Термодинамика физика илиминин өз алдынча тармагы катары 19-кылымдын биринчи жарымында пайда болгон. Машиналардын доору башталды. Өнөр жай революциясы жылуулук кыймылдаткычтарынын иштеши менен байланышкан процесстерди изилдөөнү жана түшүнүүнү талап кылды. Машина доорунун башталышында жалгыз ойлоп табуучулар интуицияны жана “поке ыкмасын” гана колдоно алышкан. Ачылыштарга жана ойлоп табууларга коомдук тартип болгон эмес, алар пайдалуу боло тургандыгы эч кимдин оюна да келген эмес. Ал эми жылуулук (жана бир аз кийин, электрдик) машиналар өндүрүштүн негизи болуп калганда, кырдаал өзгөрдү. Окумуштуулар акырындык менен 19-кылымдын ортосуна чейин өкүм сүргөн терминологиялык башаламандыктарды чечип, эмнени энергия, кандай күч, кандай импульс деп аташ керектигин чечишти.
Термодинамика кандай постулаттарды айтат
Келиңиз, жалпы билимден баштайлы. Классикалык термодинамика 19-кылым бою катары менен киргизилген бир нече постулаттарга (принциптерге) негизделген. Башкача айтканда, бул жоболор жоканын ичинде далилденсе болот. Алар эмпирикалык маалыматтарды жалпылоонун натыйжасында түзүлгөн.
Биринчи мыйзам макроскопиялык системалардын (көп сандагы бөлүкчөлөрдөн турган) жүрүм-турумун сүрөттөөгө энергиянын сакталуу мыйзамын колдонуу. Кыскача айтканда, аны төмөнкүчө формулировкалоого болот: изоляцияланган термодинамикалык системанын ички энергиясынын запасы дайыма туруктуу бойдон калат.
Термодинамиканын экинчи мыйзамынын мааниси мындай системаларда процесстердин жүрүшүн аныктоо болуп саналат.
Үчүнчү мыйзам энтропия сыяктуу чоңдукту так аныктоого мүмкүндүк берет. Аны кененирээк карап көрүңүз.
Энтропия түшүнүгү
Термодинамиканын экинчи мыйзамынын формулировкасы 1850-жылы Рудольф Клаузиус тарабынан сунушталган: «Жылуулукту аз ысытылган денеден ысыкка өзүнөн өзү өткөрүү мүмкүн эмес». Ошол эле учурда Клаузий 1824-жылы эле жылуулук кыймылдаткычынын жумушуна айландырыла турган энергиянын үлүшү жылыткыч менен муздаткычтын ортосундагы температура айырмасынан гана көз каранды экенин аныктаган Сади Карнонун эмгегин баса белгилеген.
Термодинамиканын экинчи мыйзамын андан ары иштеп чыгууда Клаузиус энтропия түшүнүгүн киргизет - энергиянын көлөмүнүн жумушка айландыруу үчүн жараксыз формага кайтарылгыс түрдө өзгөрүүчү өлчөмү. Клаузиус бул маанини dS=dQ/T формуласы менен билдирген, мында dS энтропиянын өзгөрүшүн аныктайт. Бул жерде:
dQ - жылуулуктун өзгөрүшү;
T - абсолюттук температура (Кельвин менен өлчөнгөн).
Жөнөкөй мисал: мотору иштеп турганда унааңыздын капотуна тийиңиз. Ал ачык элеайлана-чөйрөгө караганда жылуураак. Бирок машинанын кыймылдаткычы капотту же радиатордогу сууну жылытууга ылайыкталган эмес. Бензиндин химиялык энергиясын жылуулук энергиясына, анан механикалык энергияга айландыруу менен ал пайдалуу иштерди аткарат – валды айлантат. Бирок өндүрүлгөн жылуулуктун көбү текке кетет, анткени андан эч кандай пайдалуу жумуш алынбайт жана газ түтүгүнөн учуп чыккан нерсе эч кандай бензин эмес. Бул учурда жылуулук энергиясы жоголот, бирок жок болбойт, бирок чачырап кетет (тартылат). Ысык капот, албетте, муздайт жана кыймылдаткычтагы цилиндрлердин ар бир цикли ага кайрадан жылуулук кошот. Ошентип, система термодинамикалык тең салмактуулукка жетүүгө умтулат.
