Термодинамик нь физикийн шинжлэх ухааны бие даасан салбар болохын хувьд 19-р зууны эхний хагаст үүссэн. Машины эрин үе ирлээ. Аж үйлдвэрийн хувьсгал нь дулааны хөдөлгүүрийн үйл ажиллагаатай холбоотой үйл явцыг судлах, ойлгохыг шаарддаг. Машины эриний эхэн үед ганц зохион бүтээгчид зөвхөн зөн совин, "нудрах арга"-ыг ашиглах боломжтой байв. Нээлт, шинэ бүтээлийн талаар олон нийтийн дэг журам гэж байдаггүй байсан бөгөөд тэдгээр нь ашиг тустай байх болно гэж хэний ч санаанд орж байгаагүй. Гэвч дулааны (мөн хэсэг хугацааны дараа цахилгаан) машинууд үйлдвэрлэлийн үндэс болсон үед байдал өөрчлөгдсөн. Эрдэмтэд эцэст нь 19-р зууны дунд үе хүртэл ноёрхож байсан нэр томьёоны төөрөгдлийг аажмаар цэгцэлж, юуг эрчим хүч, ямар хүч, ямар импульс гэж нэрлэхээ шийдсэн.
Термодинамик юун дээр тулгуурладаг
Нийтийн мэдлэгээс эхэлцгээе. Сонгодог термодинамик нь 19-р зууны турш дараалан нэвтрүүлсэн хэд хэдэн постулат (зарчмууд) дээр суурилдаг. Өөрөөр хэлбэл, эдгээр заалтууд тийм биш юмдотор нь нотлох боломжтой. Тэдгээрийг эмпирик өгөгдлүүдийг нэгтгэсний үр дүнд томъёолсон.
Эхний хууль бол макроскопийн системүүдийн (олон тооны бөөмсөөс бүрдэх) үйл ажиллагааны дүрслэлд энерги хадгалагдах хуулийг хэрэглэх явдал юм. Товчхондоо үүнийг дараах байдлаар томъёолж болно: тусгаарлагдсан термодинамик системийн дотоод энергийн нөөц үргэлж тогтмол хэвээр байна.
Термодинамикийн 2-р хуулийн утга нь ийм системд ямар процесс явагдахыг тодорхойлоход оршино.
Гурав дахь хууль нь энтропи гэх мэт хэмжигдэхүүнийг нарийн тодорхойлох боломжийг олгодог. Үүнийг илүү нарийвчлан авч үзье.
Энтропийн тухай ойлголт
Термодинамикийн 2-р хуулийн томъёоллыг 1850 онд Рудольф Клаузиус санал болгосон: "Дулааныг бага халсан биеэс илүү халуун руу аяндаа шилжүүлэх боломжгүй". Үүний зэрэгцээ Клаузиус Сади Карногийн гавьяаг онцлон тэмдэглэсэн бөгөөд тэрээр аль эрт 1824 онд дулааны хөдөлгүүрийн ажилд хувирч болох энергийн хувь хэмжээ нь зөвхөн халаагч болон хөргөгч хоёрын температурын зөрүүгээс хамаарна гэдгийг тогтоосон.
Термодинамикийн 2-р хуулийг цааш хөгжүүлэхдээ Клаузиус энтропи хэмээх ухагдахууныг нэвтрүүлсэн - энергийн хэмжээг эргэлт буцалтгүйгээр ажил болгон хувиргахад тохиромжгүй хэлбэрт хувиргах хэмжүүр. Клаузиус энэ утгыг dS=dQ/T томъёогоор илэрхийлсэн бөгөөд энд dS нь энтропийн өөрчлөлтийг тодорхойлдог. Энд:
dQ - дулааны өөрчлөлт;
T - үнэмлэхүй температур (Кельвинээр хэмжсэн).
