Termodynamika ako samostatný odbor fyzikálnej vedy vznikla v prvej polovici 19. storočia. Nastal vek strojov. Priemyselná revolúcia si vyžiadala štúdium a pochopenie procesov spojených s prevádzkou tepelných strojov. Na úsvite éry strojov si osamelí vynálezcovia mohli dovoliť používať iba intuíciu a „metódu poke“. Na objavy a vynálezy nebola verejná objednávka, nikoho ani nenapadlo, že by mohli byť užitočné. Keď sa však základom výroby stali tepelné (a o niečo neskôr elektrické) stroje, situácia sa zmenila. Vedci nakoniec postupne utriedili terminologický zmätok, ktorý vládol do polovice 19. storočia, a rozhodli sa, čo nazvať energiou, akou silou, akým impulzom.
Čo predpokladá termodynamika
Začnime všeobecnými znalosťami. Klasická termodynamika je založená na niekoľkých postulátoch (princípoch), ktoré sa postupne zavádzali v priebehu 19. storočia. To znamená, že tieto ustanovenia nie súv rámci neho preukázateľné. Boli formulované ako výsledok zovšeobecnenia empirických údajov.
Prvým zákonom je aplikácia zákona zachovania energie na popis správania makroskopických systémov (pozostávajúcich z veľkého počtu častíc). Stručne to možno formulovať takto: zásoba vnútornej energie izolovaného termodynamického systému zostáva vždy konštantná.
Význam druhého termodynamického zákona je určiť smer, ktorým procesy prebiehajú v takýchto systémoch.
Tretí zákon vám umožňuje presne určiť takú veličinu, ako je entropia. Zvážte to podrobnejšie.
Koncept entropie
Formuláciu druhého termodynamického zákona navrhol v roku 1850 Rudolf Clausius: "Je nemožné spontánne preniesť teplo z menej zahriateho telesa na teplejšie." Clausius zároveň zdôraznil zásluhy Sadiho Carnota, ktorý už v roku 1824 stanovil, že podiel energie, ktorú je možné premeniť na prácu tepelného motora, závisí len od teplotného rozdielu medzi ohrievačom a chladničkou.
V ďalšom vývoji druhého zákona termodynamiky Clausius zavádza pojem entropia - miera množstva energie, ktorá sa nenávratne premení na formu nevhodnú na premenu na prácu. Clausius túto hodnotu vyjadril vzorcom dS=dQ/T, kde dS určuje zmenu entropie. Tu:
dQ - zmena tepla;
T – absolútna teplota (meraná v Kelvinoch).
Jednoduchý príklad: dotknite sa kapoty svojho auta pri bežiacom motore. On je jednoznačneteplejšie ako prostredie. Ale motor auta nie je určený na ohrievanie kapoty alebo vody v chladiči. Premenou chemickej energie benzínu na tepelnú energiu a potom na mechanickú energiu vykonáva užitočnú prácu - otáča hriadeľ. Väčšina vyrobeného tepla je však premrhaná, keďže sa z neho nedá vyťažiť žiadna užitočná práca a to, čo vyletí z výfuku, v žiadnom prípade nie je benzín. V tomto prípade sa tepelná energia stratí, ale nezmizne, ale rozptýli sa (rozptýli sa). Rozpálená kapota sa samozrejme ochladí a každý cyklus valcov v motore jej opäť pridá teplo. Systém má teda tendenciu dosiahnuť termodynamickú rovnováhu.
Vlastnosti entropie
Clausius odvodil všeobecný princíp pre druhý termodynamický zákon vo vzorci dS ≧ 0. Jeho fyzikálny význam možno definovať ako „neklesanie“entropie: pri reverzibilných procesoch sa nemení, pri nevratných procesoch zvyšuje sa.
Treba si uvedomiť, že všetky skutočné procesy sú nezvratné. Pojem „neklesajúci“odráža len fakt, že do úvahy o fenoméne je zahrnutá aj teoreticky možná idealizovaná verzia. To znamená, že množstvo nedostupnej energie v akomkoľvek spontánnom procese sa zvyšuje.
Možnosť dosiahnutia absolútnej nuly
Max Planck vážne prispel k rozvoju termodynamiky. Popri práci na štatistickom výklade druhého zákona sa aktívne podieľal na postulovaní tretieho termodynamického zákona. Prvá formulácia patrí W alterovi Nernstovi a vzťahuje sa na rok 1906. Nernstova veta uvažujesprávanie sa rovnovážneho systému pri teplote klesajúcej k absolútnej nule. Prvý a druhý zákon termodynamiky znemožňujú zistiť, aká bude entropia za daných podmienok.
