Termodinamika si një degë e pavarur e shkencës fizike u ngrit në gjysmën e parë të shekullit të 19-të. Epoka e makinave ka zbardhur. Revolucioni industrial kërkoi studimin dhe kuptimin e proceseve që lidhen me funksionimin e motorëve me nxehtësi. Në agimin e epokës së makinerive, shpikësit e vetmuar mund të përballonin përdorimin e vetëm intuitës dhe "metodës poke". Nuk kishte urdhër publik për zbulime dhe shpikje, askujt nuk i shkonte ndërmend se ato mund të ishin të dobishme. Por kur makinat termike (dhe pak më vonë elektrike) u bënë baza e prodhimit, situata ndryshoi. Shkencëtarët më në fund zgjidhën gradualisht konfuzionin terminologjik që mbizotëronte deri në mesin e shekullit të 19-të, duke vendosur se çfarë të quajnë energji, çfarë force, çfarë impulsi.
Çfarë postulon termodinamika
Le të fillojmë me njohuritë e zakonshme. Termodinamika klasike bazohet në disa postulate (parime) që u prezantuan me sukses gjatë shekullit të 19-të. Domethënë, këto dispozita nuk janëtë dëshmueshme brenda saj. Ato u formuluan si rezultat i përgjithësimit të të dhënave empirike.
Ligji i parë është zbatimi i ligjit të ruajtjes së energjisë në përshkrimin e sjelljes së sistemeve makroskopike (që përbëhen nga një numër i madh grimcash). Shkurtimisht, mund të formulohet si më poshtë: rezerva e energjisë së brendshme të një sistemi termodinamik të izoluar mbetet gjithmonë konstant.
Kuptimi i ligjit të dytë të termodinamikës është të përcaktojë drejtimin në të cilin proceset zhvillohen në sisteme të tilla.
Ligji i tretë ju lejon të përcaktoni me saktësi një sasi të tillë si entropia. Konsideroni atë në më shumë detaje.
Koncepti i entropisë
Formulimi i ligjit të dytë të termodinamikës u propozua në 1850 nga Rudolf Clausius: "Është e pamundur të transferohet spontanisht nxehtësia nga një trup më pak i nxehtë në një trup më të nxehtë." Në të njëjtën kohë, Clausius theksoi meritën e Sadi Carnot, i cili qysh në vitin 1824 vendosi se përqindja e energjisë që mund të shndërrohet në punën e një motori ngrohjeje varet vetëm nga ndryshimi i temperaturës midis ngrohësit dhe frigoriferit.
Në zhvillimin e mëtejshëm të ligjit të dytë të termodinamikës, Clausius prezanton konceptin e entropisë - një masë e sasisë së energjisë që shndërrohet në mënyrë të pakthyeshme në një formë të papërshtatshme për shndërrim në punë. Clausius e shprehu këtë vlerë me formulën dS=dQ/T, ku dS përcakton ndryshimin e entropisë. Këtu:
dQ - ndryshimi i nxehtësisë;
T - temperatura absolute (ajo e matur në Kelvin).
Një shembull i thjeshtë: prekni kapakun e makinës tuaj me motorin në punë. Ai është i qartëmë të ngrohtë se mjedisi. Por motori i makinës nuk është projektuar për të ngrohur kapuçin ose ujin në radiator. Duke e kthyer energjinë kimike të benzinës në energji termike, dhe më pas në energji mekanike, ajo bën punë të dobishme - rrotullon boshtin. Por pjesa më e madhe e nxehtësisë së prodhuar harxhohet, pasi prej saj nuk mund të nxirret asnjë punë e dobishme dhe ajo që del nga tubi i shkarkimit nuk është aspak benzinë. Në këtë rast, energjia termike humbet, por nuk zhduket, por shpërndahet (shpërndahet). Një kapuç i nxehtë, natyrisht, ftohet dhe çdo cikël cilindrash në motor i shton nxehtësinë përsëri. Kështu, sistemi tenton të arrijë ekuilibrin termodinamik.
Veçoritë e entropisë
Clausius nxori parimin e përgjithshëm për ligjin e dytë të termodinamikës në formulën dS ≧ 0. Kuptimi fizik i tij mund të përkufizohet si "moszvogëlimi" i entropisë: në proceset e kthyeshme nuk ndryshon, në procese të pakthyeshme. ajo rritet.
