La segunda ley de la termodinámica determina la dirección de los procesos térmicos reales que ocurren a una velocidad finita.

Segundo comienzo(segunda ley) termodinámica Tiene varias formulaciones . Por ejemplo, cualquier acción, relacionado con la conversión de energía(es decir, con la transición de energía de una forma a otra), no puede ocurrir sin su pérdida en forma de calor disipado en el ambiente. En mas vista general esto significa que los procesos de transformación (transformación) de energía pueden ocurrir espontáneamente sólo bajo la condición de que la energía pase de una forma concentrada (ordenada) a una forma dispersa (desordenada).

Otro definición La segunda ley de la termodinámica está directamente relacionada con principio de clausius : Un proceso en el que no se produce ningún cambio aparte de la transferencia de calor de un cuerpo caliente a uno frío es irreversible, es decir, el calor no puede transferirse espontáneamente de un cuerpo más frío a uno más caliente. Donde tal redistribución de energía en el sistema caracterizado por la magnitud , llamado entropía , que es como función estatal El sistema termodinámico (una función que tiene un diferencial total) se introdujo por primera vez en 1865 año precisamente por Clausius. Entropía – es una medida de la disipación irreversible de energía. Cuanto mayor sea la cantidad de energía que se disipa irreversiblemente en forma de calor, mayor será la entropía.

Así, de estas formulaciones de la segunda ley de la termodinámica podemos concluir que cualquier sistema , cuyas propiedades cambian con el tiempo, se esfuerza por alcanzar un estado de equilibrio, en el cual entropía del sistema toma el valor máximo. Debido a esto segunda ley de la termodinámica a menudo llaman ley de entropía creciente y ella misma entropía (Cómo cantidad física o como un concepto físico) están considerando como medida del desorden interno de un sistema fisicoquímico .

En otras palabras, entropía – función estatal caracterizar la dirección de procesos espontáneos en un ambiente cerrado. sistema termodinámico. En un estado de equilibrio, la entropía de un sistema cerrado alcanza un máximo y en dicho sistema no son posibles procesos macroscópicos. La entropía máxima corresponde al caos total. .

Muy a menudo, la transición de un sistema de un estado a otro no se caracteriza por el valor absoluto de la entropía. S , y su cambio ∆ S , que es igual a la relación entre el cambio en la cantidad de calor (comunicado al sistema o eliminado de él) a la temperatura absoluta del sistema: ∆ S= ∆Q/T J/grados. Este es el llamado entropía termodinámica .

Además, la entropía tiene significado estadístico. Al pasar de un macroestado a otro, la entropía estadística también aumenta, ya que dicha transición siempre va acompañada de una gran cantidad de microestados, y el estado de equilibrio (al que tiende el sistema) se caracteriza por el número máximo de microestados.

En relación con el concepto de entropía en termodinámica, el concepto de tiempo adquiere un nuevo significado. En la mecánica clásica no se tiene en cuenta la dirección del tiempo y el estado de un sistema mecánico se puede determinar tanto en el pasado como en el futuro. En termodinámica, el tiempo aparece en forma de un proceso irreversible de aumento de entropía en un sistema. Es decir, cuanto mayor es la entropía, más tiempo ha pasado el sistema en su desarrollo.

Además, entender el significado físico de la entropía hay que tener en cuenta que En la naturaleza existen cuatro clases de sistemas termodinámicos. :

A) sistemas aislados o cerrados(durante la transición de dichos sistemas de un estado a otro, no hay transferencia de energía, materia e información a través de los límites del sistema);

b) sistemas adiabáticos(simplemente no hay intercambio de calor con el medio ambiente);

V) sistemas cerrados(intercambiar energía, pero no materia, con sistemas vecinos) (por ejemplo, astronave);

GRAMO) sistemas abiertos(intercambiar materia, energía e información con el medio ambiente). En estos sistemas, debido a la llegada de energía del exterior, pueden surgir estructuras disipativas con una entropía mucho menor.

Para sistemas abiertos, la entropía disminuye. Este último se refiere principalmente sistemas biológicos, es decir, organismos vivos, que son sistemas abiertos en desequilibrio. Estos sistemas se caracterizan por gradientes de concentración. sustancias químicas, temperatura, presión y otras cantidades físicas y químicas. El uso de conceptos de termodinámica moderna, es decir, de desequilibrio, permite describir el comportamiento de sistemas abiertos, es decir, reales. Estos sistemas siempre intercambian energía, materia e información con su entorno. Además, tales procesos metabólicos son característicos no sólo de los sistemas físicos o biológicos, sino también de los sistemas socioeconómicos, culturales, históricos y humanitarios, ya que los procesos que ocurren en ellos son, por regla general, irreversibles.

La tercera ley de la termodinámica (tercera ley de la termodinámica) está asociada con el concepto de "cero absoluto". Significado físico Esta ley, mostrada en el teorema térmico de W. Nernst (físico alemán), consiste en la imposibilidad fundamental de alcanzar el cero absoluto (-273,16ºС), en el cual el movimiento térmico de traslación de las moléculas debería detenerse y la entropía dejará de depender de Los parametros condición física sistemas (en particular, de cambios en la energía térmica). El teorema de Nernst se aplica sólo a estados de equilibrio termodinámico de sistemas.

