Thermodynamics kama tawi huru la sayansi ya kimwili iliibuka katika nusu ya kwanza ya karne ya 19. Umri wa mashine umeingia. Mapinduzi ya viwanda yalihitaji utafiti na uelewa wa taratibu zinazohusiana na uendeshaji wa injini za joto. Mwanzoni mwa enzi ya mashine, wavumbuzi pekee waliweza kumudu kutumia angavu na "njia ya poke". Hakukuwa na utaratibu wa umma kwa uvumbuzi na uvumbuzi, haikuweza hata kutokea kwa mtu yeyote kwamba inaweza kuwa na manufaa. Lakini wakati mashine za joto (na baadaye kidogo, umeme) zikawa msingi wa uzalishaji, hali ilibadilika. Hatimaye wanasayansi walitatua mkanganyiko wa istilahi uliokuwapo hadi katikati ya karne ya 19, wakiamua nini wangeita nishati, nguvu gani, msukumo gani.
Ni nini kiashiria cha thermodynamics
Hebu tuanze na maarifa ya kawaida. Thermodynamics ya zamani inategemea machapisho (kanuni) kadhaa ambazo zilianzishwa mfululizo katika karne ya 19. Hiyo ni, masharti haya sioinayoweza kuthibitishwa ndani yake. Ziliundwa kama matokeo ya ujanibishaji wa data ya majaribio.
Sheria ya kwanza ni matumizi ya sheria ya uhifadhi wa nishati kwa maelezo ya tabia ya mifumo ya macroscopic (inayojumuisha idadi kubwa ya chembe). Kwa kifupi, inaweza kutengenezwa kama ifuatavyo: akiba ya nishati ya ndani ya mfumo uliotengwa wa thermodynamics daima hubaki bila kubadilika.
Maana ya sheria ya pili ya thermodynamics ni kuamua mwelekeo ambao michakato huendelea katika mifumo kama hiyo.
Sheria ya tatu inakuruhusu kubainisha kwa usahihi idadi kama vile entropy. Itafakari kwa undani zaidi.
Dhana ya entropy
Uundaji wa sheria ya pili ya thermodynamics ulipendekezwa mwaka wa 1850 na Rudolf Clausius: "Haiwezekani kuhamisha joto kutoka kwa mwili wenye joto kidogo hadi kwenye moto zaidi." Wakati huo huo, Clausius alisisitiza sifa ya Sadi Carnot, ambaye mapema mwaka wa 1824 aligundua kwamba uwiano wa nishati ambayo inaweza kubadilishwa kuwa kazi ya injini ya joto inategemea tu tofauti ya joto kati ya heater na jokofu.
Katika maendeleo zaidi ya sheria ya pili ya thermodynamics, Clausius anatanguliza dhana ya entropy - kipimo cha kiasi cha nishati ambacho hubadilika bila kutenduliwa kuwa fomu isiyofaa kwa ubadilishaji kuwa kazi. Clausius alionyesha thamani hii kwa fomula dS=dQ/T, ambapo dS huamua mabadiliko katika entropy. Hapa:
dQ - mabadiliko ya joto;
T - halijoto kamili (ile iliyopimwa kwa Kelvin).
Mfano rahisi: gusa kofia ya gari lako na injini inayofanya kazi. Yeye ni wazijoto kuliko mazingira. Lakini injini ya gari haijaundwa ili joto hood au maji katika radiator. Kwa kubadilisha nishati ya kemikali ya petroli katika nishati ya joto, na kisha katika nishati ya mitambo, inafanya kazi muhimu - inazunguka shimoni. Lakini joto nyingi zinazozalishwa hupotea, kwa kuwa hakuna kazi muhimu inayoweza kutolewa kutoka kwayo, na kile kinachoruka nje ya bomba la kutolea nje sio petroli. Katika kesi hiyo, nishati ya joto hupotea, lakini haina kutoweka, lakini hutengana (hupunguza). Hood ya moto, bila shaka, hupungua, na kila mzunguko wa mitungi kwenye injini huongeza joto ndani yake tena. Kwa hivyo, mfumo unaelekea kufikia usawa wa halijoto.
Vipengele vya entropy
Clausius alipata kanuni ya jumla ya sheria ya pili ya thermodynamics katika fomula dS ≧ 0. Maana yake ya kimwili inaweza kufafanuliwa kama "kutopungua" kwa entropy: katika michakato ya kubadilishwa haibadiliki, katika michakato isiyoweza kutenduliwa. inaongezeka.