Энтропиянын өзгөчөлүктөрү
Клаузиус dS ≧ 0 формуласында термодинамиканын экинчи мыйзамы үчүн жалпы принципти чыгарган. Анын физикалык маанисин энтропиянын «азайып кетпеши» катары аныктоого болот: кайтуучу процесстерде ал өзгөрбөйт, кайтарылгыс процесстерде ал көбөйөт.
Бардык реалдуу процесстер кайра кайтарылгыс экенин белгилей кетүү керек. «Төмөнбөйт» деген термин теориялык жактан мүмкүн болгон идеалдаштырылган варианттын да кубулушту кароодо камтылгандыгын гана чагылдырат. Башкача айтканда, кандайдыр бир стихиялуу процессте жеткиликсиз энергиянын көлөмү көбөйөт.
Абсолюттук нөлгө жетүү мүмкүнчүлүгү
Макс Планк термодинамиканын өнүгүшүнө олуттуу салым кошкон. Экинчи мыйзамды статистикалык чечмелөө боюнча иштөө менен бирге ал термодинамиканын үчүнчү мыйзамын постулаттоого активдүү катышкан. Биринчи формула W alter Nernst таандык жана 1906 билдирет. Нерсттин теоремасы карайтабсолюттук нөлгө жакын температурадагы тең салмактуулук системасынын жүрүм-туруму. Термодинамиканын биринчи жана экинчи мыйзамдары берилген шарттарда энтропиянын кандай болорун билүү мүмкүн эмес.
Т=0 К болгондо энергия нөлгө барабар болсо, системанын бөлүкчөлөрү башаламан жылуулук кыймылын токтотуп, иреттүү түзүлүштү, термодинамикалык ыктымалдыгы бирге барабар кристалл түзөт. Бул энтропия да жок болот дегенди билдирет (төмөндө мунун эмне үчүн болгонун билебиз). Чындыгында, ал муну бир аз эртерээк кылат, бул кандайдыр бир термодинамикалык системанын, кандайдыр бир дененин абсолюттук нөлгө чейин муздашы мүмкүн эмес дегенди билдирет. Температура бул чекке өзүм билемдик менен жакындайт, бирок ага жетпейт.
Perpetuum mobile: жок, чындап кааласаңыз дагы
Клаузиус термодинамиканын биринчи жана экинчи мыйзамдарын ушундайча жалпылап, формулировкалаган: кандайдыр бир жабык системанын жалпы энергиясы дайыма туруктуу бойдон калат, ал эми жалпы энтропия убакыттын өтүшү менен көбөйөт.
Бул билдирүүнүн биринчи бөлүгү биринчи түрдөгү түбөлүк кыймылдаткычка – тышкы булактан энергия агымысыз иштеген түзүлүшкө тыюу салат. Экинчи бөлүктө экинчи түрдөгү түбөлүк кыймылдуу машинага да тыюу салынат. Мындай машина системанын энергиясын энтропия компенсациясы жок, сакталуу мыйзамын бузбастан ишке өткөрөт. Тең салмактуу системадан жылуулукту сордурууга, мисалы, жумурткаларды кууруп же суу молекулаларынын жылуулук кыймылынын энергиясынан болот куюп, аны муздатууга мүмкүн болмок.
Термодинамиканын экинчи жана үчүнчү мыйзамдары экинчи түрдөгү түбөлүк кыймылдуу машинага тыюу салат.
Ой, табияттан эч нерсе алынбайт, бекер эле эмес, комиссия да төлөш керек.
Ысык өлүм
Илимде жалпы коомчулукта гана эмес, илимпоздордун өздөрүнүн арасында да энтропия сыяктуу көптөгөн түшүнүксүз эмоцияларды жараткан түшүнүктөр аз. Физиктер жана биринчи кезекте Клаузийдин өзү азайбоо мыйзамын дээрлик дароо эле алгач Жерге, андан кийин бүткүл Ааламга экстраполяция кылышкан (эмне үчүн андай эмес, анткени аны термодинамикалык система деп да кароого болот). Натыйжада, физикалык чоңдук, көптөгөн техникалык колдонмолордо эсептөөлөрдүн маанилүү элементи, жаркыраган жана боорукер дүйнөнү жок кылган кандайдыр бир универсалдуу Жамандыктын ишке ашырылышы катары кабыл алына баштады.
