhiya na maaaring ma-convert sa trabaho ng isang heat engine ay nakasalalay lamang sa pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng heater at ng refrigerator.
Sa karagdagang pag-unlad ng pangalawang batas ng thermodynamics, ipinakilala ni Clausius ang konsepto ng entropy - isang sukatan ng dami ng enerhiya na hindi maibabalik sa anyo na hindi angkop para sa conversion sa trabaho. Ipinahayag ni Clausius ang halagang ito sa pamamagitan ng formula na dS=dQ/T, kung saan tinutukoy ng dS ang pagbabago sa entropy. Dito:
dQ - pagbabago ng init;
T - ganap na temperatura (ang sinusukat sa Kelvin).
Isang simpleng halimbawa: pindutin ang hood ng iyong sasakyan habang umaandar ang makina. Siya ay malinawmas mainit kaysa sa kapaligiran. Ngunit ang makina ng kotse ay hindi idinisenyo upang painitin ang hood o ang tubig sa radiator. Sa pamamagitan ng pag-convert ng kemikal na enerhiya ng gasolina sa thermal energy, at pagkatapos ay sa mekanikal na enerhiya, ito ay gumagawa ng kapaki-pakinabang na trabaho - pinaikot nito ang baras. Ngunit ang karamihan sa init na ginawa ay nasasayang, dahil walang kapaki-pakinabang na trabaho ang maaaring makuha mula dito, at kung ano ang lumilipad palabas sa tambutso ay hindi nangangahulugang gasolina. Sa kasong ito, ang thermal energy ay nawala, ngunit hindi nawawala, ngunit nagwawala (dissipates). Ang isang mainit na hood, siyempre, ay lumalamig, at ang bawat cycle ng mga cylinder sa makina ay nagdaragdag muli ng init dito. Kaya, malamang na maabot ng system ang thermodynamic equilibrium.
Mga tampok ng entropy
Nakuha ni Clausius ang pangkalahatang prinsipyo para sa pangalawang batas ng thermodynamics sa formula na dS ≧ 0. Ang pisikal na kahulugan nito ay maaaring tukuyin bilang "hindi bumababa" ng entropy: sa mga nababaligtad na proseso hindi ito nagbabago, sa mga hindi maibabalik na proseso. tumataas ito.
Dapat tandaan na ang lahat ng tunay na proseso ay hindi na mababawi. Ang terminong "hindi bumababa" ay sumasalamin lamang sa katotohanan na ang isang teoretikal na posibleng idealized na bersyon ay kasama rin sa pagsasaalang-alang ng phenomenon. Ibig sabihin, tumataas ang dami ng hindi magagamit na enerhiya sa anumang kusang proseso.
Posibleng maabot ang absolute zero
Max Planck ay gumawa ng isang seryosong kontribusyon sa pagbuo ng thermodynamics. Bilang karagdagan sa pagtatrabaho sa istatistikal na interpretasyon ng pangalawang batas, kinuha niya ang isang aktibong bahagi sa postulating ang ikatlong batas ng thermodynamics. Ang unang pormulasyon ay pag-aari ni W alter Nernst at tumutukoy sa 1906. Isinasaalang-alang ang teorama ni Nernstpag-uugali ng isang sistema ng balanse sa isang temperatura na may posibilidad na ganap na zero. Ginagawang imposible ng una at pangalawang batas ng thermodynamics na malaman kung ano ang magiging entropy sa ilalim ng mga ibinigay na kundisyon.
Kapag T=0 K, ang enerhiya ay zero, ang mga particle ng system ay humihinto sa magulong thermal motion at bumubuo ng isang ordered structure, isang kristal na may thermodynamic na probabilidad na katumbas ng isa. Nangangahulugan ito na ang entropy ay naglalaho din (sa ibaba ay malalaman natin kung bakit ito nangyayari). Sa katotohanan, ginagawa pa rin nito ito nang mas maaga, na nangangahulugan na ang paglamig ng anumang thermodynamic system, anumang katawan hanggang sa ganap na zero ay imposible. Ang temperatura ay arbitraryong lalapit sa puntong ito, ngunit hindi ito aabot.
