Вторият закон на термодинамиката определя посоката на реалните топлинни процеси, протичащи с крайна скорост.

Второ начало(втори закон) термодинамика То има няколко формулировки . Например, всяко действие, свързани с преобразуване на енергия(тоест с прехода на енергия от една форма в друга), не може да възникне без загубата му под формата на разсейвана топлина в околната среда. В повече общ изгледтова означава, че процесите на трансформация (трансформация) на енергия могат да възникнат спонтанно само при условие, че енергията преминава от концентрирана (подредена) форма в разпръсната (неподредена) форма.

Друг определениеВторият закон на термодинамиката е пряко свързан с Принцип на Клаузиус : Процес, при който не настъпва никаква промяна, освен преноса на топлина от горещо тяло към студено, е необратим, тоест топлината не може да се прехвърли спонтанно от по-студено тяло към по-горещо. При което такова преразпределение на енергията в системата характеризиращ се с големината , Наречен ентропия , което е като държавна функциятермодинамичната система (функция с пълен диференциал) е въведена за първи път през 1865 година именно от Клаузий. Ентропия – това е мярка за необратимото разсейване на енергия. Колкото по-голямо е количеството енергия, което необратимо се разсейва като топлина, толкова по-голяма е ентропията.

Така от тези формулировки на втория закон на термодинамиката можем да заключим, че всяка система , чиито свойства се променят с времето, се стреми към равновесно състояние, в който ентропия на систематавзема максимална стойност. Поради това втори закон на термодинамикатачесто се обаждат закон за нарастване на ентропията , и самата нея ентропия (Как физическо количествоили като физическа концепция) обмислят като мярка за вътрешното разстройство на физикохимичната система .

С други думи, ентропия – държавна функцияхарактеризиращи посоката на спонтанните процеси в затворен термодинамична система. В състояние на равновесие ентропията на затворена система достига максимум и в такава система не са възможни макроскопични процеси. Максималната ентропия съответства на пълен хаос .

Най-често преходът на система от едно състояние в друго се характеризира не с абсолютната стойност на ентропията С , и неговата промяна ∆ С , което е равно на съотношението на промяната в количеството топлина (предадена на системата или отведена от нея) към абсолютната температура на системата: ∆ S= ∆Q/T J/град. Това е т.нар термодинамична ентропия .

Освен това ентропията има статистическо значение. При преход от едно макросъстояние към друго статистическата ентропия също се увеличава, тъй като такъв преход винаги е придружен от голям брой микросъстояния, а равновесното състояние (към което системата се стреми) се характеризира с максимален брой микросъстояния.

Във връзка с понятието ентропия в термодинамиката понятието време придобива нов смисъл. В класическата механика посоката на времето не се взема предвид и състоянието на една механична система може да се определи както в миналото, така и в бъдещето. В термодинамиката времето се появява под формата на необратим процес на нарастване на ентропията в системата.Тоест, колкото по-голяма е ентропията, толкова по-дълъг период от време е изминала системата в своето развитие.

Освен това, да разберем физическия смисъл на ентропиятатрябва да се има предвид, че в природата има четири класа термодинамични системи :

а) изолирани системи или затворени(по време на прехода на такива системи от едно състояние в друго няма пренос на енергия, материя и информация през границите на системата);

б) адиабатни системи(няма само топлообмен с околната среда);

V) затворени системи(обменят енергия, но не и материя, със съседни системи) (напр. космически кораб);

G) отворени системи(обменят материя, енергия и информация с околната среда). В тези системи, поради пристигането на енергия отвън, могат да възникнат дисипативни структури с много по-ниска ентропия.

За отворените системи ентропията намалява. Последното се отнася преди всичко биологични системи, тоест живи организми, които са отворени неравновесни системи. Такива системи се характеризират с градиенти на концентрация химически вещества, температура, налягане и други физични и химични величини. Използването на понятията на съвременната, т.е. неравновесна термодинамика, позволява да се опише поведението на отворени, т.е. реални системи. Такива системи винаги обменят енергия, материя и информация със своята среда. Освен това такива метаболитни процеси са характерни не само за физически или биологични системи, но и за социално-икономически, културни, исторически и хуманитарни системи, тъй като процесите, протичащи в тях, като правило са необратими.

Третият закон на термодинамиката (трети закон на термодинамиката) се свързва с понятието „абсолютна нула“. Физически смисълТози закон, показан в термичната теорема на В. Нернст (немски физик), се състои в фундаменталната невъзможност за достигане на абсолютната нула (-273,16ºС), при която транслационното топлинно движение на молекулите трябва да спре и ентропията ще престане да зависи от параметрите физическо състояниесистеми (по-специално от промени в топлинната енергия). Теоремата на Нернст се прилага само за термодинамично равновесни състояния на системи.

С други думи, теоремата на Нернст може да получи следната формулировка: когато се приближи до абсолютната нула, ентропията нараства∆С клони към добре дефинирана крайна граница, независимо от стойностите, взети от всички параметри, характеризиращи състоянието на системата(например обем, налягане, агрегатно състояниеи т.н.).

Разберете същността на теоремата на Нернствъзможно при следния пример. Тъй като температурата на газа намалява, ще настъпи неговата кондензация и ентропията на системата ще намалее, тъй като молекулите са разположени по по-подреден начин. При по-нататъшно понижаване на температурата ще настъпи кристализация на течността, придружена от по-голяма подреденост в подреждането на молекулите и следователно още по-голямо намаляване на ентропията. При абсолютна нулева температура всяко топлинно движение се прекратява, разстройството изчезва, броят на възможните микросъстояния намалява до едно и ентропията се доближава до нула.

4. Концепцията за самоорганизация. Самоорганизация в отворени системи.

Концепция “ синергетика" е предложен през 1973 г. от немския физик Херман Хакен за указване на посоката, Наречен изследвания общи законисамоорганизация – феноменът на координирано действие на елементи на сложна система без външно управляващо действие. Синергетика (в превод от гръцки – съвместен, координиран, улесняващ) – научно направление изучаване връзки между структурните елементи(подсистеми), които се образуват в отворени системи (биологични, физико-химични, геолого-географски и др.) благодарение на интензивното(стрийминг) обмен на материя, енергия и информация с околната среда в неравновесни условия. В такива системи се наблюдава координирано поведение на подсистемите, в резултат на което степента на ред се увеличава (ентропията намалява), тоест се развива процесът на самоорганизация.

Равновесиеима състояние на мир и симетрия, А асиметрияводи към движение и неравновесно състояние .

Значителен принос в теорията за самоорганизацията на системитепринос от белгийски физик от руски произход I.R. Пригожин (1917-2003). Той показа това в дисипативни системи (системи, в които се извършва разсейване на ентропията) в хода на необратими неравновесни процеси възникват подредени образувания, които той нар. дисипативни структури.

Самоорганизация- Това процесът на спонтанно възникване на ред и организация от безредие(хаос) в отворени неравновесни системи.Случайни отклонения на параметрите на системата от равновесие ( флуктуации) играят много важна роля за функционирането и съществуването на системата. Поради нарастване на колебанията при усвояване на енергия от заобикаляща среда система достига някои критично състояние И преминава в ново стабилно състояниес Повече ▼ високо нивотрудности И поръчка в сравнение с предишния. Системата, самоорганизирайки се в ново стационарно състояние, намалява своята ентропия, тя като че ли „изхвърля“ своя излишък, който се увеличава поради вътрешни процеси, в околната среда.

Излизане от хаоса подредена структура (атрактор , или дисипативна структура) е резултат от състезаниетонабори от всички възможни състояния, вградени в системата. В резултат на конкуренцията има спонтанен избор на най-адаптивната структура при настоящите условия.

Синергетиката се основававърху термодинамиката на неравновесните процеси, теорията на случайните процеси, теорията на нелинейните трептения и вълни.

Синергетиката изследва появата и развитието на системите. Разграничете три вида системи: 1) затворен, които не обменят материя, енергия или информация със съседни системи (или с околната среда); 2) затворен които обменят енергия, но не и материя, със съседни системи (например космически кораб); 3) отворен, които обменят както материя, така и енергия със съседни системи. Почти всички природни (екологични) системи са от отворен тип.

Наличие на системинемислимо никакви връзки. Последните са разделени на директни и обратни. Направо те наричат ​​това Връзка , в който един елемент ( А) действа върху друг ( IN) без отговор. При обратна връзка елемент INотговаря на действието на елемента А.Обратната връзка може да бъде положителна или отрицателна.

