Termodinamika fizika fanining mustaqil sohasi sifatida 19-asrning birinchi yarmida vujudga keldi. Mashinalarning asri boshlandi. Sanoat inqilobi issiqlik dvigatellarining ishlashi bilan bog'liq jarayonlarni o'rganish va tushunishni talab qildi. Mashina davrining boshida yolg'iz ixtirochilar faqat sezgi va "poke usuli" dan foydalanishlari mumkin edi. Kashfiyotlar va ixtirolar uchun jamoat tartibi yo'q edi, ular foydali bo'lishi hech kimning xayoliga ham kelmagan. Ammo termal (va birozdan keyin elektr) mashinalar ishlab chiqarishning asosiga aylanganda, vaziyat o'zgardi. Olimlar nihoyat 19-asrning oʻrtalarigacha hukm surgan terminologik chalkashliklarni asta-sekin saralab, energiyani nima, qanday kuch, qanday impuls deb atash haqida qaror qabul qilishdi.
Termodinamikada qanday postulatlar mavjud
Keling, umumiy bilimlardan boshlaylik. Klassik termodinamika 19-asr davomida ketma-ket kiritilgan bir qancha postulatlarga (tamoyillarga) asoslanadi. Ya'ni, bu qoidalar emasuning ichida isbotlanishi mumkin. Ular empirik ma'lumotlarni umumlashtirish natijasida tuzilgan.
Birinchi qonun energiyaning saqlanish qonunini makroskopik tizimlar (koʻp sonli zarrachalardan iborat) xatti-harakatlarini tavsiflashda qoʻllashdir. Qisqacha aytganda, uni quyidagicha shakllantirish mumkin: izolyatsiyalangan termodinamik tizimning ichki energiya zaxirasi doimo o'zgarmas bo'lib qoladi.
Termodinamikaning ikkinchi qonunining ma'nosi bunday tizimlarda jarayonlar qanday yo'nalishda borishini aniqlashdan iborat.
Uchinchi qonun entropiya kabi miqdorni aniq aniqlash imkonini beradi. Buni batafsil ko'rib chiqing.
Entropiya tushunchasi
Termodinamikaning ikkinchi qonunining formulasini 1850-yilda Rudolf Klauzius taklif qilgan: "Isitishni kamroq isitiladigan jismdan issiqroq jismga o'z-o'zidan o'tkazish mumkin emas". Shu bilan birga, Klauzius Sadi Karnoning xizmatlarini ta'kidladi, u 1824 yilda issiqlik dvigatelining ishiga aylantirilishi mumkin bo'lgan energiya ulushi faqat isitgich va muzlatgich o'rtasidagi harorat farqiga bog'liqligini aniqladi.
Termodinamikaning ikkinchi qonunini yanada rivojlantirishda Klauzius entropiya tushunchasini kiritadi - bu energiya miqdorining qaytarilmas tarzda ishga aylantirish uchun yaroqsiz shaklga aylanadigan o'lchovidir. Klauzius bu qiymatni dS=dQ/T formulasi bilan ifodalagan, bunda dS entropiyaning o'zgarishini aniqlaydi. Bu yerda:
dQ - issiqlik almashinuvi;
T - mutlaq harorat (Kelvin bilan o'lchangan).
Oddiy misol: dvigatel ishlayotgan vaqtda avtomobilingiz kapotiga teging. U aniqatrof-muhitga qaraganda issiqroq. Ammo avtomobil dvigateli kaputni yoki radiatordagi suvni isitish uchun mo'ljallanmagan. Benzinning kimyoviy energiyasini issiqlik energiyasiga, keyin esa mexanik energiyaga aylantirib, foydali ishlarni bajaradi - milni aylantiradi. Ammo ishlab chiqarilgan issiqlikning ko'p qismi isrof qilinadi, chunki undan foydali ish olib bo'lmaydi va egzoz trubkasidan chiqadigan narsa hech qanday holatda benzin emas. Bunday holda, issiqlik energiyasi yo'qoladi, lekin yo'qolmaydi, balki tarqaladi (tarqaladi). Issiq kaput, albatta, soviydi va dvigateldagi silindrlarning har bir aylanishi unga yana issiqlik qo'shadi. Shunday qilib, tizim termodinamik muvozanatga erishadi.