Duhet të theksohet se të gjitha proceset reale janë të pakthyeshme. Termi "jo në rënie" pasqyron vetëm faktin se në shqyrtimin e fenomenit përfshihet edhe një version i idealizuar teorikisht i mundshëm. Kjo do të thotë, sasia e energjisë së padisponueshme në çdo proces spontan rritet.
Mundësia për të arritur zero absolute
Max Planck dha një kontribut serioz në zhvillimin e termodinamikës. Përveç punës në interpretimin statistikor të ligjit të dytë, ai mori pjesë aktive në postulimin e ligjit të tretë të termodinamikës. Formulimi i parë i përket W alter Nernst dhe i referohet vitit 1906. Teorema e Nernst-it merr në konsideratësjellja e një sistemi ekuilibri në një temperaturë që priret në zero absolute. Ligji i parë dhe i dytë i termodinamikës e bëjnë të pamundur të zbulohet se cila do të jetë entropia në kushte të caktuara.
Kur T=0 K, energjia është zero, grimcat e sistemit ndalojnë lëvizjen termike kaotike dhe formojnë një strukturë të renditur, një kristal me një probabilitet termodinamik të barabartë me një. Kjo do të thotë që edhe entropia zhduket (më poshtë do të zbulojmë pse ndodh kjo). Në realitet, edhe këtë e bën pak më herët, që do të thotë se ftohja e çdo sistemi termodinamik, e çdo trupi në zero absolute është e pamundur. Temperatura do t'i afrohet në mënyrë arbitrare kësaj pike, por nuk do ta arrijë atë.
Perpetuum mobile: jo, edhe nëse vërtet dëshiron
Clausius përgjithësoi dhe formuloi ligjet e parë dhe të dytë të termodinamikës në këtë mënyrë: energjia totale e çdo sistemi të mbyllur mbetet gjithmonë konstante dhe entropia totale rritet me kalimin e kohës.
Pjesa e parë e kësaj deklarate imponon një ndalim për makinën me lëvizje të përhershme të llojit të parë - një pajisje që funksionon pa një fluks energjie nga një burim i jashtëm. Pjesa e dytë gjithashtu ndalon makinën e lëvizjes së përhershme të llojit të dytë. Një makinë e tillë do të transferonte energjinë e sistemit në punë pa kompensim entropie, pa shkelur ligjin e ruajtjes. Do të ishte e mundur të pompohej nxehtësia nga një sistem ekuilibri, për shembull, të skuqen vezët e fërguara ose të derdhen çeliku për shkak të energjisë së lëvizjes termike të molekulave të ujit, duke e ftohur atë.
Ligji i dytë dhe i tretë i termodinamikës ndalojnë një makinë me lëvizje të përhershme të llojit të dytë.
Mjerisht, asgjë nuk mund të merret nga natyra, jo vetëm falas, duhet të paguash edhe një komision.
Vdekja nga nxehtësia
Ka pak koncepte në shkencë që shkaktuan kaq shumë emocione të paqarta jo vetëm tek publiku i gjerë, por edhe tek vetë shkencëtarët, aq sa entropia. Fizikanët, dhe para së gjithash vetë Clausius, pothuajse menjëherë ekstrapoluan ligjin e moszvogëlimit, fillimisht në Tokë dhe më pas në të gjithë Universin (pse jo, sepse mund të konsiderohet edhe një sistem termodinamik). Si rezultat, një sasi fizike, një element i rëndësishëm i llogaritjeve në shumë aplikime teknike, filloi të perceptohej si mishërimi i një lloj të keqeje universale që shkatërron një botë të ndritshme dhe të sjellshme.
Ka edhe mendime të tilla midis shkencëtarëve: meqenëse, sipas ligjit të dytë të termodinamikës, entropia rritet në mënyrë të pakthyeshme, herët a vonë e gjithë energjia e Universit degradon në një formë difuze dhe "vdekja nga nxehtësia" do të vijë. Çfarë ka për të qenë të lumtur? Clausius, për shembull, hezitoi për disa vite për të publikuar gjetjet e tij. Sigurisht, hipoteza e "vdekjes nga nxehtësia" ngjalli menjëherë shumë kundërshtime. Ka dyshime serioze për korrektësinë e tij edhe tani.