Положителна обратна връзкаводи до засилване на процеса в една посока. Пример за действието му е преовлажняване на даден район (например след обезлесяване). Процесзапочва акт V Една Посока: повишена влажност – изчерпване на кислорода – по-бавно разлагане на растителни остатъци – натрупване на торф – допълнително повишено преовлажняване.

Обратна връзка отрицателна обратна връзкадейства по такъв начин, че в отговор на повишеното действие на елемента Асилата на противоположната посока на елемента се увеличава B. Тази връзка позволява на системата да остане в състоянието стабилно динамично равновесие. Това е най-често срещаният и важен изгледвръзки в природни системи. Те са основно основата за устойчивостта и стабилността на екосистемите.

Важен имотсистемие възникване (в превод от английски - поява, поява на нещо ново). Това свойство се състои в това, че свойствата на системата като цяло не са проста сума от свойствата на нейните съставни части или елементи, а взаимовръзките на различните връзки на системата определят нейното ново качество.

Синергичният подход за разглеждане на системите се основава на три концепции: неравновесие, откритост И нелинейност .

Неравновесие(нестабилност) – състояние на системата, при което настъпва промяна в неговите макроскопични параметри, тоест състав, структура, поведение.

откритост –системна способностнепрекъснато обменят материя, енергия, информация с околната среда и имат както „източници“ - зони на попълване на енергия от околната среда, така и зони на разсейване, „потъване“.

Нелинейност –свойство на систематаостанете в различни стационарни състояния, съответстващи на различни допустими закони на поведение на тази система.

IN нелинейни системи развитието протича по нелинейни закони, водещи до многовариантен избор на пътища и алтернативи за излизане от състоянието на нестабилност. IN нелинейни системи процесите могат да се износват рязко прагов характеркогато при постепенно изменение на външните условия се наблюдава рязък преход към друго качество. В същото време старите структури се разрушават, преминавайки към качествено нови структури.

Има няколко формулировки на втория закон на термодинамиката, две от които са дадени по-долу:

· топлината не може сама да премине от тяло с по-ниска температура към тяло с по-висока температура(формулировка на R. Clausius);

· невъзможен е вечен двигател от втори вид, т.е. такъв периодичен процес, единственият резултат от който би бил превръщането на топлината в работа поради охлаждането на едно тяло (формулировката на Томсън).

Вторият закон на термодинамиката показва неравенството на две форми на пренос на енергия - работа и топлина. Този закон отчита факта, че процесът на преход на енергията на подреденото движение на тялото като цяло (механична енергия) в енергията на неуреденото движение на неговите частици (топлинна енергия) е необратим. Например механичната енергия по време на триене се превръща в топлина без допълнителни процеси. Преходът на енергията на неуреденото движение на частиците (вътрешна енергия) в работа е възможен само ако е придружен от някакъв допълнителен процес. По този начин топлинният двигател, работещ в директен цикъл, произвежда работа само поради топлината, подадена от нагревателя, но в същото време част от получената топлина се прехвърля към хладилника.

Ентропия.В допълнение към вътрешната енергия U, което е уникална функция на параметрите на състоянието на системата; други функции на състоянието се използват широко в термодинамиката ( свободна енергия, енталпияИ ентропия).

Концепция ентропиявъведен през 1865 г. от Рудолф Клаузиус. Тази дума идва от гръцки. ентропияи буквално означава завой, трансформация.в термодинамиката този термин се използва за описание на трансформации различни видовеенергия (механична, електрическа, светлинна, химическа) в топлинна, т.е. в случайно, хаотично движение на молекулите. Невъзможно е да се събере тази енергия и да се трансформира обратно във вида, от който е получена.

За определяне мерки за необратимо разсейванеили разсейванеенергия и тази концепция беше въведена. Ентропия Се функция на държавата. Той се отличава сред другите термодинамични функции с това, че има статистически, тоест вероятностен характер.

Ако в термодинамична система протича процес, включващ получаване или освобождаване на топлина, това води до трансформация на ентропията на системата, която може да се увеличи или намали. По време на необратим цикъл ентропията на изолирана система се увеличава

dS> 0. (3.4)

Това означава, че в системата възниква необратимо разсейване на енергия.

Ако в затворена система протича обратим процес, ентропията остава непроменена

dS= 0. (3.5)

Промяната в ентропията на изолирана система, на която е придадено безкрайно малко количество топлина, се определя от връзката:

. (3.6)

Тази връзка е валидна за обратим процес. За необратим процес, протичащ в затворена система, имаме:

dS> .

В отворена система ентропията винаги нараства. Функцията на състоянието, чийто диференциал е се нарича намалена топлина.

По този начин във всички процеси, протичащи в затворена система, ентропията се увеличава по време на необратими процеси и остава непроменена по време на обратими процеси. Следователно формули (3.4) и (3.5) могат да бъдат комбинирани и представени във формата

dS ³ 0.

Това статистическиформулиране на втория закон на термодинамиката.

Ако системата извърши равновесен преход от състояние 1 към състояние 2, тогава съгласно уравнение (3.6) , промяна на ентропията

д С 1- 2 = С 2 – С 1 = .

Не самата ентропия има физическо значение, а разликата между ентропиите.

Нека намерим промяната в ентропията в идеалните газови процеси. Тъй като:

; ;

,

или: . (3.7)

Това показва, че промяната в ентропията на идеален газ по време на прехода от състояние 1 към състояние 2 не зависи от вида на процеса на преход 1® 2.

От формула (3.7) следва, че когато изотермиченпроцес ( Т 1 = Т 2):

.

При изохориченпроцес, промяната в ентропията е равна на

.

Тъй като за адиабатен процесd Q= 0, тогава uD С= 0, следователно възниква обратим адиабатичен процес при постоянна ентропия. Затова го наричат изоентропичен процес.

Ентропията на системата има свойството адитивност, което означава, че ентропията на системата е равна на сумата от ентропиите на всички тела, които са част от системата.

Значението на ентропията става по-ясно, ако включим статистическата физика. В него ентропията се свързва с термодинамична вероятност на състоянието на системата. Термодинамичната вероятност W на състоянието на системата е равна на броя на всички възможни микроразпределения на частиците по координати и скорости, което определя дадено макросъстояние: Walways³ 1, т.е. термодинамичната вероятност не е вероятност в математическия смисъл.

Л. Болцман (1872) показа, че ентропията на една система е равна на произведението на константата на Болцман кчрез логаритъм на термодинамичната вероятност W на дадено състояние

Следователно на ентропията може да се даде следната статистическа интерпретация: ентропията е мярка за безпорядъка на една система. От формула (3.8) е ясно: отколкото по-голям броймикросъстояния, които реализират дадено макросъстояние, толкова по-голяма е ентропията. Най-вероятното състояние на системата е равновесно състояние. Броят на микросъстоянията е максимален, следователно ентропията е максимална.

Тъй като всички реални процеси са необратими, може да се твърди, че всички процеси в една затворена система водят до увеличаване на ентропията – принципът на нарастващата ентропия.

При статистическа интерпретацияентропия, това означава, че процесите в затворена система се движат в посока от по-малко вероятни състояния към по-вероятни състояния, докато вероятността от състояния стане максимална.

Нека обясним с пример. Нека си представим съд, разделен с преграда на две равни части АИ б. Отчасти Аима газ и в б- вакуум. Ако направите дупка в преградата, газът веднага ще започне да се разширява „сам“ и след известно време ще се разпредели равномерно по целия обем на съда, а това ще най-вероятносъстояние на системата. Най-малко вероятноще има състояние, когато повечето отгазовите молекули изведнъж спонтанно изпълват една от половините на съда. Можете да чакате това явление колкото желаете, но самият газ няма да се сглоби на части. А. За да направите това, трябва да поработите малко върху газа: например, преместете дясната стена на част като бутало б. По този начин всяка физическа система има тенденция да преминава от по-малко вероятно състояние към по-вероятно състояние. Равновесното състояние на системата е по-вероятно.

Използвайки концепцията за ентропия и неравенството на Р. Клаузиус, втори закон на термодинамикатаможе да се формулира като закон за нарастване на ентропията на затворена система по време на необратими процеси:

всеки необратим процес в затворена система се случва по такъв начин, че системата е по-вероятно да влезе в състояние с по-висока ентропия, достигайки максимум в състояние на равновесие. Или друго:

при процеси, протичащи в затворени системи, ентропията не намалява.

