Termodinamik sebagai cabang bebas sains fizik muncul pada separuh pertama abad ke-19. Zaman mesin telah menjelma. Revolusi perindustrian memerlukan kajian dan pemahaman tentang proses yang berkaitan dengan pengendalian enjin haba. Pada awal era mesin, pencipta tunggal hanya mampu menggunakan gerak hati dan "kaedah cucuk". Tiada ketenteraman awam untuk penemuan dan ciptaan, bahkan tidak terfikir oleh sesiapa pun bahawa ia boleh berguna. Tetapi apabila mesin haba (dan sedikit kemudian, elektrik) menjadi asas pengeluaran, keadaan berubah. Para saintis akhirnya secara beransur-ansur menyelesaikan kekeliruan istilah yang berlaku sehingga pertengahan abad ke-19, memutuskan apa yang perlu dipanggil tenaga, apa daya, apa dorongan.
Apakah postulat termodinamik
Mari kita mulakan dengan pengetahuan umum. Termodinamik klasik adalah berdasarkan beberapa postulat (prinsip) yang diperkenalkan secara berturut-turut sepanjang abad ke-19. Maksudnya, peruntukan ini tidakboleh dibuktikan di dalamnya. Ia dirumuskan sebagai hasil generalisasi data empirikal.
Hukum pertama ialah penggunaan undang-undang pemuliharaan tenaga kepada perihalan kelakuan sistem makroskopik (terdiri daripada sejumlah besar zarah). Secara ringkas, ia boleh dirumuskan seperti berikut: stok tenaga dalaman sistem termodinamik terpencil sentiasa kekal malar.
Maksud hukum kedua termodinamik ialah untuk menentukan arah proses berjalan dalam sistem tersebut.
Hukum ketiga membolehkan anda menentukan kuantiti seperti entropi dengan tepat. Pertimbangkan dengan lebih terperinci.
Konsep entropi
Perumusan hukum kedua termodinamik telah dicadangkan pada tahun 1850 oleh Rudolf Clausius: "Adalah mustahil untuk memindahkan haba secara spontan daripada jasad yang kurang panas kepada yang lebih panas." Pada masa yang sama, Clausius menekankan merit Sadi Carnot, yang seawal tahun 1824 menyatakan bahawa bahagian tenaga yang boleh ditukar kepada kerja enjin haba hanya bergantung pada perbezaan suhu antara pemanas dan peti sejuk.
Dalam perkembangan lanjut undang-undang kedua termodinamik, Clausius memperkenalkan konsep entropi - ukuran jumlah tenaga yang berubah secara tidak dapat diubah menjadi bentuk yang tidak sesuai untuk ditukar kepada kerja. Clausius menyatakan nilai ini dengan formula dS=dQ/T, di mana dS menentukan perubahan dalam entropi. Di sini:
dQ - perubahan haba;
T - suhu mutlak (yang diukur dalam Kelvin).
Contoh mudah: sentuh hud kereta anda semasa enjin hidup. Dia jelaslebih panas daripada persekitaran. Tetapi enjin kereta tidak direka untuk memanaskan hud atau air dalam radiator. Dengan menukarkan tenaga kimia petrol kepada tenaga haba, dan kemudian kepada tenaga mekanikal, ia melakukan kerja yang berguna - ia memutarkan aci. Tetapi kebanyakan haba yang dihasilkan terbuang, kerana tiada kerja berguna boleh dikeluarkan daripadanya, dan apa yang keluar dari paip ekzos sama sekali bukan petrol. Dalam kes ini, tenaga haba hilang, tetapi tidak hilang, tetapi hilang (dissipates). Hud panas, sudah tentu, menyejukkan, dan setiap kitaran silinder dalam enjin menambah haba padanya semula. Oleh itu, sistem cenderung untuk mencapai keseimbangan termodinamik.
Ciri entropi
Clausius memperoleh prinsip umum untuk hukum kedua termodinamik dalam formula dS ≧ 0. Makna fizikalnya boleh ditakrifkan sebagai "tidak berkurangan" entropi: dalam proses boleh balik ia tidak berubah, dalam proses tidak boleh balik ia meningkat.