Энгийн жишээ: хөдөлгүүр ажиллаж байх үед машиныхаа бүрээсэнд хүр. Тэр тодорхойорчноос илүү дулаан. Гэхдээ машины хөдөлгүүр нь бүрээс эсвэл радиатор дахь усыг халаах зориулалттай биш юм. Бензиний химийн энергийг дулааны энерги, дараа нь механик энерги болгон хувиргаснаар ашигтай ажил хийдэг - босоо амыг эргүүлдэг. Гэхдээ үйлдвэрлэсэн дулааны ихэнх хэсгийг дэмий үрдэг, учир нь үүнээс ямар ч ашигтай ажил гарах боломжгүй бөгөөд яндангийн хоолойноос гарч буй зүйл нь бензин биш юм. Энэ тохиолдолд дулааны энерги алдагдах боловч алга болдоггүй, харин сарнидаг (тардаг). Халуун бүрээс нь мэдээжийн хэрэг хөргөж, хөдөлгүүр дэх цилиндрийн мөчлөг бүр түүнд дахин дулаан нэмнэ. Тиймээс систем нь термодинамик тэнцвэрт байдалд хүрэх хандлагатай байна.
Энтропийн онцлог
Клаузиус термодинамикийн 2-р хуулийн ерөнхий зарчмыг dS ≧ 0 томьёогоор гаргаж авсан. Түүний физик утгыг энтропи "буурахгүй" гэж тодорхойлж болно: буцах процесст энэ нь өөрчлөгддөггүй, эргэлт буцалтгүй процесст энэ нь нэмэгддэг.
Бүх бодит үйл явц эргэлт буцалтгүй гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. "Буурахгүй" гэсэн нэр томъёо нь зөвхөн онолын хувьд боломжтой идеалчилсан хувилбарыг тухайн үзэгдлийг авч үзэхэд багтаасан болохыг харуулж байна. Өөрөөр хэлбэл аливаа аяндаа үүсэх боломжгүй энергийн хэмжээ нэмэгддэг.
Үнэмлэхүй тэг хүрэх боломж
Макс Планк термодинамикийн хөгжилд чухал хувь нэмэр оруулсан. Хоёрдахь хуулийн статистик тайлбар дээр ажиллахын зэрэгцээ термодинамикийн гуравдугаар хуулийг дэвшүүлэхэд идэвхтэй оролцсон. Эхний томъёолол нь Уолтер Нернст хамаарах бөгөөд 1906 оныг хэлнэ. Нернстийн теоремыг авч үздэгүнэмлэхүй тэг рүү тэмүүлэх температур дахь тэнцвэрийн системийн үйл ажиллагаа. Термодинамикийн нэг ба хоёрдугаар хуулиуд нь өгөгдсөн нөхцөлд энтропи ямар байхыг олж мэдэх боломжгүй болгодог.
T=0 K үед энерги нь тэг байх үед системийн бөөмсүүд эмх замбараагүй дулааны хөдөлгөөнийг зогсоож, эмх цэгцтэй бүтэц, термодинамик магадлал нь нэгтэй тэнцүү болор үүсгэдэг. Энэ нь энтропи бас алга болно гэсэн үг юм (доор бид яагаад ийм зүйл болсныг олж мэдэх болно). Бодит байдал дээр үүнийг арай эрт хийдэг бөгөөд энэ нь аливаа термодинамик систем, аливаа биеийг үнэмлэхүй тэг хүртэл хөргөх боломжгүй гэсэн үг юм. Температур энэ цэгт дур зоргоороо ойртох боловч хүрэхгүй.
Perpetuum mobile: үгүй, та үнэхээр хүсэж байгаа ч гэсэн
Клаузиус термодинамикийн нэг ба хоёрдугаар хуулиудыг ийм байдлаар ерөнхийлж, томьёолжээ: аливаа хаалттай системийн нийт энерги үргэлж тогтмол хэвээр байх ба нийт энтропи нь цаг хугацааны явцад нэмэгддэг.