трябва да бъде отбелязано че ние говорим засамо за затворени системи.

И така, вторият закон на термодинамиката е статистически закон. Той изразява необходимите модели на хаотично движение голямо числочастици, които са част от изолирана система. Статистическите методи обаче са приложими само в случай на огромен брой частици в системата. За малък брой частици (5-10) този подход не е приложим. В този случай вероятността всички частици да са в половината от обема вече не е нула, или с други думи, такова събитие може да се случи.

Топлинна смърт на Вселената. Р. Клаузиус, разглеждайки Вселената като затворена система и прилагайки към нея втория закон на термодинамиката, свежда всичко до твърдението, че ентропията на Вселената трябва да достигне своя максимум. Това означава, че всички форми на движение трябва да се превърнат в топлинно движение, в резултат на което температурата на всички тела във Вселената ще се изравни с времето, ще настъпи пълно топлинно равновесие и всички процеси просто ще спрат: топлинната смърт на Вселената ще възникне.

Основно уравнение на термодинамиката . Това уравнение съчетава формулите на първия и втория закон на термодинамиката:

д Q = dU + p dV, (3.9)

Нека заместим уравнението (3.9), изразяващо втория закон на термодинамиката, в равенството (3.10):

.

Това е, което е фундаментално уравнение на термодинамиката.

В заключение още веднъж отбелязваме, че ако първият закон на термодинамиката съдържа енергийния баланс на процеса, то вторият закон показва възможната му посока.

Трети закон на термодинамиката

Друг закон на термодинамиката е установен в процеса на изучаване на промените в ентропията химична реакцияпрез 1906 г. от В. Нернстом. Нарича се Теорема на Нернст или трети закон на термодинамикатаи се свързва с поведението на топлинния капацитет на веществата при абсолютни нулеви температури.

Теорема на Нернстзаявява, че когато се приближава до абсолютната нула, ентропията на системата също клони към нула, независимо от това какви стойности приемат всички други параметри на състоянието на системата:

.

От ентропията , и температурата Tклони към нула, топлинният капацитет на веществото също трябва да клони към нула и по-бързо от T. това предполага недостижимост на абсолютната нула температурас крайна последователност от термодинамични процеси, т.е. краен брой операции - работни цикли на хладилната машина (втората формулировка на третия закон на термодинамиката).

Реални газове

Уравнение на Ван дер Ваалс

Промени в състоянието на разредените газове при достатъчно високи температуриИ ниско наляганеописано от законите за идеалния газ. Въпреки това, когато налягането се увеличава и температурата на реалния газ се понижава, се наблюдават значителни отклонения от тези закони, поради значителни разлики между поведението на реалните газове и поведението, което се приписва на частиците на идеален газ.

Уравнението на състоянието на реалните газове трябва да вземе предвид:

· крайна стойност на собствения обем на молекулите;

· взаимно привличанемолекули една към друга.

За това J. van der Waals предложи да се включи в уравнението на състоянието не обемът на съда, както в уравнението на Клапейрон-Менделеев ( pV = RT), и обемът на мол газ, който не е зает от молекули, тоест стойността ( Vм -б), Където V m – моларен обем. За да вземе предвид силите на привличане между молекулите, J. van der Waals въвежда корекция на налягането, включено в уравнението на състоянието.

Чрез въвеждане на корекции, свързани с отчитане на собствения обем на молекулите (силите на отблъскване) и силите на привличане в уравнението на Клапейрон-Менделеев, получаваме уравнение на състоянието на мол реален газкато:

.

Това уравнение на ван дер Ваалс, в който константите АИ bимат различен смисълза различни газове.

Лабораторна работа

§6 Ентропия

Обикновено всеки процес, при който една система преминава от едно състояние в друго, протича по такъв начин, че е невъзможно този процес да се осъществи в обратна посока, така че системата да премине през същите междинни състояния, без да настъпят промени в околните тела . Това се дължи на факта, че в процеса част от енергията се разсейва, например поради триене, радиация и др. Така. Почти всички процеси в природата са необратими. Във всеки процес се губи малко енергия. За да се характеризира разсейването на енергията, се въвежда понятието ентропия. ( Стойността на ентропията характеризиратоплинното състояние на системата и определя вероятността за изпълнение на дадено състояние на тялото. Колкото по-вероятно е дадено състояние, толкова по-голяма е ентропията.) Всички естествени процесипридружено от увеличаване на ентропията. Ентропията остава постоянна само в случай на идеализиран обратим процес, протичащ в затворена система, тоест в система, в която няма обмен на енергия с тела, външни за тази система.

Ентропия и нейното термодинамично значение:

Ентропия- това е функция на състоянието на системата, чиято безкрайно малка промяна в обратим процес е равна на отношението на безкрайно малкото количество топлина, въведено в този процес, към температурата, при която е въведено.

При окончателен обратим процес промяната в ентропията може да се изчисли по формулата:

където интегралът се взема от началното състояние 1 на системата до крайното състояние 2.

Тъй като ентропията е функция на състоянието, тогава свойството на интегралае неговата независимост от формата на контура (пътя), по който се изчислява; следователно интегралът се определя само от началното и крайното състояние на системата.

• Във всеки обратим процес промяната в ентропията е 0

(1)

• В термодинамиката е доказано, чеСсистема, подложена на необратим цикъл, се увеличава

Δ С> 0 (2)

Изрази (1) и (2) се отнасят само за затворени системи, но ако системата обменя топлина с външна среда, после неяСможе да се държи по всякакъв начин.

Съотношенията (1) и (2) могат да бъдат представени като неравенството на Клаузиус

ΔS ≥ 0

тези. ентропията на затворена система може или да се увеличи (при необратими процеси), или да остане постоянна (при обратими процеси).

Ако системата направи равновесен преход от състояние 1 към състояние 2, тогава ентропията се променя

Където dUИ δAе написан за конкретен процес. Според тази формула ΔСопределена до адитивна константа. Не самата ентропия има физическо значение, а разликата в ентропиите. Нека намерим промяната в ентропията в идеалните газови процеси.

тези. промени в ентропиятаС Δ С 1→2 на идеален газ при прехода му от състояние 1 към състояние 2 не зависи от вида на процеса.

защото за адиабатен процес δQ = 0, тогава Δ С= 0 => С= конст , тоест възниква адиабатен обратим процес при постоянна ентропия. Ето защо се нарича изоентропичен.

При изотермичен процес (T= const; T 1 = T 2 : )

В изохоричен процес (V= const; V 1 = V 2 ; )

Ентропията има свойството на адитивност: ентропията на една система е равна на сумата от ентропиите на телата, включени в системата.С = С 1 + С 2 + С 3 + ... Качествената разлика между топлинното движение на молекулите и другите форми на движение е неговата хаотичност и безпорядък. Следователно, за да се характеризира топлинното движение, е необходимо да се въведе количествена мярка за степента на молекулярно разстройство. Ако разгледаме всяко дадено макроскопично състояние на тяло с определени средни стойности на параметрите, тогава това е нещо различно от непрекъсната промяна на близки микросъстояния, които се различават едно от друго в разпределението на молекулите в различни частиобем и енергия, разпределени между молекулите. Броят на тези непрекъснато променящи се микросъстояния характеризира степента на разстройство на макроскопичното състояние на цялата система,wсе нарича термодинамична вероятност на дадено микросъстояние. Термодинамична вероятностwсъстояние на система е броят начини, по които дадено състояние на макроскопична система може да бъде реализирано, или броят на микросъстоянията, които реализират дадено микросъстояние (w≥ 1 и математическа вероятност ≤ 1 ).

Като мярка за изненадата на дадено събитие беше договорено да се вземе логаритъмът на неговата вероятност, взета със знак минус: изненадата на състоянието е равна на =-

Според Болцман ентропиятаСсистемите и термодинамичната вероятност са свързани помежду си, както следва:

Където - Константа на Болцман (). По този начин ентропията се определя от логаритъма на броя на състоянията, с помощта на които може да се реализира дадено микросъстояние. Ентропията може да се разглежда като мярка за вероятността за състоянието на t/d системата. Формулата на Болцман ни позволява да дадем следната статистическа интерпретация на ентропията. Ентропията е мярка за безпорядъка на една система. Всъщност, колкото по-голям е броят на микросъстоянията, реализиращи дадено микросъстояние, толкова по-голяма е ентропията. В състояние на равновесие на системата - най-вероятното състояние на системата - броят на микросъстоянията е максимален, а ентропията също е максимална.