Keď T=0 K, energia je nulová, častice systému zastavia chaotický tepelný pohyb a vytvoria usporiadanú štruktúru, kryštál s termodynamickou pravdepodobnosťou rovnajúcou sa jednej. To znamená, že zmizne aj entropia (nižšie sa dozvieme, prečo sa to deje). V skutočnosti to robí dokonca o niečo skôr, čo znamená, že ochladenie akéhokoľvek termodynamického systému, akéhokoľvek telesa na absolútnu nulu je nemožné. Teplota sa svojvoľne priblíži k tomuto bodu, ale nedosiahne ho.
Perpetuum mobile: nie, aj keď naozaj chcete
Clausius zovšeobecnil a sformuloval prvý a druhý zákon termodynamiky týmto spôsobom: celková energia každého uzavretého systému zostáva vždy konštantná a celková entropia sa časom zvyšuje.
Prvá časť tohto vyhlásenia zakazuje perpetum mobile prvého druhu – zariadenie, ktoré funguje bez prílivu energie z externého zdroja. Druhá časť tiež zakazuje perpetum mobile druhého druhu. Takýto stroj by previedol energiu systému na prácu bez kompenzácie entropie, bez porušenia zákona zachovania. Z rovnovážneho systému by bolo možné odčerpať teplo, napríklad na vyprážanie praženice alebo nalievanie ocele vďaka energii tepelného pohybu molekúl vody, a tým ju ochladzovať.
Druhý a tretí termodynamický zákon zakazujú večný pohyb stroja druhého druhu.
Bohužiaľ, nič sa nedá získať z prírody, nielen zadarmo, musíte zaplatiť aj províziu.
Úmrtie teplom
Vo vede je len málo pojmov, ktoré vyvolali toľko nejednoznačných emócií nielen medzi širokou verejnosťou, ale aj medzi samotnými vedcami, až entropia. Fyzici a predovšetkým sám Clausius takmer okamžite extrapolovali zákon neklesania najprv na Zem a potom na celý Vesmír (prečo nie, veď ho možno považovať aj za termodynamický systém). V dôsledku toho sa fyzikálna veličina, dôležitý prvok výpočtov v mnohých technických aplikáciách, začala vnímať ako stelesnenie akéhosi univerzálneho Zla, ktoré ničí jasný a láskavý svet.
Medzi vedcami sú aj také názory: keďže podľa druhého termodynamického zákona entropia nenávratne rastie, skôr či neskôr sa všetka energia vesmíru degraduje do difúznej formy a príde „tepelná smrť“. Z čoho byť šťastný? Clausius napríklad niekoľko rokov váhal so zverejnením svojich zistení. Samozrejme, hypotéza „tepelnej smrti“okamžite vyvolala mnohé námietky. Už teraz existujú vážne pochybnosti o jeho správnosti.
Sorter Daemon
V roku 1867 James Maxwell, jeden z autorov molekulárno-kinetickej teórie plynov, vo veľmi vizuálnom (hoci fiktívnom) experimente predviedol zdanlivý paradox druhého zákona termodynamiky. Skúsenosti možno zhrnúť takto.
Nech je tu nádoba s plynom. Molekuly v ňom sa pohybujú náhodne, ich rýchlosti sú niekoľkonásobnésa líšia, ale priemerná kinetická energia je v celej nádobe rovnaká. Teraz rozdelíme nádobu s prepážkou na dve izolované časti. Priemerná rýchlosť molekúl v oboch poloviciach nádoby zostane rovnaká. Prepážku stráži maličký démon, ktorý umožňuje rýchlejším, „horúcim“molekulám preniknúť do jednej časti a pomalším „studeným“molekulám do druhej. V dôsledku toho sa plyn v prvej polovici zahreje a v druhej ochladí, to znamená, že systém prejde zo stavu termodynamickej rovnováhy do teplotného potenciálu rozdielu, čo znamená zníženie entropie.
Celý problém je v tom, že v experimente systém nevykoná tento prechod spontánne. Dostáva energiu zvonku, vďaka čomu sa prepážka otvára a zatvára, alebo systém nevyhnutne zahŕňa démona, ktorý svoju energiu vynakladá na povinnosti vrátnika. Zvýšenie entropie démona viac než pokryje pokles jeho plynu.
Neposlušné molekuly
Vezmite pohár vody a nechajte ho na stole. Pohár nie je potrebné sledovať, stačí sa po chvíli vrátiť a skontrolovať stav vody v ňom. Uvidíme, že sa jeho počet znížil. Ak pohár necháte dlhší čas, nenájde sa v ňom vôbec žiadna voda, pretože sa všetka vyparí. Na samom začiatku procesu boli všetky molekuly vody v určitej oblasti priestoru ohraničenej stenami skla. Na konci experimentu sa rozpŕchli po celej miestnosti. V objeme miestnosti majú molekuly oveľa väčšiu možnosť bez akejkoľvek zmeny svojej polohydôsledky pre stav systému. Neexistuje žiadny spôsob, ako ich zhromaždiť do spájkovaného „kolektívu“a vrátiť ich späť do pohára, aby sme pili vodu so zdravotnými výhodami.