Perlu diingatkan bahawa semua proses sebenar tidak dapat dipulihkan. Istilah "tidak berkurangan" hanya mencerminkan fakta bahawa versi ideal yang mungkin secara teorinya juga termasuk dalam pertimbangan fenomena tersebut. Iaitu, jumlah tenaga yang tidak tersedia dalam sebarang proses spontan meningkat.
Kemungkinan mencapai sifar mutlak
Max Planck memberi sumbangan serius kepada pembangunan termodinamik. Di samping mengusahakan tafsiran statistik undang-undang kedua, beliau mengambil bahagian aktif dalam mempostulatkan undang-undang ketiga termodinamik. Formulasi pertama adalah milik W alter Nernst dan merujuk kepada 1906. Teorem Nernst menganggaptingkah laku sistem keseimbangan pada suhu cenderung kepada sifar mutlak. Hukum termodinamik pertama dan kedua menjadikannya mustahil untuk mengetahui keadaan entropi dalam keadaan tertentu.
Apabila T=0 K, tenaga adalah sifar, zarah-zarah sistem menghentikan gerakan terma huru-hara dan membentuk struktur tersusun, kristal dengan kebarangkalian termodinamik sama dengan satu. Ini bermakna bahawa entropi juga lenyap (di bawah kita akan mengetahui mengapa ini berlaku). Pada hakikatnya, ia juga melakukan ini sedikit lebih awal, yang bermaksud bahawa penyejukan mana-mana sistem termodinamik, mana-mana badan kepada sifar mutlak adalah mustahil. Suhu akan sewenang-wenangnya mendekati titik ini, tetapi tidak akan mencapainya.
Perpetuum mudah alih: tidak, walaupun anda benar-benar mahu
Clausius menyamaratakan dan merumuskan hukum termodinamik pertama dan kedua dengan cara ini: jumlah tenaga mana-mana sistem tertutup sentiasa kekal malar, dan jumlah entropi meningkat mengikut masa.
Bahagian pertama pernyataan ini mengenakan larangan pada mesin gerakan kekal jenis pertama - peranti yang berfungsi tanpa kemasukan tenaga daripada sumber luaran. Bahagian kedua juga melarang mesin gerakan kekal jenis kedua. Mesin sedemikian akan memindahkan tenaga sistem ke dalam kerja tanpa pampasan entropi, tanpa melanggar undang-undang pemuliharaan. Adalah mungkin untuk mengepam keluar haba daripada sistem keseimbangan, contohnya, untuk menggoreng telur hancur atau menuang keluli kerana tenaga pergerakan terma molekul air, dengan itu menyejukkannya.
Hukum termodinamik kedua dan ketiga melarang mesin gerakan kekal jenis kedua.
Aduhai, tiada apa yang boleh diperolehi dari alam semulajadi, bukan sahaja percuma, anda juga perlu membayar komisen.
Kematian Panas
Terdapat beberapa konsep dalam sains yang menyebabkan begitu banyak emosi yang samar-samar bukan sahaja di kalangan masyarakat umum, tetapi juga di kalangan saintis sendiri, seperti entropi. Ahli fizik, dan pertama sekali Clausius sendiri, hampir serta-merta mengekstrapolasi undang-undang tidak menurun, pertama ke Bumi, dan kemudian ke seluruh Alam Semesta (mengapa tidak, kerana ia juga boleh dianggap sebagai sistem termodinamik). Akibatnya, kuantiti fizikal, elemen pengiraan penting dalam banyak aplikasi teknikal, mula dianggap sebagai penjelmaan sejenis Kejahatan sejagat yang memusnahkan dunia yang cerah dan baik.
Terdapat juga pendapat sedemikian di kalangan saintis: memandangkan, mengikut undang-undang kedua termodinamik, entropi tumbuh tidak dapat dipulihkan, lambat laun semua tenaga Alam Semesta merosot menjadi bentuk meresap, dan "kematian haba" akan datang. Apa yang perlu digembirakan? Clausius, sebagai contoh, teragak-agak selama beberapa tahun untuk menerbitkan penemuannya. Sudah tentu, hipotesis "kematian haba" segera menimbulkan banyak bantahan. Terdapat keraguan serius tentang ketepatannya walaupun sekarang.