Ikumbukwe kwamba michakato yote halisi haiwezi kutenduliwa. Neno "kutopungua" linaonyesha tu ukweli kwamba toleo linalowezekana la kinadharia pia linajumuishwa katika kuzingatia jambo hilo. Hiyo ni, kiasi cha nishati isiyopatikana katika mchakato wowote wa hiari huongezeka.
Uwezekano wa kufikia sufuri kabisa
Max Planck alitoa mchango mkubwa katika ukuzaji wa thermodynamics. Mbali na kufanya kazi katika tafsiri ya takwimu ya sheria ya pili, alishiriki kikamilifu katika kuwasilisha sheria ya tatu ya thermodynamics. Uundaji wa kwanza ni wa W alter Nernst na unarejelea 1906. Nadharia ya Nernst inazingatiatabia ya mfumo wa usawa katika halijoto inayoelekea sifuri kabisa. Sheria ya kwanza na ya pili ya thermodynamics inafanya kuwa vigumu kujua nini entropy itakuwa chini ya masharti fulani.
Wakati T=0 K, nishati ni sifuri, chembechembe za mfumo husimamisha mwendo wa hali ya joto uliochafuka na kuunda muundo uliopangwa, fuwele iliyo na uwezekano wa thermodynamic sawa na mmoja. Hii ina maana kwamba entropy pia hupotea (hapa chini tutajua kwa nini hii inatokea). Kwa kweli, hata hufanya hivi mapema, ambayo inamaanisha kuwa baridi ya mfumo wowote wa thermodynamic, mwili wowote hadi sifuri kabisa hauwezekani. Halijoto itakaribia hatua hii kiholela, lakini haitaifikia.
Perpetuum mobile: hapana, hata kama unataka
Clausius alijumlisha na kuunda sheria ya kwanza na ya pili ya thermodynamics kwa njia hii: jumla ya nishati ya mfumo wowote uliofungwa hubaki bila kubadilika, na jumla ya entropy huongezeka kadiri muda unavyopita.
Sehemu ya kwanza ya taarifa hii inaweka marufuku kwa mashine ya mwendo ya kudumu ya aina ya kwanza - kifaa kinachofanya kazi bila utitiri wa nishati kutoka chanzo cha nje. Sehemu ya pili pia inakataza mashine ya mwendo wa kudumu ya aina ya pili. Mashine kama hiyo inaweza kuhamisha nishati ya mfumo kufanya kazi bila fidia ya entropy, bila kukiuka sheria ya uhifadhi. Itawezekana kusukuma joto kutoka kwa mfumo wa usawa, kwa mfano, kukaanga mayai yaliyoangaziwa au kumwaga chuma kutokana na nishati ya mwendo wa joto wa molekuli za maji, na hivyo kuipoza.
Sheria ya pili na ya tatu ya thermodynamics inakataza mashine ya mwendo ya kudumu ya aina ya pili.
Ole, hakuna kitu kinachoweza kupatikana kutoka kwa maumbile, sio tu bure, pia lazima ulipe kamisheni.
Kifo cha joto
Kuna dhana chache katika sayansi ambazo zilisababisha hisia nyingi za kutatanisha sio tu kati ya umma kwa ujumla, lakini pia kati ya wanasayansi wenyewe, kama vile entropy. Wanafizikia, na kwanza kabisa Clausius mwenyewe, karibu mara moja alitoa sheria ya kutopungua, kwanza kwa Dunia, na kisha kwa Ulimwengu wote (kwa nini sivyo, kwa sababu inaweza pia kuchukuliwa kuwa mfumo wa thermodynamic). Kwa sababu hiyo, kiasi cha kimwili, kipengele muhimu cha hesabu katika matumizi mengi ya kiufundi, kilianza kutambuliwa kama kielelezo cha aina fulani ya Uovu wa ulimwengu wote ambao huharibu ulimwengu mkali na mzuri.