Sorter Daemon
Në 1867, James Maxwell, një nga autorët e teorisë molekulare-kinetike të gazeve, në një eksperiment shumë vizual (ndonëse imagjinar) demonstroi paradoksin në dukje të ligjit të dytë të termodinamikës. Përvoja mund të përmblidhet si më poshtë.
Le të ketë një enë me gaz. Molekulat në të lëvizin rastësisht, shpejtësitë e tyre janë disandryshojnë, por energjia mesatare kinetike është e njëjtë në të gjithë anijen. Tani e ndajmë enën me një ndarje në dy pjesë të izoluara. Shpejtësia mesatare e molekulave në të dy gjysmat e enës do të mbetet e njëjtë. Ndarja ruhet nga një demon i vogël që lejon molekulat më të shpejta, "të nxehta" të depërtojnë në një pjesë dhe molekulat "të ftohta" më të ngad alta në një tjetër. Si rezultat, gazi do të nxehet në gjysmën e parë dhe do të ftohet në gjysmën e dytë, domethënë, sistemi do të kalojë nga gjendja e ekuilibrit termodinamik në një ndryshim të mundshëm të temperaturës, që do të thotë një ulje e entropisë.
I gjithë problemi është se në eksperiment sistemi nuk e bën këtë tranzicion në mënyrë spontane. Ai merr energji nga jashtë, për shkak të së cilës ndarja hapet dhe mbyllet, ose sistemi përfshin domosdoshmërisht një demon që harxhon energjinë e tij në detyrat e një portieri. Rritja e entropisë së demonit do të mbulojë më shumë se zvogëlimin e gazit të tij.
Molekulat e padisiplinuara
Merrni një gotë ujë dhe lëreni në tavolinë. Nuk është e nevojshme të shikoni gotën, mjafton të ktheheni pas pak dhe të kontrolloni gjendjen e ujit në të. Do të shohim që numri i tij është zvogëluar. Nëse e lini gotën për një kohë të gjatë, nuk do të gjendet fare ujë në të, pasi i gjithë do të avullojë. Në fillim të procesit, të gjitha molekulat e ujit ishin në një zonë të caktuar të hapësirës të kufizuar nga muret e xhamit. Në fund të eksperimentit, ata u shpërndanë në të gjithë dhomën. Në vëllimin e një dhome, molekulat kanë shumë më tepër mundësi për të ndryshuar vendndodhjen e tyre pa asnjëpasojat për gjendjen e sistemit. Nuk ka asnjë mënyrë që t'i mbledhim në një "kolektiv" të salduar dhe t'i kthejmë në një gotë për të pirë ujë me përfitime shëndetësore.
Kjo do të thotë që sistemi ka evoluar në një gjendje entropie më të lartë. Bazuar në ligjin e dytë të termodinamikës, entropia ose procesi i shpërndarjes së grimcave të sistemit (në këtë rast, molekulave të ujit) është i pakthyeshëm. Pse është kështu?
Clausius nuk iu përgjigj kësaj pyetjeje dhe askush tjetër nuk mundi përpara Ludwig Boltzmann.
Makro dhe mikrostate
Në vitin 1872, ky shkencëtar futi në shkencë interpretimin statistikor të ligjit të dytë të termodinamikës. Në fund të fundit, sistemet makroskopike me të cilat merret termodinamika formohen nga një numër i madh elementësh, sjellja e të cilëve u bindet ligjeve statistikore.
Le të kthehemi te molekulat e ujit. Duke fluturuar rastësisht nëpër dhomë, ata mund të marrin pozicione të ndryshme, të kenë disa ndryshime në shpejtësi (molekulat përplasen vazhdimisht me njëra-tjetrën dhe me grimcat e tjera në ajër). Çdo variant i gjendjes së një sistemi molekulash quhet mikroshtet, dhe ka një numër të madh variantesh të tilla. Kur zbatoni shumicën dërrmuese të opsioneve, gjendja makro e sistemit nuk do të ndryshojë në asnjë mënyrë.