Entropiyaning xususiyatlari
Klauzius termodinamikaning ikkinchi qonuni uchun umumiy tamoyilni dS ≧ 0 formulada olgan. Uning fizik ma’nosini entropiyaning “kamaymasligi” sifatida aniqlash mumkin: qaytar jarayonlarda u o’zgarmaydi, qaytarilmas jarayonlarda ortadi.
Shuni ta'kidlash kerakki, barcha real jarayonlar qaytarilmasdir. "Kamaytirmaslik" atamasi faqat nazariy jihatdan mumkin bo'lgan ideallashtirilgan versiya ham hodisani ko'rib chiqishga kiritilganligini aks ettiradi. Ya'ni, har qanday spontan jarayonda mavjud bo'lmagan energiya miqdori ortadi.
Mutlaq nolga erishish imkoniyati
Maks Plank termodinamikaning rivojlanishiga jiddiy hissa qo'shdi. Ikkinchi qonunning statistik talqini ustida ishlashdan tashqari, termodinamikaning uchinchi qonunini postulatsiya qilishda faol ishtirok etdi. Birinchi formula V alter Nernstga tegishli va 1906 yilga tegishli. Nernst teoremasi ko'rib chiqadiMuvozanat tizimining mutlaq nolga intiladigan haroratdagi harakati. Termodinamikaning birinchi va ikkinchi qonunlari berilgan sharoitda entropiya qanday bo‘lishini aniqlashni imkonsiz qiladi.
T=0 K bo`lganda energiya nolga teng bo`lsa, sistemaning zarralari xaotik termal harakatni to`xtatib, tartiblangan struktura, termodinamik ehtimoli birga teng bo`lgan kristall hosil qiladi. Bu entropiya ham yo'q bo'lib ketishini anglatadi (quyida nima uchun bu sodir bo'lishini bilib olamiz). Aslida, u buni biroz oldinroq bajaradi, ya'ni har qanday termodinamik tizimni, har qanday jismni mutlaq nolga sovutish mumkin emas. Harorat o'zboshimchalik bilan bu nuqtaga yaqinlashadi, lekin unga etib bormaydi.
Perpetuum mobile: yoʻq, agar chindan ham xohlasangiz ham
Klauzius termodinamikaning birinchi va ikkinchi qonunlarini shunday umumlashtirgan va formulalagan: har qanday yopiq tizimning umumiy energiyasi doimo doimiy boʻlib qoladi va umumiy entropiya vaqt oʻtishi bilan ortadi.
Ushbu bayonotning birinchi qismida birinchi turdagi doimiy harakat mashinasi - tashqi manbadan energiya oqimisiz ishlaydigan qurilmaga taqiq qo'yilgan. Ikkinchi qism, shuningdek, ikkinchi turdagi doimiy harakat mashinasini ham taqiqlaydi. Bunday mashina saqlanish qonunini buzmagan holda tizim energiyasini entropiya kompensatsiyasisiz ishga o'tkazadi. Muvozanat tizimidan issiqlikni chiqarib yuborish, masalan, omletni qovurish yoki suv molekulalarining issiqlik harakati energiyasi tufayli po'lat quyish va shu bilan uni sovutish mumkin edi.
Termodinamikaning ikkinchi va uchinchi qonunlari ikkinchi turdagi doimiy harakatlanuvchi mashinani taqiqlaydi.
Afsuski, tabiatdan hech narsa olish mumkin emas, nafaqat bepul, balki komissiya toʻlashingiz kerak.
Issiqlik o'limi
Fanda nafaqat keng omma orasida, balki olimlarning o'zlari orasida ham, entropiya kabi juda ko'p noaniq his-tuyg'ularga sabab bo'lgan juda kam tushunchalar mavjud. Fiziklar va birinchi navbatda Klauziyning o'zi deyarli darhol kamaymaslik qonunini birinchi bo'lib Yerga, keyin esa butun koinotga ekstrapolyatsiya qilishdi (nega bunday emas, chunki uni termodinamik tizim deb ham hisoblash mumkin). Natijada, ko'plab texnik ilovalarda hisob-kitoblarning muhim elementi bo'lgan jismoniy miqdor yorug' va mehribon dunyoni yo'q qiladigan qandaydir universal Yovuzlikning timsoli sifatida qabul qilina boshladi.