защото реалните процеси са необратими, тогава може да се твърди, че всички процеси в една затворена система водят до увеличаване на нейната ентропия – принципът на нарастващата ентропия. В статистическата интерпретация на ентропията това означава, че процесите в затворена система протичат в посока на увеличаване на броя на микросъстоянията, с други думи, от по-малко вероятни състояния към по-вероятни, докато вероятността на състоянието стане максимална.

§7 Втори закон на термодинамиката

Първият закон на термодинамиката, изразяващ закона за запазване на енергията и трансформацията на енергията, не ни позволява да установим посоката на протичане на t/d процесите. В допълнение, човек може да си представи много процеси, които не си противоречатаздо началото т/д, при които се запазва енергия, но в природата не се реализират. Възможни формулировки на второто начало t/d:

1) законът за увеличаване на ентропията на затворена система по време на необратими процеси: всеки необратим процес в затворена система се случва по такъв начин, че ентропията на системата се увеличава ΔС≥ 0 (необратим процес) 2) ΔС≥ 0 (С= 0 за реверсивни и ΔС≥ 0 за необратим процес)

При процеси, протичащи в затворена система, ентропията не намалява.

2) От формулата на Болцман S = , следователно увеличаването на ентропията означава преход на системата от по-малко вероятно състояние към по-вероятно.

3) Според Келвин: не е възможен кръгов процес, единственият резултат от който е превръщането на топлината, получена от нагревателя, в еквивалентна на него работа.

4) Според Клаузий: не е възможен кръгов процес, чийто единствен резултат е пренос на топлина от по-малко нагрято тяло към по-нагрято.

За да се опишат t/d системи при 0 K, се използва теоремата на Нернст-Планк (трети закон на t/d): ентропията на всички тела в състояние на равновесие клони към нула, когато температурата се доближи до 0 K

От теоремата Нернст-Планк следва това° С p = ° С v = 0 при 0 ДА СЕ

§8 Топлинни и хладилни машини.

Цикъл на Карно и неговата ефективност

От формулировката на втория закон на t/d според Келвин следва, че вечен двигател от втори род е невъзможен. (Вечният двигател е периодично работещ двигател, който извършва работа чрез охлаждане на един източник на топлина.)

Термостате t/d система, която може да обменя топлина с тела, без да променя температурата.

Принцип на работа на топлинен двигател: от термостат с температура T 1 - нагревател, количеството топлина се отстранява на цикълQ 1 , и термостата с температура T 2 (T 2 < T 1) - към хладилника, количеството топлина се предава на цикълQ 2 , докато работата е свършена А = Q 1 - Q 2

Кръгов процес или цикъле процес, при който система, след като е преминала през поредица от състояния, се връща в първоначалното си състояние. В диаграмата на състоянието цикълът се изобразява като затворена крива. Цикълът изпълнен идеален газ, може да се раздели на процеси на разширяване (1-2) и компресия (2-1), работата на разширението е положителна А 1-2 > 0, защотоV 2 > V 1 , компресионната работа е отрицателна А 1-2 < 0, т.к. V 2 < V 1 . Следователно работата, извършена от газа за цикъл, се определя от площта, покрита от затворената крива 1-2-1. Ако по време на цикъл се извършва положителна работа (цикъл по посока на часовниковата стрелка), тогава цикълът се извиква напред, ако е обратен цикъл (цикълът се извършва в посока, обратна на часовниковата стрелка).

Директен цикълизползвани в топлинни двигатели - периодично работещи двигатели, които извършват работа, използвайки топлина, получена отвън. Обратният цикъл се използва в хладилните машини - периодично работещи инсталации, в които поради работата на външни сили топлината се предава на тяло с по-висока температура.

В резултат на кръговия процес системата се връща в първоначалното си състояние и следователно общата промяна на вътрешната енергия е нула. ТогаваІ стартирайте t/d за кръгов процес

Q= Δ U+ А= А,

Тоест извършената работа за цикъл е равна на количеството топлина, получена отвън, но

Q= Q 1 - Q 2

Q 1 - количество топлина, получена от системата,

Q 2 - количество топлина, отделяна от системата.

Топлинна ефективностза кръгов процес е равно на съотношението на работата, извършена от системата, към количеството топлина, подадена към системата:

За η = 1 условието трябва да е изпълненоQ 2 = 0, т.е. топлинният двигател трябва да има един източник на топлинаQ 1 , но това противоречи на втория закон на t/d.

Обратният процес, който се случва в топлинния двигател, се използва в хладилната машина.

От термостата с температура T 2 количеството топлина се отнемаQ 2 и се предава на термостата с температураT 1 , количество топлинаQ 1 .

Q= Q 2 - Q 1 < 0, следовательно А< 0.

Без извършване на работа е невъзможно да се отнеме топлина от по-малко нагрято тяло и да се отдаде на по-нагрято.

Въз основа на втория закон на t/d Карно извежда теорема.

Теорема на Карно: от всички периодично работещи топлинни двигатели, имащи еднакви температури на нагревателя ( T 1) и хладилници ( T 2), най-висока ефективност. имат реверсивни машини. Ефективност реверсивни машини с равн T 1 и T 2 са равни и не зависят от естеството на работния флуид.

Работно тяло е тяло, което извършва кръгов процес и обменя енергия с други тела.

Цикълът на Карно е обратим, най-икономичен цикъл, състоящ се от 2 изотерми и 2 адиабати.

1-2 изотермично разширение при T 1 нагревател; към газа се подава топлинаQ 1 и работата е свършена

2-3 - адиабат. разширяване, газът върши работаА 2-3 >0 над външни тела.

3-4 изотермична компресия при T 2 хладилника; топлината се отстраняваQ 2 и работата е свършена;

4-1-адиабатна компресия, работата се извършва върху газаА 4-1 <0 внешними телами.

При изотермичен процесU= const, така че Q 1 = А 12

1

По време на адиабатно разширениеQ 2-3 = 0 и работа на газ А 23 осъществява се от вътрешна енергия A 23 = - U

Количество топлинаQ 2 , подадена от газа към хладилника по време на изотермично компресиране, е равна на работата на компресията А 3-4

2

Адиабатна компресионна работа

Работа, извършена в резултат на кръгов процес

А = А 12 + А 23 + А 34 + А 41 = Q 1 + А 23 - Q 2 - А 23 = Q 1 - Q 2

и е равна на площта на кривата 1-2-3-4-1.

Топлинна ефективност Цикъл на Карно

От адиабатното уравнение за процеси 2-3 и 3-4 получаваме

Тогава

тези. ефективност Цикълът на Карно се определя само от температурите на нагревателя и хладилника. За повишаване на ефективността трябва да се увеличи разликата T 1 - T 2 .

******************************************************* ******************************************************

На илюстрацията вляво:протест на християнските консерватори срещу втория закон на термодинамиката. Надписи на плакатите: думата „ентропия“ е зачертана; „Не приемам основните принципи на науката и гласувам.“

ВТОРИЯТ ЗАКОН НА ТЕРМОДИНАМИКАТА И ВЪПРОСИ НА СЪЗДАВАНЕТО

В началото на 2000-те години група християнски консерватори се събраха на стълбите на Капитолия (Канзас, САЩ), за да поискат премахването на фундаментален научен принцип - вторият закон на термодинамиката (виж снимката вляво). Причината за това е тяхното убеждение, че този физически закон противоречи на вярата им в Създателя, тъй като предсказва топлинната смърт на Вселената. Пикетиращите заявиха, че не искат да живеят в свят, който върви към такова бъдеще и да учат децата си на това. Водещият кампания срещу втория закон на термодинамиката е не кой да е, а сенатор от щата Канзас, който вярва, че законът „заплашва разбирането на нашите деца за Вселената като свят, създаден от добронамерен и любящ Бог“.