Окумуштуулардын арасында да мындай пикирлер бар: термодинамиканын экинчи мыйзамы боюнча энтропия кайра кайтарылгыс түрдө өсөт, эртеби-кечпи Ааламдын бардык энергиясы диффузиялык формага бузулуп, «жылуулук өлүмү» келет. Бактылуу боло турган эмне бар? Маселен, Клаузиус өзүнүн жыйынтыктарын жарыялоодон бир нече жыл тартынган. Албетте, “жылуулук өлүмү” гипотезасы дароо көптөгөн каршылыктарды жаратты. Анын тууралыгына азыр да олуттуу шектенүүлөр бар.
Сортер демон
1867-жылы газдардын молекулярдык-кинетикалык теориясынын авторлорунун бири Джеймс Максвелл абдан визуалдык (ойдон чыгарылган болсо да) экспериментте термодинамиканын экинчи мыйзамынын парадоксун көрсөткөн. Тажрыйбаны төмөнкүдөй жыйынтыктоого болот.
Газ бар идиш болсун. Андагы молекулалар туш келди кыймылдашат, ылдамдыгы бир нечеайырмаланат, бирок орточо кинетикалык энергия идиш боюнча бирдей. Эми биз эки обочолонгон бөлүктөрү менен идиш бөлөбүз. Идиштин эки жарымындагы молекулалардын орточо ылдамдыгы бирдей бойдон калат. Бөлүктү кичинекей жин коргойт, ал тезирээк, "ысык" молекулалардын бир бөлүгүнө, ал эми экинчисине жайыраак "муздак" молекулалардын өтүшүнө мүмкүндүк берет. Натыйжада газ биринчи жарымында ысып, экинчи жарымында муздайт, башкача айтканда, система термодинамикалык тең салмактуулук абалынан температуралык потенциалдар айырмасына өтөт, бул энтропиянын төмөндөшүн билдирет.
Бардык көйгөй экспериментте система бул өтүүнү өзүнөн өзү жасабайт. Ал энергияны сырттан алат, анын аркасында бөлүм ачылат жана жабылат, же система сөзсүз түрдө өз энергиясын дарбазачынын милдеттерине жумшаган жинди камтыйт. Жиндин энтропиясынын көбөйүшү анын газынын азайышына караганда көбүрөөк болот.
Эрежесиз молекулалар
Бир стакан суу алып, столдун үстүнө калтырыңыз. Стаканды карап отуруунун кажети жок, бир аздан кийин кайрылып, андагы суунун абалын текшерүү жетиштүү. Анын саны азайып кеткенин көрөбүз. Эгерде стаканды көпкө калтырсаңыз, анда эч кандай суу чыкпайт, анткени анын баары бууланып кетет. Процесстин эң башында бардык суу молекулалары айнектин дубалдары менен чектелген мейкиндиктин белгилүү бир аймагында болушкан. Эксперимент аяктагандан кийин, алар бөлмөгө чачырап кетишти. Бөлмөнүн көлөмүндө молекулалардын ордун эч нерсесиз өзгөртүүгө көбүрөөк мүмкүнчүлүктөрү барсистеманын абалы үчүн кесепеттери. Аларды ширетилген "коллективге" чогултуп, ден-соолукка пайдалуу суу ичүү үчүн кайра стаканга кууп салууга эч кандай мүмкүнчүлүк жок.
Бул система жогорку энтропия абалына эволюциялашканын билдирет. Термодинамиканын экинчи мыйзамынын негизинде энтропия же системанын бөлүкчөлөрүнүн (бул учурда суу молекулаларынын) дисперстик процесси кайра кайтарылгыс. Эмне үчүн?
Клаузиус бул суроого жооп берген жок жана Людвиг Больцмандан башка эч ким жооп бере алган жок.
Макро жана микростандар
1872-жылы бул окумуштуу илимге термодинамиканын экинчи мыйзамынын статистикалык чечмелөөсүн киргизген. Анткени, термодинамика караган макроскопиялык системалар жүрүм-туруму статистикалык мыйзамдарга баш ийген көптөгөн элементтерден түзүлөт.
Келгиле, суу молекулаларына кайрылалы. Бөлмөнүн айланасында туш келди учуп, алар ар кандай позицияларды ээлей алышат, ылдамдыкта айрым айырмачылыктарга ээ (молекулалар бири-бири менен жана абадагы башка бөлүкчөлөр менен тынымсыз кагылышып турушат). Молекулалар системасынын абалынын ар бир варианты микро абал деп аталат жана мындай варианттардын абдан көп саны бар. Варианттардын басымдуу бөлүгүн ишке ашырууда системанын макростату эч кандай өзгөрбөйт.