Daemon Sorter
Pada tahun 1867, James Maxwell, salah seorang pengarang teori kinetik molekul gas, dalam eksperimen yang sangat visual (walaupun fiksyen) menunjukkan paradoks yang seolah-olah undang-undang kedua termodinamik. Pengalaman itu boleh diringkaskan seperti berikut.
Biar ada kapal dengan gas. Molekul di dalamnya bergerak secara rawak, kelajuannya adalah beberapaberbeza, tetapi tenaga kinetik purata adalah sama di seluruh kapal. Sekarang kita membahagikan kapal dengan partition kepada dua bahagian terpencil. Halaju purata molekul dalam kedua-dua bahagian kapal akan kekal sama. Pembahagian itu dikawal oleh syaitan kecil yang membolehkan molekul "panas" yang lebih cepat menembusi satu bahagian, dan molekul "sejuk" yang lebih perlahan ke bahagian yang lain. Akibatnya, gas akan menjadi panas pada separuh pertama dan menyejukkan pada separuh kedua, iaitu sistem akan bergerak dari keadaan keseimbangan termodinamik kepada beza keupayaan suhu, yang bermaksud penurunan entropi.
Masalah keseluruhannya ialah dalam eksperimen sistem tidak membuat peralihan ini secara spontan. Ia menerima tenaga dari luar, kerana partition itu membuka dan menutup, atau sistem semestinya termasuk syaitan yang menggunakan tenaganya untuk tugas penjaga pintu. Peningkatan dalam entropi syaitan akan lebih daripada menampung pengurangan gasnya.
Molekul Tidak Terkawal
Ambil segelas air dan biarkan di atas meja. Ia tidak perlu untuk menonton kaca, ia cukup untuk kembali selepas beberapa ketika dan periksa keadaan air di dalamnya. Kita akan lihat bahawa bilangannya telah berkurangan. Jika anda meninggalkan gelas untuk masa yang lama, tiada air akan ditemui di dalamnya sama sekali, kerana semuanya akan tersejat. Pada permulaan proses, semua molekul air berada di kawasan ruang tertentu yang dihadkan oleh dinding kaca. Pada akhir percubaan, mereka bertaburan di seluruh bilik. Dalam jumlah bilik, molekul mempunyai lebih banyak peluang untuk menukar lokasi mereka tanpa sebarangakibat kepada keadaan sistem. Tidak mungkin kita boleh mengumpulkannya ke dalam "kolektif" yang dipateri dan mematerinya semula ke dalam gelas untuk meminum air dengan manfaat kesihatan.
Ini bermakna sistem telah berkembang kepada keadaan entropi yang lebih tinggi. Berdasarkan undang-undang kedua termodinamik, entropi, atau proses serakan zarah sistem (dalam kes ini, molekul air) tidak boleh diterbalikkan. Kenapa begitu?
Clausius tidak menjawab soalan ini dan tidak ada orang lain yang dapat menjawab sebelum Ludwig Boltzmann.
Makro dan keadaan mikro
Pada tahun 1872, saintis ini memperkenalkan tafsiran statistik undang-undang kedua termodinamik ke dalam sains. Lagipun, sistem makroskopik yang berurusan dengan termodinamik dibentuk oleh sebilangan besar unsur yang tingkah lakunya mematuhi undang-undang statistik.
Mari kita kembali kepada molekul air. Terbang secara rawak di sekeliling bilik, mereka boleh mengambil kedudukan yang berbeza, mempunyai beberapa perbezaan dalam kelajuan (molekul sentiasa berlanggar antara satu sama lain dan dengan zarah lain di udara). Setiap varian keadaan sistem molekul dipanggil keadaan mikro, dan terdapat sejumlah besar varian tersebut. Apabila melaksanakan sebahagian besar pilihan, keadaan makro sistem tidak akan berubah dalam apa jua cara.