Парадоксално е, но в същите САЩ друго християнско движение - креационистите, ръководени от Дуейн Гиш, президент на Института за изследване на сътворението - напротив, не само смятат втория закон на термодинамиката за научен, но и ревностно се обръщат към него доказват, че светът е създаден от Бог. Един от основните им аргументи е, че животът не може да възникне спонтанно, тъй като всичко наоколо е склонно към спонтанно унищожение, а не към създаване.

С оглед на такова поразително противоречие между тези две християнски движения възниква логичният въпрос – кое от тях е право? И има ли изобщо някой прав?

В тази статияще разгледаме къде е възможно и къде не може да се приложи вторият закон на термодинамиката и каква е връзката му с въпросите на вярата в Създателя.

КАКЪВ Е ВТОРИЯТ ЗАКОН НА ТЕРМОДИНАМИКАТА

Термодинамикае дял от физиката, който изучава връзките и трансформациите на топлина и други форми на енергия. Тя се основава на няколко основни принципа, наречени принципи (понякога закони) на термодинамиката. Сред тях най-известният вероятно е вторият принцип.

Ако направим кратък преглед на всички принципи на термодинамиката, тогава накратко те са както следва: Първо началопредставлява закона за запазване на енергията, приложен към термодинамичните системи. Същността му е, че топлината е специална форма на енергия и трябва да се вземе предвид в закона за запазване и трансформация на енергията. Второ началоналага ограничения върху посоката на термодинамичните процеси, като забранява спонтанния пренос на топлина от по-слабо нагрети тела към по-нагрети. От него също следва, че е невъзможно да се превърне топлината в работа със сто процента ефективност (загубите за околната среда са неизбежни). Това прави невъзможно създаването на вечен двигател въз основа на това. Трето началозаявява, че е невъзможно да се доведе температурата на което и да е физическо тяло до абсолютната нула за крайно време, тоест абсолютната нула е недостижима. Нулево (или общо) началопонякога наричан принцип, според който изолирана система, независимо от първоначалното състояние, в крайна сметка достига до състояние на термодинамично равновесие и не може да го напусне сама. Термодинамичното равновесие е състояние, при което няма пренос на топлина от една част на системата към друга. (Определението на изолирана система е дадено по-долу.)

Вторият закон на термодинамиката, в допълнение към дадения по-горе, има и други формулировки. Всички дебати за сътворението, които споменахме, се въртят около един от тях. Тази формулировка е свързана с понятието ентропия, с което ще трябва да се запознаем.

Ентропия(според едно определение) е индикатор за безпорядък или хаос в дадена система. С прости думи, колкото повече хаос цари в една система, толкова по-висока е нейната ентропия. За термодинамичните системи, колкото по-висока е ентропията, толкова по-хаотично е движението на материалните частици, които изграждат системата (например молекули).

С течение на времето учените осъзнават, че ентропията е по-широко понятие и може да се прилага не само към термодинамичните системи. Като цяло всяка система има известна доза хаос, която може да се променя - да се увеличава или намалява. В този случай е уместно да се говори за ентропия. Ето няколко примера:

· Чаша вода.Ако водата замръзне и се превърне в лед, тогава нейните молекули се свързват в кристална решетка. Това съответства на по-голям ред (по-малко ентропия) от състоянието, когато водата се е стопила и молекулите се движат произволно. Въпреки това, след като се разтопи, водата все още запазва някаква форма - чашата, в която се намира. Ако водата се изпари, молекулите се движат още по-интензивно и заемат целия предоставен им обем, като се движат още по-хаотично. Така ентропията се увеличава още повече.

· Слънчева система.Можете също така да наблюдавате както ред, така и безредие в него. Планетите се движат по орбитите си с такава прецизност, че астрономите могат да предскажат позицията им във всеки даден момент хиляди години напред. В Слънчевата система обаче има няколко астероидни пояса, които се движат по-хаотично – сблъскват се, разпадат се и понякога падат върху други планети. Според космолозите първоначално цялата слънчева система (с изключение на самото Слънце) е била пълна с такива астероиди, от които по-късно са се образували твърди планети, и тези астероиди са се движели още по-хаотично, отколкото сега. Ако това е вярно, тогава ентропията на Слънчевата система (с изключение на самото Слънце) първоначално е била по-висока.

· Галактика.Галактиката е съставена от звезди, движещи се около нейния център. Но дори и тук има известно безредие: звездите понякога се сблъскват, променят посоката на движение и поради взаимно влияние орбитите им не са идеални, променяйки се по някакъв хаотичен начин. Така че в тази система ентропията не е нула.

· Детска стая.Тези, които имат малки деца, често трябва да наблюдават увеличаването на ентропията със собствените си очи. След почистване апартаментът е в относителен ред. Няколко часа (а понякога и по-малко) престой на едно или две деца в будно състояние обаче са достатъчни, за да се увеличи значително ентропията на този апартамент...

Ако последният пример ви накара да се усмихнете, тогава най-вероятно разбирате какво е ентропия.

Връщайки се към втория закон на термодинамиката, нека си припомним, че както казахме, той има друга формулировка, която е свързана с понятието ентропия. Звучи така: в изолирана система ентропията не може да намалее. С други думи, във всяка система, напълно откъсната от околния свят, безпорядъкът не може спонтанно да намалее: той може само да се увеличи или в краен случай да остане на същото ниво.

Ако поставите кубче лед в топла, заключена стая, то ще се разтопи след известно време. Въпреки това, получената локва вода в тази стая никога няма сама да се разпадне обратно на кубче лед. Отворете там бутилка парфюм и миризмата ще се разпространи из цялата стая. Но нищо няма да го накара да се върне обратно в бутилката. Запалете свещ там и тя ще изгори, но нищо няма да накара дима да се превърне отново в свещ. Всички тези процеси се характеризират с насоченост и необратимост. Причината за такава необратимост на процесите, протичащи не само в тази стая, но и в цялата Вселена, се крие именно във втория закон на термодинамиката.

ЗА КАКВО СЕ ПРИЛАГА ВТОРИЯТ ЗАКОН НА ТЕРМОДИНАМИКАТА?

Този закон обаче, въпреки цялата си привидна простота, е един от най-трудните и често неразбрани закони на класическата физика. Факт е, че във формулировката му има една дума, на която понякога не се обръща достатъчно внимание - това е думата „изолиран“. Според втория закон на термодинамиката ентропията (хаосът) не може да намалява само в изолирани системи. Това е законът. В други системи обаче това вече не е закон и ентропията в тях може или да нараства, или да намалява.

Какво е изолирана система? Нека да разгледаме какви видове системи обикновено съществуват от гледна точка на термодинамиката:

· Отворете.Това са системи, които обменят материя (и вероятно енергия) с външния свят. Пример: кола (консумира бензин, въздух, произвежда топлина).

· Затворено.Това са системи, които не обменят материя с външния свят, но могат да обменят енергия с него. Пример: космически кораб (затворен, но абсорбира слънчева енергия чрез слънчеви панели).

· Изолиран (затворен).Това са системи, които не обменят нито материя, нито енергия с външния свят. Пример: термос (затворен и запазва топлината).

Както отбелязахме, вторият закон на термодинамиката важи само за третия от изброените типове системи.

За илюстрация нека си припомним една система, състояща се от заключена топла стая и парче лед, което се е разтопило, докато е било в нея. В идеалния случай това съответства на изолирана система и нейната ентропия нараства. Сега обаче нека си представим, че навън е силен мраз и ние отворихме прозореца. Системата се отвори: студен въздух започна да тече в стаята, температурата в стаята падна под нулата и нашето парче лед, което преди това се беше превърнало в локва, отново замръзна.

В реалния живот заключената стая не е изолирана система, защото всъщност стъклото и дори тухлите позволяват на топлината да преминава. И топлината, както отбелязахме по-горе, също е форма на енергия. Следователно заключената стая всъщност не е изолирана стая, а затворена система. Дори да затворим плътно всички прозорци и врати, топлината постепенно ще напусне стаята, тя ще замръзне и нашата локва също ще се превърне в лед.

Друг подобен пример е стая с фризер. Докато фризерът е изключен, температурата му е същата като стайната. Но веднага щом го включите, той ще започне да се охлажда и ентропията на системата ще започне да намалява. Това става възможно, защото такава система е станала затворена, тоест консумира енергия от околната среда (в случая електрическа).