Olimlar orasida ham shunday fikrlar mavjud: termodinamikaning ikkinchi qonuniga ko'ra, entropiya qaytarilmas tarzda o'sib boradi, ertami-kechmi koinotning barcha energiyasi diffuz shaklga tushadi va "issiqlik o'limi" keladi. Xursand bo'lish uchun nima bor? Misol uchun, Klauzius o'z topilmalarini e'lon qilish uchun bir necha yil ikkilandi. Albatta, "issiqlik o'limi" gipotezasi darhol ko'plab e'tirozlarni uyg'otdi. Uning toʻgʻriligiga hozir ham jiddiy shubhalar bor.
Sorter Demon
1867-yilda gazlarning molekulyar-kinetik nazariyasi mualliflaridan biri Jeyms Maksvell juda vizual (oʻylab topilgan boʻlsada) tajribada termodinamikaning ikkinchi qonunining goʻyo paradoks ekanligini koʻrsatdi. Tajribani quyidagicha umumlashtirish mumkin.
Gazli idish bo'lsin. Undagi molekulalar tasodifiy harakat qiladi, ularning tezligi bir nechtafarq qiladi, lekin o'rtacha kinetik energiya butun idishda bir xil. Endi biz bo'linma bilan idishni ikkita izolyatsiya qilingan qismga ajratamiz. Idishning ikkala yarmidagi molekulalarning o'rtacha tezligi bir xil bo'lib qoladi. Bo'limni tezroq, "issiq" molekulalarning bir qismga, sekinroq "sovuq" molekulalarning boshqasiga o'tishiga imkon beruvchi kichik jin tomonidan himoyalangan. Natijada gaz birinchi yarmida qiziydi va ikkinchi yarmida soviydi, ya'ni sistema termodinamik muvozanat holatidan harorat potentsiallari farqiga o'tadi, bu entropiyaning pasayishini bildiradi.
Barcha muammo shundaki, tajribada tizim bu oʻtishni oʻz-oʻzidan amalga oshirmaydi. U tashqaridan energiya oladi, buning natijasida bo'linma ochiladi va yopiladi yoki tizim o'z energiyasini darvozabonning vazifalariga sarflaydigan jinni o'z ichiga oladi. Jinning entropiyasining oshishi uning gazining pasayishini qoplaydi.
Itoatsiz molekulalar
Bir stakan suv olib, stol ustida qoldiring. Stakanni tomosha qilish shart emas, bir muncha vaqt o'tgach qaytib, undagi suvning holatini tekshirish kifoya. Uning soni kamayganini ko'ramiz. Agar stakanni uzoq vaqt qoldirsangiz, unda suv umuman topilmaydi, chunki uning hammasi bug'lanadi. Jarayonning boshida barcha suv molekulalari oynaning devorlari bilan chegaralangan ma'lum bir fazoda joylashgan. Tajriba oxirida ular xona bo'ylab tarqalib ketishdi. Xona hajmida molekulalar o'z joylarini hech qanday holatda o'zgartirish uchun ko'proq imkoniyatlarga egatizimning holati uchun oqibatlari. Biz ularni lehimli "jamoa"ga yig'ib, sog'liq uchun foydali suv ichish uchun stakanga qayta haydab bo'lmaydi.
Bu tizim yuqori entropiya holatiga oʻtganligini bildiradi. Termodinamikaning ikkinchi qonuniga asoslanib, entropiya yoki tizimning zarralari (bu holda, suv molekulalari) ning tarqalish jarayoni qaytarilmasdir. Nega shunday?
Klauzius bu savolga javob bermadi va Lyudvig Boltsmandan oldin hech kim javob bera olmadi.
Makro va mikroholatlar
1872-yilda bu olim fanga termodinamikaning ikkinchi qonunining statistik talqinini kiritdi. Zero, termodinamika bilan shug‘ullanadigan makroskopik tizimlar xatti-harakatlari statistik qonunlarga bo‘ysunadigan ko‘p sonli elementlardan hosil bo‘ladi.
Keling, suv molekulalariga qaytaylik. Xona bo'ylab tasodifiy uchib, ular turli pozitsiyalarni egallashlari mumkin, tezlikda ba'zi farqlarga ega (molekulalar doimo bir-biri bilan va havodagi boshqa zarralar bilan to'qnashadi). Molekulalar sistemasi holatining har bir varianti mikroholat deb ataladi va bunday variantlar juda ko'p. Aksariyat variantlarni amalga oshirishda tizimning makro holati hech qanday tarzda o'zgarmaydi.