Asgjë nuk është jashtë kufijve, por diçka është shumë e pamundur
Lidhja e famshme S=k lnW lidh numrin e mënyrave të mundshme në të cilat një makrostate e caktuar e një sistemi termodinamik (W) mund të shprehet me entropinë e tij S. Vlera e W quhet probabilitet termodinamik. Forma përfundimtare e kësaj formule u dha nga Max Planck. Koeficienti k, një vlerë jashtëzakonisht e vogël (1,38×10−23 J/K) që karakterizon marrëdhënien midis energjisë dhe temperaturës, Planck e quajti konstanten e Boltzmann-it për nder të shkencëtarit që ishte së pari propozoi një interpretim statistikor të së dytit fillimin e termodinamikës.
Është e qartë se W është gjithmonë një numër natyror 1, 2, 3, …N (nuk ka numër thyesor mënyrash). Atëherë logaritmi W, dhe rrjedhimisht entropia, nuk mund të jenë negative. Me të vetmen mikrogjendje të mundshme për sistemin, entropia bëhet e barabartë me zero. Nëse kthehemi në gotën tonë, ky postulat mund të përfaqësohet si më poshtë: molekulat e ujit, që rrotullohen rastësisht nëpër dhomë, kthehen përsëri në gotë. Në të njëjtën kohë, secili përsëriti saktësisht rrugën e tij dhe zuri të njëjtin vend në gotën në të cilën ishte para nisjes. Asgjë nuk e ndalon zbatimin e këtij opsioni, në të cilin entropia është e barabartë me zero. Thjesht prisni për zbatimin e një probabiliteti kaq të vogël që zhduket nuk ia vlen. Ky është një shembull i asaj që mund të bëhet vetëm teorikisht.
Gjithçka është e përzier në shtëpi…
Pra, molekulat po fluturojnë rastësisht nëpër dhomë në mënyra të ndryshme. Nuk ka rregullsi në rregullimin e tyre, nuk ka rregull në sistem, pavarësisht se si i ndryshoni opsionet për mikrostatet, nuk mund të gjurmohet asnjë strukturë e kuptueshme. Kështu ishte edhe në gotë, por për shkak të hapësirës së kufizuar, molekulat nuk e ndryshuan pozicionin e tyre në mënyrë kaq aktive.
Gjendja kaotike, e çrregullt e sistemit si mëprobabilja korrespondon me entropinë e saj maksimale. Uji në një gotë është një shembull i një gjendjeje më të ulët të entropisë. Kalimi në të nga kaosi i shpërndarë në mënyrë të barabartë në të gjithë dhomën është pothuajse i pamundur.
Le të japim një shembull më të kuptueshëm për të gjithë ne - pastrimin e rrëmujës në shtëpi. Për të vendosur gjithçka në vendin e vet, duhet të shpenzojmë edhe energji. Në procesin e kësaj pune nxehemi (d.m.th., nuk ngrijmë). Rezulton se entropia mund të jetë e dobishme. Ky është rasti. Mund të themi edhe më shumë: entropia, dhe përmes saj ligji i dytë i termodinamikës (së bashku me energjinë) qeverisin universin. Le t'i hedhim një vështrim tjetër proceseve të kthyeshme. Kështu do të dukej bota nëse nuk do të kishte entropi: pa zhvillim, pa galaktika, yje, planetë. Pa jetë…
Pak më shumë informacion rreth "vdekjes nga nxehtësia". Ka një lajm të mirë. Meqenëse, sipas teorisë statistikore, proceset "të ndaluara" në fakt nuk kanë gjasa, lindin luhatje në një sistem ekuilibri termodinamik - shkelje spontane të ligjit të dytë të termodinamikës. Ato mund të jenë arbitrarisht të mëdha. Kur graviteti përfshihet në sistemin termodinamik, shpërndarja e grimcave nuk do të jetë më uniforme kaotike dhe nuk do të arrihet gjendja e entropisë maksimale. Për më tepër, Universi nuk është i pandryshueshëm, konstant, i palëvizshëm. Prandaj, vetë formulimi i çështjes së "vdekjes nga nxehtësia" është i pakuptimtë.