Трябва да се отбележи, че в първия случай (стая с парче лед) системата отдели енергия в околната среда, а във втория (стая с фризер), напротив, тя я получи. Ентропията и на двете системи обаче намалява. Това означава, че за да престане да действа вторият закон на термодинамиката като неизменен закон, в общия случай не е важна посоката на пренос на енергия, а наличието на самия факт на пренос между системата и външния свят.

ПРИМЕРИ ЗА НАМАЛЯВАНЕ НА ЕНТРОПИЯТА В НЕЖИВАТА ПРИРОДА.Обсъдените по-горе примери за системи са създадени от човека. Има ли примери за намаляване на ентропията в неживата природа, без участието на разума? Да, колкото искаш.

	снежинки.По време на тяхното образуване хаотично движещите се молекули на водната пара се комбинират в подреден кристал. В този случай се получава охлаждане, тоест енергията се отделя в околната среда и атомите заемат позиция, която е по-енергийно благоприятна за тях. Кристалната решетка на снежинката съответства на по-голям ред от хаотично движещите се молекули на парата.
	Солни кристали.Подобен процес се наблюдава в опит, който мнозина може би си спомнят от ученическите си години. Нишка се спуска в чаша с концентриран разтвор на сол (например готварска сол или меден сулфат) и скоро хаотично разтворените молекули на солта образуват красиви фигури с причудлива форма.
	Фулгурит.Фулгуритът е форма, образувана от пясък, когато мълния удари земята. При този процес се поглъща енергия (електрически ток от мълния), което води до топенето на пясъка, който впоследствие се втвърдява в плътна фигура, което отговаря на по-голям ред от хаотично разпръснатия пясък.
	Водна леща на езерото.Обикновено водната леща, растяща на повърхността на езерото, ако има достатъчно от нея, има тенденция да заема цялата площ на езерото. Опитайте се да разпръснете водната леща с ръце и след минута тя ще се върне на мястото си. Въпреки това, когато духа вятър (понякога едва забележим), водната леща се натрупва в една част на езерото и е там в „компресирано“ състояние. Ентропията намалява поради поглъщането на вятърна енергия.
	Образуване на азотни съединения.Всяка година в атмосферата на земното кълбо се появяват около 16 милиона гръмотевични бури, по време на всяка от които падат десетки и стотици мълнии. По време на светкавици простите компоненти на атмосферата - азот, кислород и влага - се образуват в по-сложни азотни съединения, необходими за растежа на растенията. Намаляването на ентропията в този случай се дължи на поглъщането на енергията на електрическите мълнии.
	Реакцията на Бутлеров.Този химичен процес е известен още като автокаталитичен синтез. При него сложни структурирани захарни молекули в определена среда растат сами, пораждайки своя вид в геометрична прогресия. Това се дължи на химичните свойства на такива молекули. Подреждането на химическата структура и следователно намаляването на хаоса в реакцията на Бутлеров също се дължи на обмена на енергия с околната среда.
	Вулкани.Хаотично движещите се молекули на магмата, излизайки на повърхността, се втвърдяват в кристална решетка и образуват вулканични планини и скали със сложна форма. Ако разглеждаме магмата като термодинамична система, нейната ентропия намалява поради освобождаването на топлинна енергия в околната среда.
	Образуване на озон.Най-енергетично благоприятното състояние за кислородните молекули е O 2 . Въпреки това, под въздействието на тежката космическа радиация, огромен брой молекули се превръщат в озон (O 3) и могат да останат в него за доста дълго време. Този процес продължава непрекъснато, докато в земната атмосфера има свободен кислород.
	Дупка в пясъка.Всички знаят колко е мръсна водата в нашите реки: има боклуци, водорасли и какво ли още не, и всичко е разбъркано. Но до брега има малка дупка в пясъка и водата не се излива в нея, а се просмуква. В същото време се филтрира: равномерно замърсената вода се разделя на чиста и още по-мръсна вода. Ентропията очевидно намалява и това се случва поради силата на гравитацията, която поради разликата в нивата принуждава водата да се просмуква от реката в дупката.
	локва.Да, да, обикновена локва, останала след дъжд, също показва, че ентропията може да намалее спонтанно! Според втория закон на термодинамиката топлината не може спонтанно да преминава от по-малко нагрети към по-нагрети тела. Температурата на водата в локвата обаче постоянно се поддържа с няколко градуса по-ниска от температурата на почвата и околния въздух (можете да проверите това у дома с чинийка с вода и термометър; хигрометър, състоящ се от суха и мокър термометър, също се основава на този принцип). Защо? Защото локвата се изпарява, като по-бързите молекули се отделят от повърхността й и се изпаряват, а по-бавните остават. Тъй като температурата е свързана със скоростта на движение на молекулите, се оказва, че локвата непрекъснато се самоохлажда по отношение на по-топлата среда. Следователно локвата е отворена система, тъй като обменя не само енергия, но и материя с околната среда и процесите в нея очевидно вървят в посока, обратна на тази, посочена от втория закон на термодинамиката.

Ако сте умни и отделите малко време, можете да запомните и запишете хиляди подобни примери. Важно е да се отбележи, че в много от изброените случаи намаляването на ентропията не е изолирана случайност, а закономерност – тенденцията към това е заложена в самото изграждане на такива системи. Следователно то възниква всеки път, когато възникнат подходящи условия, и може да продължи много дълго време - докато съществуват тези условия. Всички тези примери не изискват нито наличието на сложни механизми, които намаляват ентропията, нито намесата на ума.

Разбира се, ако системата не е изолирана, тогава изобщо не е необходимо ентропията в нея да намалява. По-скоро, напротив, това е увеличаване на ентропията, тоест увеличаване на хаоса, което се случва спонтанно по-често. Във всеки случай сме свикнали с факта, че всяко нещо, оставено без надзор или грижа, по правило се влошава и става неизползваемо, а не се подобрява. Може дори да се каже, че това е определено фундаментално свойство на материалния свят - желанието за спонтанна деградация, общата тенденция към увеличаване на ентропията.

Това подзаглавие обаче показва, че тази обща тенденция е закон само в изолирани системи. В други системи увеличаването на ентропията не е закон - всичко зависи от свойствата на конкретната система и условията, в които се намира. Вторият закон на термодинамиката не може да се приложи към тях по дефиниция. Дори ако ентропията се увеличи в една от отворените или затворените системи, това не е изпълнение на втория закон на термодинамиката, а само проява на общата тенденция за увеличаване на ентропията, която е характерна за материалния свят като цяло, но е далеч от абсолютното.

ВТОРИЯТ ЗАКОН НА ТЕРМОДИНАМИКАТА И НАШАТА ВСЕЛЕНА

Когато един ентусиазиран наблюдател гледа звездното небе, както и когато опитен астроном го гледа през телескоп, и двамата могат да наблюдават не само неговата красота, но и удивителния ред, който цари в този макрокосмос.

Може ли обаче този ред да се използва, за да се докаже, че Бог е създал Вселената? Правилно ли е да използваме тази линия на разсъждение: тъй като Вселената не е изпаднала в хаос в съответствие с втория закон на термодинамиката, това доказва ли, че тя се контролира от Бог?

Може би сте свикнали да мислите, че да. Но всъщност, противно на общоприетото схващане, не. По-точно в това отношение е възможно и необходимо да се използват малко по-различни доказателства, но не и вторият закон на термодинамиката.

Първо, все още не е доказано, че Вселената е изолирана система. Въпреки че, разбира се, обратното не е доказано, въпреки това все още не е възможно недвусмислено да се каже, че вторият закон на термодинамиката може да се приложи към него като цяло.

Но да кажем, че изолацията на Вселената като система ще бъде доказана в бъдеще (това е напълно възможно). Какво тогава?

Второ, вторият закон на термодинамиката не казва какво точно ще цари в определена система - ред или хаос. Вторият закон казва в каква посока ще се промени този ред или безредие – в изолирана система хаосът ще нараства. И в каква посока се променя редът във Вселената? Ако говорим за Вселената като цяло, то хаосът в нея нараства (както и ентропията). Тук е важно да не се бърка Вселената с отделни звезди, галактики или техните купове. Отделните галактики (като нашия Млечен път) могат да бъдат много стабилни структури и изглежда, че изобщо не се разграждат в продължение на много милиони години. Но те не са изолирани системи: те постоянно излъчват енергия (като светлина и топлина) в околното пространство. Звездите изгарят и постоянно излъчват материя („слънчев вятър“) в междузвездното пространство. Благодарение на това във Вселената протича непрекъснат процес на трансформация на структурираната материя на звездите и галактиките в хаотично разпръснати енергия и газ. Какво е това, ако не увеличение на ентропията?