Perpetuum mobile: hindi, kahit na gusto mo talagang
Si Clausius ay nag-generalize at nagbalangkas ng una at pangalawang batas ng thermodynamics sa ganitong paraan: ang kabuuang enerhiya ng anumang closed system ay palaging nananatiling pare-pareho, at ang kabuuang entropy ay tumataas sa paglipas ng panahon.
Ang unang bahagi ng pahayag na ito ay nagpapataw ng pagbabawal sa perpetual motion machine ng unang uri - isang device na gumagana nang walang pag-agos ng enerhiya mula sa isang panlabas na pinagmulan. Ang ikalawang bahagi ay nagbabawal din sa panghabang-buhay na makina ng paggalaw ng pangalawang uri. Ang ganitong makina ay maglilipat ng enerhiya ng system sa trabaho nang walang kabayaran sa entropy, nang hindi lumalabag sa batas ng konserbasyon. Posibleng mag-pump out ng init mula sa isang equilibrium system, halimbawa, upang magprito ng piniritong itlog o magbuhos ng bakal dahil sa enerhiya ng thermal movement ng mga molekula ng tubig, kaya lumalamig ito.
Ang pangalawa at pangatlong batas ng thermodynamics ay nagbabawal sa isang panghabang-buhay na motion machine ng pangalawang uri.
Naku, walang makukuha sa kalikasan, hindi lang libre, kailangan mo pang magbayad ng komisyon.
Heat Death
May ilang mga konsepto sa agham na nagdulot ng napakaraming hindi maliwanag na emosyon hindi lamang sa pangkalahatang publiko, kundi pati na rin sa mga siyentipiko mismo, gaya ng entropy. Ang mga physicist, at una sa lahat, si Clausius mismo, ay halos agad na nag-extrapolate ng batas ng di-pagbaba, una sa Earth, at pagkatapos ay sa buong Uniberso (bakit hindi, dahil maaari rin itong ituring na isang thermodynamic system). Bilang resulta, ang isang pisikal na dami, isang mahalagang elemento ng mga kalkulasyon sa maraming mga teknikal na aplikasyon, ay nagsimulang makita bilang ang sagisag ng ilang uri ng unibersal na Kasamaan na sumisira sa isang maliwanag at mabait na mundo.
Mayroon ding ganitong mga opinyon sa mga siyentipiko: dahil, ayon sa ikalawang batas ng thermodynamics, ang entropy ay lumalaki nang hindi maibabalik, sa malao't madali ang lahat ng enerhiya ng Uniberso ay bumababa sa isang nagkakalat na anyo, at ang "init na kamatayan" ay darating. Ano ang dapat maging masaya? Si Clausius, halimbawa, ay nag-atubiling ilang taon na i-publish ang kanyang mga natuklasan. Siyempre, ang hypothesis ng "heat death" ay agad na nagpukaw ng maraming pagtutol. Mayroong malubhang pagdududa tungkol sa kawastuhan nito kahit ngayon.
Sorter Daemon
Noong 1867, si James Maxwell, isa sa mga may-akda ng molecular-kinetic theory of gases, sa isang napakabiswal (kahit kathang-isip) na eksperimento ay nagpakita ng tila kabalintunaan ng ikalawang batas ng thermodynamics. Maaaring ibuod ang karanasan tulad ng sumusunod.
Magkaroon ng sisidlan na may gas. Ang mga molekula sa loob nito ay gumagalaw nang sapalaran, ang kanilang mga bilis ay maraminaiiba, ngunit ang average na kinetic energy ay pareho sa buong sisidlan. Ngayon hinati namin ang sisidlan na may isang partisyon sa dalawang nakahiwalay na bahagi. Ang average na bilis ng mga molekula sa parehong halves ng sisidlan ay mananatiling pareho. Ang partisyon ay binabantayan ng isang maliit na demonyo na nagpapahintulot sa mas mabilis, "mainit" na mga molekula na tumagos sa isang bahagi, at mas mabagal na "malamig" na mga molekula sa isa pa. Bilang resulta, ang gas ay mag-iinit sa unang kalahati at lalamig sa ikalawang kalahati, iyon ay, ang sistema ay lilipat mula sa estado ng thermodynamic equilibrium patungo sa isang potensyal na pagkakaiba ng temperatura, na nangangahulugan ng pagbaba sa entropy.