Tiada apa-apa yang terlarang, tetapi sesuatu yang sangat tidak mungkin
Hubungan terkenal S=k lnW menghubungkan bilangan cara yang mungkin di mana keadaan makro tertentu bagi sistem termodinamik (W) boleh dinyatakan dengan entropinya S. Nilai W dipanggil kebarangkalian termodinamik. Bentuk akhir formula ini diberikan oleh Max Planck. Pekali k, nilai yang sangat kecil (1.38×10−23 J/K) yang mencirikan hubungan antara tenaga dan suhu, Planck memanggil pemalar Boltzmann sebagai penghormatan kepada saintis yang merupakan pertama untuk mencadangkan tafsiran statistik yang kedua permulaan termodinamik.
Jelas bahawa W ialah nombor asli 1, 2, 3, …N (tiada nombor pecahan cara). Maka logaritma W, dan oleh itu entropi, tidak boleh negatif. Dengan satu-satunya keadaan mikro yang mungkin untuk sistem, entropi menjadi sama dengan sifar. Jika kita kembali ke kaca kita, postulat ini boleh diwakili seperti berikut: molekul air, secara rawak bergegas di sekeliling bilik, kembali ke kaca. Pada masa yang sama, masing-masing betul-betul mengulangi laluannya dan mengambil tempat yang sama di dalam kaca di mana ia sebelum berlepas. Tiada apa-apa yang melarang pelaksanaan pilihan ini, di mana entropi adalah sama dengan sifar. Tunggu sahaja pelaksanaan kebarangkalian yang semakin kecil itu tidak berbaloi. Ini adalah salah satu contoh perkara yang hanya boleh dilakukan secara teori.
Semuanya bercampur aduk dalam rumah…
Jadi molekul-molekul itu terbang secara rawak mengelilingi bilik dengan cara yang berbeza. Tidak ada ketetapan dalam susunan mereka, tidak ada susunan dalam sistem, tidak kira bagaimana anda menukar pilihan untuk keadaan mikro, tiada struktur yang boleh difahami dapat dikesan. Ia adalah sama dalam kaca, tetapi disebabkan ruang yang terhad, molekul tidak mengubah kedudukannya dengan begitu aktif.
Keadaan sistem yang huru-hara dan tidak teratur adalah yang paling banyakkemungkinan sepadan dengan entropi maksimumnya. Air dalam gelas adalah contoh keadaan entropi yang lebih rendah. Peralihan kepadanya daripada huru-hara yang tersebar merata di seluruh bilik adalah hampir mustahil.
Mari kita berikan contoh yang lebih mudah difahami untuk kita semua - membersihkan kekusutan di dalam rumah. Untuk meletakkan segala-galanya pada tempatnya, kita juga perlu mengeluarkan tenaga. Dalam proses kerja ini, kita menjadi panas (iaitu, kita tidak membeku). Ternyata entropi boleh berguna. Inilah kesnya. Kita boleh mengatakan lebih banyak lagi: entropi, dan melaluinya undang-undang kedua termodinamik (bersama-sama dengan tenaga) mengawal alam semesta. Mari kita lihat lagi proses boleh balik. Beginilah rupa dunia jika tiada entropi: tiada pembangunan, tiada galaksi, bintang, planet. Tiada kehidupan…
Sedikit maklumat lanjut tentang "kematian haba". Ada berita baik. Oleh kerana, menurut teori statistik, proses "dilarang" sebenarnya tidak mungkin, turun naik timbul dalam sistem keseimbangan termodinamik - pelanggaran spontan undang-undang kedua termodinamik. Mereka boleh sewenang-wenangnya besar. Apabila graviti dimasukkan ke dalam sistem termodinamik, taburan zarah tidak lagi seragam secara huru-hara, dan keadaan entropi maksimum tidak akan dicapai. Di samping itu, Alam Semesta tidak berubah, tetap, pegun. Oleh itu, rumusan persoalan "kematian haba" tidak bermakna.