Тези процеси на разграждане, разбира се, протичат с много бавна скорост, така че изглежда не ги усещаме. Но ако бяхме в състояние да ги наблюдаваме с много ускорено темпо - да речем, трилион пъти по-бързо, тогава пред очите ни щеше да се разкрие много драматична картина на раждането и смъртта на звездите. Струва си да припомним, че първото поколение звезди, съществувало от началото на Вселената, вече е починало. Според космолозите нашата планета се състои от останките от съществуването и експлозията на някогашна изгоряла звезда; В резултат на такива експлозии се образуват всички тежки химически елементи.

Следователно, ако считаме Вселената за изолирана система, то вторият закон на термодинамиката като цяло е изпълнен в нея, както в миналото, така и днес. Това е един от законите, установени от Бог, и следователно той работи във Вселената по същия начин, както другите физически закони.

Въпреки казаното по-горе, във Вселената има много удивителни неща, свързани с царящия в нея ред, но той не се дължи на втория закон на термодинамиката, а на други причини.

Така списание Newsweek (брой от 09 ноември 1998 г.) изследва до какви заключения ни водят откритията относно създаването на Вселената. В него се казва, че фактите "показват произхода на енергията и движението ex nihilo, тоест от нищото, чрез колосална експлозия на светлина и енергия, което по-скоро съответства на описанието на [библейската книга] Битие." Забележете как списание Newsweek обяснява сходството на раждането на Вселената с библейското описание на това събитие.

Това списание пише: „Освободените сили бяха - и остават - изненадващо (по чудо?) балансирани: ако Големият взрив беше малко по-малко яростен, разширяването на Вселената щеше да продължи по-бавно и скоро (след няколко милиона години или след няколко минути - във всеки случай скоро) процесът ще се обърне и ще настъпи колапс. Ако експлозията беше малко по-силна, Вселената можеше да се превърне в твърде разреден „течен бульон“ и образуването на звезди би било невъзможно. Шансовете за нашето съществуване бяха буквално астрономически малки. Съотношението на материята и енергията към обема на пространството при Големия взрив трябваше да остане в рамките на една квадрилионна от един процент от идеалното съотношение.

Newsweek предполага, че има Някой, който контролира създаването на Вселената, който знае: „Отнеме дори един градус (както бе споменато по-горе, границата на грешка беше една квадрилионна част от един процент), ... и резултатът нямаше да бъде просто дисхармония , но вечна ентропия и лед."

Астрофизикът Алън Лайтман призна: „Това, че Вселената е създадена толкова силно организирана, е мистерия [за учените].“ Той добави, че „всяка космологична теория, която се стреми към успех, в крайна сметка ще трябва да обясни тази мистерия на ентропията“: защо Вселената не е изпаднала в хаос. Очевидно такава ниска вероятност за правилното развитие на събитията не може да бъде инцидент. (Цитиран в „Събудете се!“, 22.06.99 г., стр. 7.)

ВТОРИЯТ ЗАКОН НА ТЕРМОДИНАМИКАТА И ПРОИЗХОДА НА ЖИВОТА

Както беше отбелязано по-горе, теориите са популярни сред креационистите, че вторият закон на термодинамиката доказва невъзможността за спонтанно възникване на живот от нежива материя. Още в края на 70-те - началото на 80-те години Институтът за креационни изследвания публикува книга по тази тема и дори се опита да кореспондира с Академията на науките на СССР по този въпрос (кореспонденцията беше неуспешна).

Въпреки това, както видяхме по-горе, вторият закон на термодинамиката се прилага само в изолирани системи. Земята обаче не е изолирана система, тъй като непрекъснато получава енергия от Слънцето и, напротив, я освобождава в космоса. А живият организъм (дори например жива клетка) освен това обменя с околната среда и материята. Следователно вторият закон на термодинамиката не е приложим към този въпрос по дефиниция.

По-горе също беше споменато, че материалният свят се характеризира с известна обща тенденция към увеличаване на ентропията, поради което нещата по-често се унищожават и изпадат в хаос, отколкото се създават. Въпреки това, както отбелязахме, това не е закон. Освен това, ако се откъснем от макросвета, с който сме свикнали, и се потопим в микросвета - света на атомите и молекулите (а оттук се предполага, че животът трябва да започне), тогава ще видим, че е много по-лесно да се обърне процесите на увеличаване на ентропията в него. Понякога е достатъчно едно сляпо, неконтролирано въздействие, за да започне ентропията на системата да намалява. Нашата планета със сигурност е пълна с примери за такива влияния: слънчева радиация в атмосферата, вулканична топлина на дъното на океана, вятър на повърхността на земята и т.н. И в резултат на това много процеси протичат в обратна, „неблагоприятна“ за тях посока или обратната посока става „изгодна“ за тях (за примери вижте по-горе в подзаглавието „Примери за намаляване на ентропията в неживата природа“). Следователно дори общата ни тенденция към увеличаване на ентропията не може да се приложи към възникването на живота като някакво абсолютно правило: има твърде много изключения от него.

Разбира се, това не означава, че тъй като вторият закон на термодинамиката не забранява спонтанното генериране на живот, тогава животът може да възникне сам. Има много други неща, които правят такъв процес невъзможен или изключително малко вероятен, но те вече не са свързани с термодинамиката и нейния втори закон.

Например, учените успяха да получат няколко вида аминокиселини при изкуствени условия, симулиращи предполагаемите условия на първичната атмосфера на Земята. Аминокиселините са вид градивни елементи на живота: в живите организми те се използват за изграждане на протеини (протеини). Необходимите за живота протеини обаче се състоят от стотици, а понякога и хиляди аминокиселини, свързани в строга последователност и подредени по специален начин в специална форма (виж фигурата вдясно). Ако комбинирате аминокиселини в произволен ред, вероятността да създадете само един относително прост функционален протеин ще бъде незначителна - толкова малка, че това събитие никога няма да се случи. Да приемем, че случайната им поява е почти същото като да намерим няколко подобни на тухли камъка в планината и да твърдим, че каменна къща, стояща наблизо, е била образувана от същите камъни произволно под въздействието на природни процеси.

От друга страна, за съществуването на живот, само протеините също не са достатъчни: необходими са не по-малко сложни ДНК и РНК молекули, чиято случайна поява също е невероятна. ДНК по същество е гигантски склад от структурирана информация, необходима за производството на протеини. Тя се обслужва от цял ​​комплекс от протеини и РНК, които копират и коригират тази информация и я използват „за производствени цели“. Всичко това е единна система, чиито компоненти поотделно нямат смисъл и нито един от тях не може да бъде премахнат от нея. Човек трябва само да започне да навлиза по-дълбоко в структурата на тази система и в принципите на нейното действие, за да разбере, че Брилянтен Дизайнер е работил върху нейното създаване.

ВТОРИЯТ ЗАКОН НА ТЕРМОДИНАМИКАТА И ВЯРАТА В СЪЗДАТЕЛЯ

Съвместим ли е вторият закон на термодинамиката с вярата в Създателя като цяло? Не само с факта, че съществува, а с това, че е създал Вселената и живота на Земята (Битие 1:1–27; Откровение 4:11); че е обещал Земята да съществува вечно (Псалм 103:5), което означава, че както Слънцето, така и Вселената ще бъдат вечни под една или друга форма; че хората ще живеят вечно в рая на земята и никога няма да умрат (Псалм 36:29; Матей 25:46; Откровение 21:3, 4)?

Можем спокойно да кажем, че вярата във втория закон на термодинамиката е напълно съвместима с вярата в Създателя и неговите обещания. И причината за това се крие във формулировката на самия закон: „в изолирана система ентропията не може да намалява“. Всяка изолирана система остава изолирана само докато никой не се намесва в нейната работа, включително Създателят. Но щом той се намеси и насочи част от своята неизчерпаема сила върху нея, системата ще престане да бъде изолирана и вторият закон на термодинамиката ще спре да действа в нея. Същото може да се каже и за по-общата тенденция към увеличаване на ентропията, която обсъдихме по-горе. Да, очевидно е, че почти всичко, което съществува около нас - от атомите до Вселената - има тенденция към унищожаване и деградация във времето. Но Създателят има необходимата сила и мъдрост, за да спре всякакви процеси на деградация и дори да ги обърне, когато сметне за необходимо.