Эч нерсе чектелбейт, бирок бир нерсе өтө күмөн
Атактуу S=k lnW катышы термодинамикалык системанын белгилүү макростатин (W) анын S энтропиясы менен туюндүрүүнүн мүмкүн болгон жолдорунун санын байланыштырат. W мааниси термодинамикалык ыктымалдык деп аталат. Бул формуланын акыркы формасы Макс Планк тарабынан берилген. Энергетика менен температуранын ортосундагы байланышты мүнөздөгөн өтө кичинекей маани (1,38×10−23 J/K) к коэффициентин Планк илимпоздун урматына Больцман константасы деп атаган. биринчиси, экинчиси термодинамиканын башталышын статистикалык чечмелөө үчүн.
W ар дайым 1, 2, 3, …N натурал саны экени түшүнүктүү (жолдордун бөлчөк саны жок). Анда W логарифм, демек энтропия терс болушу мүмкүн эмес. Система үчүн жалгыз мүмкүн болгон микро абал менен энтропия нөлгө барабар болот. Эгер стаканыбызга кайтсак, бул постулатты төмөнкүчө чагылдырууга болот: бөлмөнүн ичинде туш келди чуркаган суу молекулалары кайра айнекке кайтып келишти. Ошол эле учурда, ар бири өз жолун так кайталап, жөнөгөнгө чейин стакандагы ошол эле орунду ээледи. Энтропия нөлгө барабар болгон бул вариантты ишке ашырууга эч нерсе тыюу салбайт. Жөн гана мындай жоголгон кичинекей ыктымалдуулуктун ишке ашырылышын күтө туруңуз. Бул теориялык жактан гана жасала турган нерселердин бир мисалы.
Үйдө баары аралаш…
Демек, молекулалар бөлмөнүн ичинде ар кандай жолдор менен туш келди учуп жүрүшөт. Алардын тизилишинде эч кандай мыйзам ченемдүүлүк жок, системада тартип жок, микростаттардын варианттарын кандайча өзгөртсөңүз да, эч кандай түшүнүктүү түзүлүштү байкоого болбойт. Стаканда да ошондой болгон, бирок мейкиндиктин чектелүүлүгүнөн молекулалар өз ордун мынчалык активдүү өзгөртүшкөн эмес.
Системанын эң башаламан, баш аламан абалыыктымалдык анын максималдуу энтропиясына туура келет. Стакандагы суу төмөнкү энтропия абалынын мисалы болуп саналат. Бөлмөдө бирдей бөлүштүрүлгөн башаламандыктан ага өтүү дээрлик мүмкүн эмес.
Баарыбызга түшүнүктүүраак мисал келтирели - үйдөгү баш аламандыктарды тазалоо. Баарын өз ордуна коюу үчүн биз дагы энергияны сарпташыбыз керек. Бул иштин жүрүшүндө биз ысып кетебиз (б.а. тоңбойбуз). Бул энтропия пайдалуу болушу мүмкүн экен. Бул жагдай. Биз андан да көп айта алабыз: энтропия жана ал аркылуу термодинамиканын экинчи мыйзамы (энергия менен бирге) ааламды башкарат. Келгиле, кайра кайтарылуучу процесстерди дагы бир карап көрөлү. Эгерде энтропия болбосо, дүйнө ушундай болмок: өнүгүү жок, галактикалар, жылдыздар, планеталар. Жашоо жок…
"Ысыктык өлүм" жөнүндө бир аз көбүрөөк маалымат. Жакшы кабар бар. Статистикалык теория боюнча «тыюу салынган» процесстер чындыгында күмөн болгондуктан, термодинамикалык тең салмактуулук системасында флуктуациялар - термодинамиканын экинчи мыйзамынын стихиялуу түрдө бузулушу пайда болот. Алар өзүм билемдик менен чоң болушу мүмкүн. Тартылуу күчү термодинамикалык системага киргизилгенде бөлүкчөлөрдүн бөлүштүрүлүшү мындан ары хаотикалык бир калыпта болбойт жана максималдуу энтропия абалына жетишпейт. Мындан тышкары, Аалам өзгөрүлгүс, туруктуу, кыймылсыз эмес. Демек, "жылуулук өлүмү" деген суроонун өзү маанисиз.