Энэ мэдэгдлийн эхний хэсэгт эхний төрлийн байнгын хөдөлгөөнт машин буюу гадны эх үүсвэрээс эрчим хүч оруулахгүйгээр ажилладаг төхөөрөмжид хориг тавьсан. Хоёр дахь хэсэг нь хоёр дахь төрлийн мөнхийн хөдөлгөөнт машиныг бас хориглодог. Ийм машин нь хамгаалалтын хуулийг зөрчихгүйгээр системийн энергийг энтропийн нөхөн төлбөргүйгээр ажилд шилжүүлэх болно. Усны молекулуудын дулааны хөдөлгөөний энергийн улмаас ган асгах, жишээлбэл, тэнцвэрийн системээс дулааныг шахаж, хөргөх боломжтой.
Термодинамикийн хоёр ба гурав дахь хуулиуд нь хоёр дахь төрлийн байнгын хөдөлгөөнт машиныг хориглодог.
Харамсалтай нь байгалиас юу ч авч чадахгүй, зөвхөн үнэ төлбөргүй төдийгүй та комисс төлөх ёстой.
Халуун үхэл
Шинжлэх ухаанд олон нийтийн дунд төдийгүй эрдэмтдийн өөрсдийнх нь дунд энтропи гэх мэт олон эргэлзээтэй сэтгэл хөдлөлийг бий болгосон ойлголт цөөхөн байдаг. Физикчид, юуны түрүүнд Клаузиус өөрөө буурахгүй байх хуулийг эхлээд Дэлхийд, дараа нь бүхэл бүтэн орчлон ертөнцөд бараг тэр даруй экстраполяци хийсэн (яагаад болохгүй гэж, яагаад гэвэл үүнийг термодинамик систем гэж үзэж болно). Үүний үр дүнд олон тооны техникийн хэрэглээний тооцооллын чухал элемент болох физик хэмжигдэхүүнийг гэрэл гэгээтэй, эелдэг ертөнцийг сүйтгэдэг бүх нийтийн бузар муугийн биелэл гэж ойлгож эхэлсэн.
Тэрмодинамикийн хоёр дахь хуулийн дагуу энтропи эргэлт буцалтгүй өсдөг тул эрт орой хэзээ нэгэн цагт Орчлон ертөнцийн бүх энерги сарнисан хэлбэрт шилжиж, "халуун үхэл" ирэх болно. Юундаа баярлах вэ? Жишээлбэл, Клаузиус судалгааныхаа үр дүнг нийтлэхээс хэдэн жилийн турш эргэлзэж байв. Мэдээжийн хэрэг, "халуун үхэл" гэсэн таамаглал тэр даруй олон эсэргүүцлийг төрүүлэв. Одоо ч гэсэн түүний зөв эсэхэд эргэлзэж байна.
Ангилагч демон
1867 онд хийн молекул-кинетик онолыг зохиогчдын нэг Жеймс Максвелл маш харааны (зохиомол ч гэсэн) туршилтаараа термодинамикийн хоёрдугаар хуулийн парадокс мэт санагдахыг харуулсан. Туршлагыг дараах байдлаар нэгтгэн дүгнэж болно.
Хийтэй хөлөг онгоц байг. Түүний доторх молекулууд санамсаргүй байдлаар хөдөлдөг, хурд нь хэд хэдэн байдагялгаатай боловч дундаж кинетик энерги нь хөлөг онгоцны бүх хэсэгт ижил байна. Одоо бид хуваалт бүхий савыг хоёр тусгаарлагдсан хэсэгт хуваана. Савны хоёр тал дахь молекулуудын дундаж хурд ижил хэвээр байх болно. Хуваалтыг жижигхэн чөтгөр хамгаалдаг бөгөөд энэ нь нэг хэсэгт илүү хурдан, "халуун" молекулууд, нөгөө хэсэгт нь удаан "хүйтэн" молекулууд нэвтрэх боломжийг олгодог. Үүний үр дүнд хий эхний хагаст халж, хоёрдугаар хагаст хөргөнө, өөрөөр хэлбэл систем нь термодинамик тэнцвэрийн төлөвөөс температурын потенциалын зөрүү рүү шилжих бөгөөд энэ нь энтропи буурна гэсэн үг юм.