Hech narsa chegaralanmagan, lekin nimadir boʻlishi ehtimoldan yiroq
Mashhur S=k lnW munosabati termodinamik tizimning ma'lum makroholatini (Vt) uning S entropiyasi bilan ifodalashning mumkin bo'lgan usullari sonini bog'laydi. W ning qiymati termodinamik ehtimollik deyiladi. Ushbu formulaning yakuniy shakli Maks Plank tomonidan berilgan. Energiya va harorat o'rtasidagi bog'liqlikni tavsiflovchi juda kichik qiymat (1,38×10−23 J/K) bo'lgan k koeffitsienti Plank Boltsman doimiysi deb atagan. birinchi bo'lib termodinamikaning boshlanish davrining statistik talqinini taklif qilish.
Shubhasiz, W har doim 1, 2, 3, …N natural son (yoʻllarning kasr soni yoʻq). U holda W logarifmi va demak, entropiya manfiy bo'lishi mumkin emas. Tizim uchun yagona mumkin bo'lgan mikroholat bilan entropiya nolga teng bo'ladi. Agar stakanimizga qaytadigan bo'lsak, bu postulat quyidagicha ifodalanishi mumkin: xona bo'ylab tasodifiy aylanib yurgan suv molekulalari stakanga qaytib keldi. Shu bilan birga, har biri o'z yo'lini takrorladi va jo'nashdan oldin stakandagi o'sha joyni egalladi. Entropiya nolga teng bo'lgan ushbu variantni amalga oshirishni hech narsa taqiqlamaydi. Bunday g'oyib bo'ladigan kichik ehtimolning amalga oshirilishini kuting, bunga loyiq emas. Bu faqat nazariy jihatdan amalga oshirilishi mumkin bo'lgan bir misol.
Uyda hamma narsa aralash…
Demak, molekulalar tasodifiy ravishda xona boʻylab turli yoʻllar bilan uchadi. Ularni tartibga solishda muntazamlik yo'q, tizimda tartib yo'q, mikrostatlar uchun variantlarni qanday o'zgartirsangiz ham, tushunarli tuzilmani kuzatib bo'lmaydi. Stakanda ham xuddi shunday edi, lekin cheklangan joy tufayli molekulalar o'z o'rnini unchalik faol o'zgartirmadi.
Tizimning eng tartibsiz, tartibsiz holatiehtimol uning maksimal entropiyasiga to'g'ri keladi. Stakandagi suv quyi entropiya holatiga misoldir. Xona bo'ylab teng taqsimlangan tartibsizlikdan unga o'tish deyarli mumkin emas.
Barchamiz uchun tushunarliroq misol keltiraylik - uydagi tartibsizliklarni tozalash. Har bir narsani o'z o'rniga qo'yish uchun biz ham energiya sarflashimiz kerak. Ushbu ish jarayonida biz qizib ketamiz (ya'ni muzlatmaymiz). Ma'lum bo'lishicha, entropiya foydali bo'lishi mumkin. Bu shunday. Biz bundan ham ko'proq narsani aytishimiz mumkin: entropiya va u orqali termodinamikaning ikkinchi qonuni (energiya bilan birga) koinotni boshqaradi. Keling, qayta tiklanadigan jarayonlarni yana bir bor ko'rib chiqaylik. Agar entropiya bo'lmasa, dunyo shunday ko'rinishga ega bo'lardi: rivojlanish, galaktikalar, yulduzlar, sayyoralar bo'lmasa. Hayot yo'q…
"issiqlik o'limi" haqida bir oz ko'proq ma'lumot. Yaxshi xabar bor. Statistik nazariyaga ko'ra, "taqiqlangan" jarayonlar aslida dargumon bo'lgani uchun, termodinamik muvozanat tizimida tebranishlar paydo bo'ladi - termodinamikaning ikkinchi qonunining o'z-o'zidan buzilishi. Ular o'zboshimchalik bilan katta bo'lishi mumkin. Gravitatsiya termodinamik tizimga kiritilganda, zarrachalarning tarqalishi endi xaotik bir xil bo'lmaydi va maksimal entropiya holatiga erishilmaydi. Bundan tashqari, Olam o'zgarmas, doimiy, harakatsiz emas. Shuning uchun "issiqlik o'limi" haqidagi savolning o'zi ma'nosizdir.