Ang buong problema ay hindi kusang ginagawa ng system ang paglipat na ito sa eksperimento. Ito ay tumatanggap ng enerhiya mula sa labas, dahil sa kung saan ang partition ay nagbubukas at nagsasara, o ang sistema ay kinakailangang kasama ang isang demonyo na gumugugol ng kanyang enerhiya sa mga tungkulin ng isang gatekeeper. Ang pagtaas ng entropy ng demonyo ay higit pa sa pagsakop sa pagbaba ng gas nito.
Mga Molekulyong Hindi Mapigil
Kumuha ng isang basong tubig at iwanan ito sa mesa. Hindi kinakailangang panoorin ang baso, sapat na upang bumalik pagkatapos ng ilang sandali at suriin ang kondisyon ng tubig sa loob nito. Makikita natin na bumaba ang bilang nito. Kung iiwan mo ang baso nang mahabang panahon, walang tubig na makikita dito, dahil lahat ng ito ay sumingaw. Sa pinakadulo simula ng proseso, ang lahat ng mga molekula ng tubig ay nasa isang tiyak na rehiyon ng espasyo na limitado ng mga dingding ng salamin. Sa pagtatapos ng eksperimento, nagkalat sila sa buong silid. Sa dami ng isang silid, ang mga molekula ay may mas maraming pagkakataon na baguhin ang kanilang lokasyon nang walang anumanmga kahihinatnan para sa estado ng sistema. Walang paraan na maaari nating tipunin ang mga ito sa isang soldered "collective" at ibalik ang mga ito sa isang baso upang makainom ng tubig na may mga benepisyong pangkalusugan.
Ito ay nangangahulugan na ang system ay umunlad sa isang mas mataas na estado ng entropy. Batay sa ikalawang batas ng thermodynamics, entropy, o ang proseso ng pagpapakalat ng mga particle ng system (sa kasong ito, ang mga molekula ng tubig) ay hindi maibabalik. Bakit ganun?
Hindi sinagot ni Clausius ang tanong na ito, at walang ibang makasagot kay Ludwig Boltzmann.
Macro at microstates
Noong 1872, ipinakilala ng siyentipikong ito ang istatistikal na interpretasyon ng ikalawang batas ng thermodynamics sa agham. Pagkatapos ng lahat, ang mga macroscopic system na tinutugunan ng thermodynamics ay nabuo ng malaking bilang ng mga elemento na ang pag-uugali ay sumusunod sa mga batas sa istatistika.
Bumalik tayo sa mga molekula ng tubig. Sa random na paglipad sa paligid ng silid, maaari silang kumuha ng iba't ibang mga posisyon, magkaroon ng ilang mga pagkakaiba sa bilis (ang mga molekula ay patuloy na nagbabanggaan sa isa't isa at sa iba pang mga particle sa hangin). Ang bawat variant ng estado ng isang sistema ng mga molekula ay tinatawag na microstate, at mayroong isang malaking bilang ng mga naturang variant. Kapag ipinapatupad ang karamihan sa mga opsyon, hindi magbabago ang macrostate ng system sa anumang paraan.
Walang bawal, ngunit may isang bagay na hindi malamang
Ang sikat na relasyon na S=k lnW ay nag-uugnay sa bilang ng mga posibleng paraan kung saan ang isang partikular na macrostate ng isang thermodynamic system (W) ay maaaring ipahayag kasama ang entropy na S nito. Ang halaga ng W ay tinatawag na thermodynamic probability. Ang huling anyo ng formula na ito ay ibinigay ni Max Planck. Ang coefficient k, isang napakaliit na halaga (1.38×10−23 J/K) na nagpapakilala sa ugnayan sa pagitan ng enerhiya at temperatura, tinawag ni Planck ang Boltzmann constant bilang parangal sa scientist na siyang unang magmungkahi ng istatistikal na interpretasyon ng pangalawa ang simula ng thermodynamics.
