Другий закон термодинаміки
Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Другий закон термодинаміки - один із основних законів фізики, закон про неспадання ентропії в ізольованій системі.
Зміст |
[ред.] Формулювання
Для системи із сталою температурою існує певна функція стану S - ентропія, яка визначається таким чином, що
1. Адіабатичний перехід із рівноважного стану A в рівноважний стан B можливий лише тоді, коли
.
2. Приріст ентропії в повільному квазістатичному процесі дорівнює
,
де T - температура.
[ред.] Альтернативні формулювання
Приведене формулювання дуже формалічне. Існує дуже багато альтернативних формулювань другого закону термодинаміки. Наприклад, Планк запропонував таке формулювання:
- Неможливо побудувати машину, яка б працювала циклічно, охолоджувала б джерело тепла чи піднімала вгору вантажі, не викликаючи
при цьому жодних змін в природі.
Каратеодорі дав аксіоматично строге формулювання
- Поблизу стану 1 існують такі стани 2, що адіабатичні переходи від стану 1 до стану 2 неможливі.
Больцман сформулював другий закон термодинаміки з точки зору статистичної фізики:
- Природа прагне перейти із станів із меншою йомовірністю реалізації у стани із більшою ймовірністю реалізації.
Поширені наступні формулювання.
- Неможливо побудувати вічний двигун другого роду.
- Неможливо передати тепло від холодного тіла до гарячого, не затративши при цьому енергію.
- Кожна система прагне перейти від порядку до безпорядку.
[ред.] Історична довідка
Другий закон термодинаміки був сформульваний у середині 19-го століття, в ті часи, коли створювалася теоретична основа для конструювання і побудови теплових машин. Досліди Майєра й Джоуля встатовили еквівалентність між тепловою й механічною енергіями (перший закон термодинаміки). Виникло питання про ефективність теплових машин. Експериментальні дослідження свідчили про те, що частина тепла обов'язково втрачається при роботі будь-якої машини.
У 1850-х, 1860-х роках Клаузіус у низці публікацій розробив поняття ентропії. В 1865 році він нарешті обрав для нового поняття ім'я. Ці публікації довели також, що тепло неможливо повністю перетворити в корисну роботу, сформулювавши таким чином другий закон термодинаміки.
Статистичну інтерпретацію другому закону термодинаміки дав Больцман, запровадивши нове визначення для ентропії, яке базувалося на мікроскопічних атомістичних уявленнях.
[ред.] Статистична інтерпретація
Статистична фізика вводить нове означення ентропії, на перший погляд дуже відмінне від визначення термодинаміки. Воно задається формулою Больцмана:
,
де Γ - кількість мікроскопічних станів, які відповідають даному макроскопічному стану, kB - стала Больцмана.
Із статистичного означення ентропії очевидно, що зростання ентропії відповідає переходу до такого макроскопічного стану, який характеризується найбільшим значенням мікроскопічних станів.
[ред.] Стріла часу
Якщо початковий стан термодинамічної системи нерівноважний, то з часом вона переходить до рівноважного стану, збільшуючи свою ентропію. Цей процес протікає лише в один бік. Зворотній процес - перехід від рівноважного стану до початкового нерівноважного, не реалізується. Тобто, плин часу отримує напрямок.
Закони фізики, що описують мікроскопічний світ, інваріантні відносно заміни t на -t. Дане твердження справедливе як стосовно законів класичної механіки, так і законів квантової механіки. В мікроскопічному світі діють консервативні сили, немає тертя, яке є дисипацією енергії, тобто перетворенням інших видів енергії в енергію теплового руху, а це в свою чергу пов'язане із законом неспадання ентропії.
Уявимо собі, наприклад, газ у резервуарі, поміщеному в більший резервуар. Якщо відкрити клапан меншого резервуару, то газ через деякий час заповнить більший резервуар таким чином, що його густина вирівняється. Згідно із законами мікроскопічного світу, існує також і обернений процес, коли газ із більшого резервуару збереться у менший резервуар. Але в макроскопічному світі таке ніколи не реалізується.
[ред.] Теплова смерть
Якщо ентропія кожної ізольованої системи тільки збільшується з часом, а Всесвіт є ізольованою системою, то коли-небудь ентропія досягне максимуму, після чого будь-які зміни в ньому стануть неможливими.
Такі міркування, які з'явилися після встановлення другого закону термодинаміки, отримали назву теплової смерті. Ця гіпотеза широко дискутувалася в 19-му сторіччі.
Кожен процес у світі призводить до розсіювання частини енергії й переходу її в тепло, до дедалі більшого безпорядку. Звісно, наш Всесвіт ще доволі молодий. Термоядерні процеси в зірках призводять до сталого потоку енергії на Землю, наприклад. Земля є й ще довго залишатиметься відкритою системою, яка отримує енергію з різних джерел: від Сонця, від процесів радіоактивного розпаду в ядрі, тощо. У відкритих системах, ентропія може зменшуватися, що
приводить до появи різноманітних упорядкованих стуктур.
Детальніші відомості з цієї теми Ви можете знайти в статті Самоорганізація.
[ред.] Джерела
- Залевски К. (1973). Феноменологическая и статистическая термодинамика., Москва: Мир..