Pia kuna maoni kama haya kati ya wanasayansi: kwa kuwa, kulingana na sheria ya pili ya thermodynamics, entropy inakua bila kubadilika, mapema au baadaye nishati yote ya Ulimwengu huharibika kuwa fomu iliyoenea, na "kifo cha joto" kitakuja. Kuna nini cha kuwa na furaha? Clausius, kwa mfano, alisita kwa miaka kadhaa kuchapisha matokeo yake. Kwa kweli, nadharia ya "kifo cha joto" mara moja iliamsha pingamizi nyingi. Kuna mashaka makubwa kuhusu usahihi wake hata sasa.
Sorter Daemon
Mnamo 1867, James Maxwell, mmoja wa waandishi wa nadharia ya molekuli-kinetiki ya gesi, katika jaribio la kuona sana (ingawa ni la kubuni) alionyesha kitendawili kinachoonekana kuwa cha sheria ya pili ya thermodynamics. Uzoefu unaweza kufupishwa kama ifuatavyo.
Hebu kuwe na chombo chenye gesi. Molekuli ndani yake huenda kwa nasibu, kasi yao ni kadhaatofauti, lakini wastani wa nishati ya kinetic ni sawa katika chombo. Sasa tunagawanya chombo na kizigeu katika sehemu mbili za pekee. Kasi ya wastani ya molekuli katika nusu zote za chombo itabaki sawa. Sehemu hiyo inalindwa na pepo mdogo ambaye huruhusu molekuli "za moto" kwa kasi zaidi kupenya sehemu moja, na polepole molekuli "baridi" hadi nyingine. Matokeo yake, gesi itawaka katika nusu ya kwanza na baridi chini katika nusu ya pili, yaani, mfumo utaondoka kutoka kwa hali ya usawa wa thermodynamic hadi tofauti ya uwezo wa joto, ambayo inamaanisha kupungua kwa entropy.
Tatizo lote ni kwamba katika jaribio mfumo haufanyi mabadiliko haya yenyewe. Inapokea nishati kutoka nje, kwa sababu ambayo kizigeu hufungua na kufunga, au mfumo lazima ujumuishe pepo ambaye hutumia nguvu zake kwa majukumu ya mlinzi wa lango. Kuongezeka kwa entropy ya pepo kutafunika zaidi kupungua kwa gesi yake.
Molekuli Zisizotawaliwa
Chukua glasi ya maji na uyaache juu ya meza. Si lazima kuangalia kioo, ni kutosha kurudi baada ya muda na kuangalia hali ya maji ndani yake. Tutaona kwamba idadi yake imepungua. Ukiacha kioo kwa muda mrefu, hakuna maji yatapatikana ndani yake kabisa, kwa kuwa yote yatatoka. Mwanzoni mwa mchakato huo, molekuli zote za maji zilikuwa katika eneo fulani la nafasi iliyopunguzwa na kuta za kioo. Mwisho wa jaribio, walitawanyika katika chumba. Katika kiasi cha chumba, molekuli zina nafasi zaidi ya kubadilisha eneo lao bila yoyotematokeo kwa hali ya mfumo. Hakuna njia tunaweza kuwakusanya kwenye "mkusanyiko" uliouzwa na kuwarudisha kwenye glasi ili kunywa maji yenye manufaa ya kiafya.
Hii inamaanisha kuwa mfumo umebadilika hadi kufikia hali ya juu zaidi. Kulingana na sheria ya pili ya thermodynamics, entropy, au mchakato wa utawanyiko wa chembe za mfumo (katika kesi hii, molekuli za maji) hazibadiliki. Kwa nini ni hivyo?
Clausius hakujibu swali hili, na hakuna mtu mwingine angeweza kabla ya Ludwig Boltzmann.
Macro na microstates
Mnamo 1872, mwanasayansi huyu alianzisha tafsiri ya takwimu ya sheria ya pili ya thermodynamics katika sayansi. Baada ya yote, mifumo ya macroscopic ambayo thermodynamics inashughulika nayo huundwa na idadi kubwa ya vipengele ambavyo tabia zao hutii sheria za takwimu.
Hebu turudi kwenye molekuli za maji. Kuruka kwa nasibu kuzunguka chumba, wanaweza kuchukua nafasi tofauti, kuwa na tofauti fulani katika kasi (molekuli hugongana kila wakati na kwa chembe zingine angani). Kila lahaja ya hali ya mfumo wa molekuli inaitwa microstate, na kuna idadi kubwa ya anuwai kama hizo. Wakati wa kutekeleza idadi kubwa ya chaguo, hali kuu ya mfumo haitabadilika kwa njia yoyote ile.