Malinaw na ang W ay palaging isang natural na numero 1, 2, 3, …N (walang fractional na bilang ng mga paraan). Kung gayon ang logarithm W, at samakatuwid ang entropy, ay hindi maaaring maging negatibo. Gamit ang tanging posibleng microstate para sa system, ang entropy ay nagiging katumbas ng zero. Kung babalik tayo sa ating baso, ang postulate na ito ay maaaring ilarawan bilang mga sumusunod: ang mga molekula ng tubig, na sapalarang umiikot sa silid, ay bumalik sa baso. Sa parehong oras, ang bawat isa ay eksaktong paulit-ulit ang landas nito at kinuha ang parehong lugar sa salamin kung saan ito ay bago umalis. Walang nagbabawal sa pagpapatupad ng opsyong ito, kung saan ang entropy ay katumbas ng zero. Maghintay lamang para sa pagpapatupad ng tulad ng isang nawawalang maliit na posibilidad ay hindi katumbas ng halaga. Ito ay isang halimbawa ng kung ano ang magagawa lamang ayon sa teorya.
Halo-halo ang lahat sa bahay…
Kaya ang mga molekula ay random na lumilipad sa paligid ng silid sa iba't ibang paraan. Walang regularidad sa kanilang pag-aayos, walang kaayusan sa sistema, kahit paano mo baguhin ang mga opsyon para sa microstates, walang mauunawaan na istraktura ang maaaring masubaybayan. Ito ay pareho sa salamin, ngunit dahil sa limitadong espasyo, ang mga molekula ay hindi nagbago ng kanilang posisyon nang napakaaktibo.
Ang magulo, hindi maayos na estado ng system bilang ang pinakaang probable ay tumutugma sa pinakamataas na entropy nito. Ang tubig sa isang baso ay isang halimbawa ng isang mababang estado ng entropy. Ang paglipat dito mula sa kaguluhan na pantay na ipinamahagi sa buong silid ay halos imposible.
Magbigay tayo ng mas maliwanag na halimbawa para sa ating lahat - ang paglilinis ng kalat sa bahay. Upang mailagay ang lahat sa lugar nito, kailangan din nating gumastos ng enerhiya. Sa proseso ng gawaing ito, nagiging mainit tayo (iyon ay, hindi tayo nagyeyelo). Lumalabas na ang entropy ay maaaring maging kapaki-pakinabang. Ito ang kaso. Mas marami pa tayong masasabi: entropy, at sa pamamagitan nito ang pangalawang batas ng thermodynamics (kasama ang enerhiya) ay namamahala sa uniberso. Tingnan natin muli ang mga nababalikang proseso. Ganito ang magiging hitsura ng mundo kung walang entropy: walang pag-unlad, walang galaxy, bituin, planeta. Walang buhay…
Kaunti pang impormasyon tungkol sa "heat death". May magandang balita. Dahil, ayon sa istatistikal na teorya, ang "ipinagbabawal" na mga proseso ay sa katunayan ay hindi malamang, ang mga pagbabago ay lumitaw sa isang thermodynamically equilibrium system - kusang mga paglabag sa pangalawang batas ng thermodynamics. Maaari silang maging arbitraryong malaki. Kapag ang gravity ay kasama sa thermodynamic system, ang distribusyon ng mga particle ay hindi na magiging chaotically uniform, at ang estado ng maximum entropy ay hindi maaabot. Bilang karagdagan, ang Uniberso ay hindi nababago, pare-pareho, nakatigil. Samakatuwid, ang mismong pormulasyon ng tanong ng "heat death" ay walang kabuluhan.