To znamená, že systém sa vyvinul do stavu vyššej entropie. Na základe druhého termodynamického zákona je entropia alebo proces disperzie častíc systému (v tomto prípade molekúl vody) nevratný. Prečo je to tak?
Clausius na túto otázku neodpovedal a nikto iný pred Ludwigom Boltzmannom to nedokázal.
Makro a mikrostavy
V roku 1872 tento vedec zaviedol do vedy štatistický výklad druhého zákona termodynamiky. Koniec koncov, makroskopické systémy, ktorými sa termodynamika zaoberá, sú tvorené veľkým počtom prvkov, ktorých správanie sa riadi štatistickými zákonmi.
Vráťme sa k molekulám vody. Lietajú náhodne po miestnosti, môžu zaujať rôzne polohy, majú určité rozdiely v rýchlostiach (molekuly neustále narážajú medzi sebou as inými časticami vo vzduchu). Každý variant stavu sústavy molekúl sa nazýva mikrostav a takýchto variantov je obrovské množstvo. Pri implementácii veľkej väčšiny možností sa makrostav systému žiadnym spôsobom nezmení.
Nič nie je zakázané, ale niečo je vysoko nepravdepodobné
Slávny vzťah S=k lnW spája množstvo možných spôsobov, ktorými možno určitý makrostav termodynamického systému (W) vyjadriť s jeho entropiou S. Hodnota W sa nazýva termodynamická pravdepodobnosť. Konečnú podobu tomuto vzorcu dal Max Planck. Koeficient k, extrémne malá hodnota (1,38×10−23 J/K), ktorá charakterizuje vzťah medzi energiou a teplotou, Planck nazval Boltzmannovou konštantou na počesť vedca, ktorý bol prvý navrhnúť štatistickú interpretáciu druhého začiatku termodynamiky.
Je jasné, že W je vždy prirodzené číslo 1, 2, 3, …N (neexistuje žiadny zlomkový počet spôsobov). Potom logaritmus W, a teda entropia, nemôže byť záporný. S jediným možným mikrostavom pre systém sa entropia rovná nule. Ak sa vrátime k nášmu poháru, tento postulát možno znázorniť takto: molekuly vody, ktoré sa náhodne pohybujú po miestnosti, sa vrátili späť do pohára. Každý si zároveň presne zopakoval svoju cestu a zaujal to isté miesto v pohári, v ktorom bol pred odletom. Nič nezakazuje implementáciu tejto možnosti, v ktorej sa entropia rovná nule. Len čakať na implementáciu tak mizivo malá pravdepodobnosť sa neoplatí. Toto je jeden príklad toho, čo sa dá urobiť iba teoreticky.
V dome je všetko pomiešané…
Takže molekuly náhodne lietajú po miestnosti rôznymi spôsobmi. V ich usporiadaní nie je pravidelnosť, v systéme nie je poriadok, akokoľvek meníte možnosti pre mikrostavy, nedá sa vysledovať žiadna zrozumiteľná štruktúra. V pohári to bolo rovnaké, ale kvôli obmedzenému priestoru molekuly nemenili svoju polohu tak aktívne.
Najviac chaotický, neusporiadaný stav systémupravdepodobná zodpovedá jej maximálnej entropii. Voda v pohári je príkladom stavu nižšej entropie. Prechod naň z chaosu rovnomerne rozloženého po celej miestnosti je takmer nemožný.
Uveďme pre nás všetkých zrozumiteľnejší príklad – upratanie neporiadku v domácnosti. Aby sme dali všetko na svoje miesto, musíme vynaložiť aj energiu. V procese tejto práce sa stávame horúcimi (to znamená, že nezmrazujeme). Ukazuje sa, že entropia môže byť užitočná. Toto je ten prípad. Môžeme povedať ešte viac: entropia a prostredníctvom nej druhý termodynamický zákon (spolu s energiou) riadi vesmír. Pozrime sa ešte raz na reverzibilné procesy. Takto by vyzeral svet, keby neexistovala žiadna entropia: žiadny vývoj, žiadne galaxie, hviezdy, planéty. Žiadny život…
Trochu viac informácií o „smrť z tepla“. Máme dobré správy. Keďže podľa štatistickej teórie sú „zakázané“procesy v skutočnosti nepravdepodobné, v termodynamicky rovnovážnom systéme vznikajú fluktuácie – samovoľné porušenia druhého termodynamického zákona. Môžu byť ľubovoľne veľké. Keď je do termodynamického systému zahrnutá gravitácia, distribúcia častíc už nebude chaoticky rovnomerná a nedosiahne sa stav maximálnej entropie. Navyše, Vesmír nie je nemenný, stály, stacionárny. Preto samotná formulácia otázky „tepelnej smrti“je nezmyselná.