Какви процеси обикновено се представят от хората като правещи вечния живот невъзможен?

· След няколко милиарда години Слънцето ще изгасне.Това щеше да се случи, ако Създателят никога не се беше месил в работата му. Той обаче е Създателят на Вселената и притежава колосална енергия, достатъчна да поддържа Слънцето да гори вечно. Например, чрез изразходване на енергия, той може да обърне ядрените реакции, протичащи в Слънцето, като че ли го зарежда с гориво за още няколко милиарда години, а също така да попълни обема на материята, който Слънцето губи под формата на слънчев вятър.

· Рано или късно Земята ще се сблъска с астероид или черна дупка.Колкото и малка да е вероятността за това, тя съществува, което означава, че в течение на вечността със сигурност ще стане реалност. Въпреки това, Бог може, използвайки силата си, да защити Земята от всякаква вреда предварително, просто като попречи на такива опасни обекти да се приближат до нашата планета.

· Луната ще отлети от Земята и земята ще стане необитаема.Луната стабилизира наклона на земната ос, благодарение на което климатът на нея се поддържа повече или по-малко постоянен. Луната постепенно се отдалечава от Земята, поради което в бъдеще наклонът на нейната ос може да се промени и климатът да стане непоносим. Но Бог, разбира се, има необходимата сила да предотврати такива разрушителни промени и да задържи Луната в нейната орбита, където намери за добре.

Няма съмнение, че нещата в материалния свят имат склонност да остаряват, деградират и се разпадат. Но трябва да помним, че самият Бог е създал света по този начин. А това означава, че това е било част от плана му. Светът не е предназначен да съществува вечно отделно от Бог. Напротив, то е създадено да съществува вечно под контрола на Бог. И тъй като Бог имаше както мъдрост, така и сила да създаде света, нямаме причина да се съмняваме, че той има същата сила и мъдрост да се грижи вечно за своето творение, като държи всичко в него под свой контрол.

Следните библейски стихове ни уверяват, че Слънцето, Луната, Земята и хората ще съществуват вечно:
· « Те ще се страхуват от вас, докато съществуват слънцето и луната - от поколение на поколение» (Псалм 73:5)
· « [Земята] няма да се тресе вечно, вечно» (Псалм 103:5)
· « Праведните ще наследят земята и ще живеят на нея вечно» (Псалм 36:29)

Следователно нищо не ни пречи едновременно да вярваме във втория закон на термодинамиката и да го смятаме за правилен научен принцип и в същото време да бъдем дълбоко религиозни хора и да чакаме изпълнението на всички Божии обещания, записани в Библията.

ИЗПОЛЗВАЙТЕ ЧЕСТНИ АРГУМЕНТИ

И така, ако сте вярващ, към коя от религиозните групи, споменати в началото на статията, бихте добавили своя глас? На участниците в гореописаната демонстрация на християнски консерватори, настояващи за отмяна на втория закон на термодинамиката? Или на креационистите, които използват този закон като доказателство за създаването на живот от Бог? Не съм за никого.

Повечето вярващи са склонни да защитават вярата си по един или друг начин, а някои използват данните на науката, за да направят това, което до голяма степен потвърждава съществуването на Създателя. За нас обаче е важно да помним един сериозен библейски принцип: „ние... искаме да се държим честно във всичко“ (Евреи 13:18). Следователно, разбира се, би било погрешно да се използват неправилни аргументи, за да се докаже съществуването на Бог.

Както видяхме от тази статия, вторият закон на термодинамиката не може да се използва като доказателство за съществуването на Бог, точно както съществуването или несъществуването на Бог не доказва или опровергава втория закон на термодинамиката. Вторият принцип просто не е пряко свързан с въпроса за съществуването на Създателя, точно както огромното мнозинство от други физични закони (например закона за всемирното привличане, закона за запазване на импулса, закона на Архимед или всички други принципи на термодинамиката).

Божиите творения ни предоставят голям брой убедителни доказателства, както и косвени доказателства за съществуването на Създателя. Ето защо, ако някое от твърденията, които преди сме използвали като доказателство, се окаже невярно, не трябва да се страхувате да го изоставите, за да използвате само честни аргументи, за да защитите вярата си.

Изразявайки закона за запазване и трансформация на енергията, той не ни позволява да установим посоката на термодинамичните процеси. Освен това е възможно да си представим много процеси, които не противоречат на първия принцип, при които енергията се запазва, но в природата те не се срещат. Появата на втория закон на термодинамиката - необходимостта да се отговори на въпроса кои процеси в природата са възможни и кои не - определя посоката на развитие на процесите.

Използвайки концепцията за ентропия и неравенството на Клаузиус, втори закон на термодинамикатаможе да се формулира като закон за увеличаване на ентропията на затворена система по време на необратими процеси: всеки необратим процес в затворена система се случва по такъв начин, че ентропията на системата се увеличава.

Можем да дадем по-кратка формулировка на втория закон на термодинамиката:

При процеси, протичащи в затворена система, ентропията не намалява.Тук е важно, че говорим за затворени системи, тъй като в отворените системи ентропията може да се държи по всякакъв начин (намалява, увеличава, остава постоянна). Освен това отново отбелязваме, че ентропията остава постоянна в затворена система само по време на обратими процеси. При необратими процеси в затворена система ентропията винаги нараства.

Формулата на Болцман ни позволява да обясним увеличението на ентропията, постулирано от втория закон на термодинамиката в затворена система по време на необратими процеси: увеличаване на ентропиятаозначава системен преход от по-малко вероятно към по-вероятносъстояние. Така формулата на Болцман ни позволява да дадем статистическа интерпретация на втория закон на термодинамиката. Той, като статистически закон, описва моделите на хаотично движение на голям брой частици, които съставят затворена система.

Нека посочим още две формулировки на втория закон на термодинамиката:

1) според Келвин: невъзможен е кръгов процес, единственият резултат от който е превръщането на топлината, получена от нагревателя, в еквивалентна на него работа;

2) според Клаузиус : Невъзможен е кръгов процес, единственият резултат от който е предаването на топлина от по-малко нагрято тяло към по-нагрято.

Възможно е да се докаже съвсем просто (оставяме това на читателя) еквивалентността на формулировките на Келвин и Клаузиус. Освен това е показано, че ако в затворена система се извършва въображаем процес, който противоречи на втория закон на термодинамиката във формулировката на Клаузиус, тогава той е придружен от намаляване на ентропията. Това също доказва еквивалентността на формулировката на Клаузиус (и следователно на Келвин) и статистическата формулировка, според която ентропията на затворена система не може да намалява.

В средата на 19в. възникна проблемът за така наречената топлинна смърт на Вселената . Разглеждайки Вселената като затворена система и прилагайки към нея втория закон на термодинамиката, Клаузиус свежда нейното съдържание до твърдението, че ентропията на Вселената трябва да достигне своя максимум. Това означава, че с течение на времето всички форми на движение трябва да се превърнат в топлинно движение.

Преходът на топлина от горещи тела към студени ще доведе до факта, че температурата на всички тела във Вселената ще бъде еднаква, т.е. ще настъпи пълно топлинно равновесие и всички процеси във Вселената ще престанат – ще настъпи топлинна смърт на Вселената. Погрешността на заключението за топлинна смърт се състои в това, че няма смисъл да се прилага вторият закон на термодинамиката към отворени системи, например към такава безгранична и безкрайно развиваща се система като Вселената. Ф. Енгелс също посочи непоследователността на заключението за топлинна смърт в работата си „Диалектика на природата“.

Първите два закона на термодинамиката не предоставят достатъчно информация за поведението на термодинамичните системи при нула Келвин. Те се допълват трети закон на термодинамиката,или Теорема на Нернст(W. F. G. Nernst (1864-1941) - немски физик и физикохимик) — Дъска:ентропията на всички тела в състояние на равновесие клони към нула, когато температурата се приближи до нула по Келвин:

Тъй като ентропията се определя до адитивна константа, удобно е тази константа да се приеме равна на нула (имайте предвид обаче, че това е произволно предположение, тъй като ентропията по своята природа същноствинаги се определя до адитивна константа). От теоремата на Нернст-Планк следва, че топлинните мощности S pИ C Vпри 0K са равни на нула.