Hakuna kitu ambacho kimezuiwa, lakini kuna jambo lisilowezekana sana
Uhusiano maarufu S=k lnW huunganisha idadi ya njia zinazowezekana ambazo macrostate fulani ya mfumo wa halijoto (W) inaweza kuonyeshwa kwa entropi yake S. Thamani ya W inaitwa uwezekano wa thermodynamic. Fomu ya mwisho ya fomula hii ilitolewa na Max Planck. Kigawo k, thamani ndogo sana (1.38×10−23 J/K) ambacho kinaangazia uhusiano kati ya nishati na halijoto, Planck aliita hali ya kudumu ya Boltzmann kwa heshima ya mwanasayansi ambaye alikuwa kwanza kupendekeza tafsiri ya takwimu ya pili mwanzo wa thermodynamics.
Ni wazi kwamba W daima ni nambari asilia 1, 2, 3, …N (hakuna nambari ya sehemu ya njia). Kisha logarithm W, na hivyo entropy, haiwezi kuwa hasi. Kwa microstate pekee inayowezekana kwa mfumo, entropy inakuwa sawa na sifuri. Ikiwa tunarudi kwenye glasi yetu, barua hii inaweza kuwakilishwa kama ifuatavyo: molekuli za maji, zikizunguka kwa nasibu kuzunguka chumba, zilirudi kwenye kioo. Wakati huo huo, kila mmoja alirudia njia yake na kuchukua mahali sawa kwenye glasi ambayo ilikuwa kabla ya kuondoka. Hakuna kinachokataza utekelezaji wa chaguo hili, ambalo entropy ni sawa na sifuri. Subiri tu utekelezaji wa uwezekano mdogo kama huo sio thamani yake. Huu ni mfano mmoja wa kile kinachoweza kufanywa kinadharia pekee.
Kila kitu kimechanganyika ndani ya nyumba…
Kwa hivyo molekuli zinaruka bila mpangilio kuzunguka chumba kwa njia tofauti. Hakuna utaratibu katika mpangilio wao, hakuna utaratibu katika mfumo, bila kujali jinsi unavyobadilisha chaguo kwa microstates, hakuna muundo unaoeleweka unaweza kufuatiwa. Ilikuwa vivyo hivyo kwenye glasi, lakini kwa sababu ya nafasi finyu, molekuli hazikubadilisha mkao wao kikamilifu.
Hali ya mtafaruku, iliyoharibika ya mfumo ndiyo iliyo nyingi zaidikinachowezekana kinalingana na entropy yake ya juu. Maji katika glasi ni mfano wa hali ya chini ya entropy. Mpito kwake kutoka kwa fujo iliyosambazwa sawasawa katika chumba chote ni karibu kutowezekana.
Hebu tutoe mfano unaoeleweka zaidi kwetu sote - kusafisha uchafu nyumbani. Ili kuweka kila kitu mahali pake, tunapaswa pia kutumia nishati. Katika mchakato wa kazi hii, tunakuwa moto (yaani, hatufungia). Inageuka kuwa entropy inaweza kuwa na manufaa. Hii ndio kesi. Tunaweza kusema hata zaidi: entropy, na kwa njia hiyo sheria ya pili ya thermodynamics (pamoja na nishati) inatawala ulimwengu. Wacha tuangalie tena michakato inayoweza kubadilishwa. Hivi ndivyo ulimwengu ungeonekana ikiwa hakuna entropy: hakuna maendeleo, hakuna galaxi, nyota, sayari. Hakuna maisha…
Taarifa zaidi kidogo kuhusu "kifo cha joto". Kuna habari njema. Kwa kuwa, kwa mujibu wa nadharia ya takwimu, taratibu "zilizokatazwa" kwa kweli haziwezekani, kushuka kwa thamani hutokea katika mfumo wa usawa wa thermodynamically - ukiukwaji wa hiari wa sheria ya pili ya thermodynamics. Wanaweza kuwa kubwa kiholela. Wakati mvuto umejumuishwa katika mfumo wa thermodynamic, usambazaji wa chembe hautakuwa tena sare ya machafuko, na hali ya entropy ya juu haitafikiwa. Kwa kuongeza, Ulimwengu hauwezi kubadilika, mara kwa mara, na kusimama. Kwa hivyo, uundaji wenyewe wa swali la "kifo cha joto" hauna maana.