Бүх асуудал бол туршилтын явцад систем энэ шилжилтийг аяндаа хийдэггүй явдал юм. Энэ нь гаднаас энерги хүлээн авдаг бөгөөд үүний улмаас хуваалт нээгдэж, хаагддаг, эсвэл систем нь хаалгачны үүрэгт эрчим хүчээ зарцуулдаг чөтгөрийг заавал агуулдаг. Чөтгөрийн энтропийн өсөлт нь түүний хийн бууралтыг нөхөхөөс илүү байх болно.
Сахилгагүй молекулууд
Нэг аяга ус аваад ширээн дээр үлдээгээрэй. Шилийг харах шаардлагагүй, хэсэг хугацааны дараа буцаж ирээд, доторх усны байдлыг шалгахад хангалттай. Түүний тоо цөөрсөнийг бид харах болно. Хэрэв та шилийг удаан хугацаагаар орхивол бүхэлд нь уурших тул дотор нь ус огт байхгүй болно. Үйл явцын хамгийн эхэнд усны бүх молекулууд шилний ханаар хязгаарлагдах орон зайн тодорхой бүсэд байсан. Туршилтын төгсгөлд тэд өрөөгөөр тарав. Өрөөний эзэлхүүн дэх молекулууд байршлаа өөрчлөхгүйгээр илүү их боломжтой байдагсистемийн төлөв байдалд үзүүлэх үр дагавар. Эрүүл мэндэд тустай ус уухын тулд бид тэднийг гагнасан "нэгдэл" болгон цуглуулж, буцаан шилэн аяганд оруулах ямар ч боломжгүй.
Энэ нь систем илүү өндөр энтропи төлөвт шилжсэн гэсэн үг. Термодинамикийн хоёр дахь хуульд үндэслэн энтропи буюу системийн хэсгүүдийн (энэ тохиолдолд усны молекулууд) тархах үйл явц нь эргэлт буцалтгүй юм. Яагаад тэр вэ?
Клаузиус энэ асуултад хариулаагүй бөгөөд Людвиг Больцманнаас өөр хэн ч хариулж чадахгүй.
Макро болон бичил төлөв
1872 онд энэ эрдэмтэн термодинамикийн 2-р хуулийн статистик тайлбарыг шинжлэх ухаанд нэвтрүүлсэн. Эцсийн эцэст термодинамикийн харьцдаг макроскопийн системүүд нь зан төлөв нь статистикийн хуулиудад захирагддаг олон тооны элементүүдээс бүрддэг.
Усны молекулууд руу буцаж орцгооё. Өрөөний эргэн тойронд санамсаргүй байдлаар нисч, тэд өөр өөр байр суурь эзэлдэг, хурдны хувьд бага зэрэг ялгаатай байдаг (молекулууд бие биетэйгээ болон агаар дахь бусад хэсгүүдтэй байнга мөргөлддөг). Молекулын системийн төлөв байдлын хувилбар бүрийг микро төлөв гэж нэрлэдэг бөгөөд ийм олон тооны хувилбарууд байдаг. Ихэнх сонголтуудыг хэрэгжүүлэх үед системийн макро төлөв ямар ч байдлаар өөрчлөгдөхгүй.
Хязгааргүй зүйл байхгүй, гэхдээ ямар нэг зүйл маш бага магадлалтай
Алдарт S=k lnW хамаарал нь термодинамик системийн тодорхой макро төлөвийг (W) S энтропитэй нь илэрхийлэх боломжит аргын тоог холбодог. W-ийн утгыг термодинамик магадлал гэж нэрлэдэг. Энэ томъёоны эцсийн хэлбэрийг Макс Планк өгсөн. Эрчим хүч ба температурын хоорондын хамаарлыг тодорхойлдог маш бага утга (1.38×10−23 J/K) болох k коэффициентийг Планк Больцманы тогтмол гэж нэрлэжээ. эхлээд термодинамикийн хоёр дахь эхлэлийн статистик тайлбарыг санал болгох.
W нь үргэлж натурал тоо 1, 2, 3, …N байх нь ойлгомжтой (бутархай тооны арга байхгүй). Тэгвэл W логарифм ба энтропи сөрөг байж болохгүй. Системийн цорын ганц боломжит бичил төлөвийн хувьд энтропи тэгтэй тэнцүү болно. Хэрэв бид шил рүүгээ буцаж ирвэл энэ постулатыг дараах байдлаар илэрхийлж болно: усны молекулууд өрөөний эргэн тойронд санамсаргүй гүйлдэж, шил рүү буцаж ирэв. Үүний зэрэгцээ тус бүр замаа яг давтаж, явахаасаа өмнө шилэнд байсан ижил байрыг эзэлэв. Энтропи нь тэгтэй тэнцүү байх энэ сонголтыг хэрэгжүүлэхийг юу ч хориглодоггүй. Ийм бага зэрэг алга болох магадлалыг хэрэгжүүлэхийг хүлээх нь үнэ цэнэтэй зүйл биш юм. Энэ бол зөвхөн онолын хувьд хийж болох зүйлийн нэг жишээ юм.
Гэрт бүх зүйл холилдсон…
Тиймээс молекулууд өрөөний эргэн тойронд янз бүрийн байдлаар санамсаргүй нисдэг. Тэдний зохион байгуулалтад ямар ч тогтмол байдал байхгүй, системд ямар ч дэг журам байхгүй, та микро төлөвийн сонголтыг хэрхэн өөрчилсөн ч ойлгомжтой бүтцийг олж харах боломжгүй юм. Шилэн дотор ч мөн адил байсан ч орон зай хязгаарлагдмал байсан тул молекулууд байрлалаа тийм идэвхтэй өөрчилсөнгүй.
Системийн эмх замбараагүй, эмх замбараагүй байдалмагадлал нь түүний хамгийн их энтропитэй тохирч байна. Шилэн дэх ус нь энтропийн доод төлөв байдлын жишээ юм. Өрөөнд жигд тархсан эмх замбараагүй байдлаас үүн рүү шилжих нь бараг боломжгүй юм.
Бид бүгдэд илүү ойлгомжтой жишээ хэлье - гэр доторх замбараагүй байдлыг цэвэрлэх. Бүх зүйлийг байранд нь оруулахын тулд бид бас эрчим хүч зарцуулах хэрэгтэй. Энэ ажлын явцад бид халуун болдог (өөрөөр хэлбэл бид хөлдөхгүй). Энтропи нь ашигтай байж болох нь харагдаж байна. Ийм л байна. Бид үүнээс ч илүүг хэлж чадна: энтропи, үүгээр дамжуулан термодинамикийн хоёр дахь хууль (энергийн хамт) орчлон ертөнцийг захирдаг. Буцаж болох процессуудыг дахин авч үзье. Хөгжил, галактик, од, гариг байхгүй бол энтропи байхгүй бол дэлхий ийм харагдах байсан. Амьдрал байхгүй…
"Халуун үхэл"-ийн талаар бага зэрэг дэлгэрэнгүй мэдээлэл. Сайн мэдээ байна. Статистикийн онолын дагуу "хориотой" процессууд нь үнэндээ боломжгүй байдаг тул термодинамикийн тэнцвэрт системд хэлбэлзэл үүсдэг - термодинамикийн хоёр дахь хуулийг аяндаа зөрчих явдал юм. Тэд дур зоргоороо том хэмжээтэй байж болно. Таталцлыг термодинамик системд оруулах үед бөөмсийн тархалт эмх замбараагүй жигд байхаа больж, энтропийн хамгийн их төлөвт хүрэхгүй. Нэмж дурдахад, Орчлон ертөнц өөрчлөгдөшгүй, тогтмол, хөдөлгөөнгүй биш юм. Тиймээс "халуун үхэл" гэсэн асуултын томъёолол нь утгагүй юм.