En otras palabras, al teorema de Nernst se le puede dar la siguiente formulación: al acercarse al cero absoluto, el incremento de entropía∆S tiende a un límite final bien definido, independiente de los valores tomados por todos los parámetros que caracterizan el estado del sistema(por ejemplo, volumen, presión, estado de agregación etc.).

Comprender la esencia del teorema de Nernst. posible en el siguiente ejemplo. A medida que la temperatura del gas disminuye, se producirá su condensación y la entropía del sistema disminuirá, ya que las moléculas están situadas de forma más ordenada. Con una mayor disminución de la temperatura, se producirá la cristalización del líquido, acompañada de un mayor orden en la disposición de las moléculas y, en consecuencia, una disminución aún mayor de la entropía. A la temperatura del cero absoluto, cesa todo movimiento térmico, el desorden desaparece, el número de microestados posibles disminuye a uno y la entropía se acerca a cero.

4. El concepto de autoorganización. Autoorganización en sistemas abiertos.

Concepto " sinergias" Fue propuesto en 1973 por el físico alemán Hermann. haken para indicar la dirección, llamado investigación leyes generales autoorganización – el fenómeno de la acción coordinada de elementos de un sistema complejo sin acción de control externo. Sinérgicos (traducido del griego – conjunto, coordinado, facilitador) – dirección científica estudiando conexiones entre elementos estructurales(subsistemas), que se forman en sistemas abiertos (biológico, físico-químico, geológico-geográfico, etc.) gracias a intensivo(transmisión) Intercambio de materia, energía e información con el medio ambiente. en condiciones de no equilibrio. En tales sistemas, se observa un comportamiento coordinado de los subsistemas, como resultado de lo cual aumenta el grado de orden (la entropía disminuye), es decir, se desarrolla el proceso de autoorganización.

EquilibrioHay un estado de paz y simetría., A asimetría dirige al movimiento y al estado de no equilibrio .

Contribución significativa a la teoría de la autoorganización de sistemas. aportado por un físico belga de origen ruso I.R. Prigogina (1917-2003). Demostró que en sistemas disipativos (sistemas en los que tiene lugar la disipación de entropía) en el curso de procesos irreversibles de desequilibrio, surgen formaciones ordenadas, a las que llamó estructuras disipativas.

Autoorganización- Este El proceso de emergencia espontánea del orden y la organización a partir del desorden.(caos) en sistemas abiertos en desequilibrio. Desviaciones aleatorias de los parámetros del sistema desde el equilibrio ( fluctuaciones) juegan un papel muy importante en el funcionamiento y existencia del sistema. Debido a crecimiento de las fluctuaciones al absorber energía de ambiente sistema alcanza algunos condición crítica Y pasa a un nuevo estado estacionario Con más nivel alto dificultades Y orden en comparación con el anterior. El sistema, autoorganizado en un nuevo estado estacionario, reduce su entropía, "arroja" su exceso, que aumenta debido a procesos internos, al medio ambiente.

Saliendo del caos estructura ordenada (atractor , o estructura disipativa) es resultado de la competencia conjuntos de todos los estados posibles integrados en el sistema. Como resultado de la competencia, se produce una selección espontánea de la estructura más adaptable a las condiciones actuales.

La sinergia se basa sobre la termodinámica de los procesos de desequilibrio, la teoría de los procesos aleatorios, la teoría de las oscilaciones y ondas no lineales.

Synergetics examina el surgimiento y desarrollo de sistemas.. Distinguir tres tipos de sistemas: 1) cerrado, que no intercambian materia, energía o información con sistemas vecinos (o con el medio ambiente); 2) cerrado que intercambian energía, pero no materia, con sistemas vecinos (por ejemplo, una nave espacial); 3) abierto, que intercambian materia y energía con sistemas vecinos. Casi todos los sistemas naturales (ecológicos) son de tipo abierto.

Existencia de sistemas inconcebible sin conexiones. Estos últimos se dividen en directos e inversos. Derecho ellos llaman a esto conexión , en el que un elemento ( A) actúa sobre otro ( EN) sin respuesta. En comentario elemento EN responde a la acción del elemento A. La retroalimentación puede ser positiva o negativa.

Retroalimentación positiva conduce a una intensificación del proceso en una dirección. Un ejemplo de su acción es el anegamiento de una zona (por ejemplo, tras la deforestación). Proceso empieza acto V una sola dirección: aumento de la humedad – agotamiento del oxígeno – descomposición más lenta de los residuos vegetales – acumulación de turba – mayor anegamiento.

Comentarios comentarios negativos actúa de tal manera que en respuesta a una mayor acción del elemento A La fuerza en dirección opuesta del elemento aumenta. B. Esta conexión permite que el sistema permanezca en el estado equilibrio dinámico estable. Este es el más común y vista importante Conexiones en sistemas naturales. Son principalmente la base para la sostenibilidad y estabilidad de los ecosistemas.

Propiedad importante sistemas es aparición (traducido del inglés - aparición, aparición de algo nuevo). Esta propiedad radica en el hecho de que las propiedades del sistema en su conjunto no son una simple suma de las propiedades de sus partes o elementos constituyentes, sino que las interrelaciones de los distintos eslabones del sistema determinan su nueva calidad.

El enfoque sinérgico para considerar sistemas se basa en tres conceptos: desequilibrio, apertura Y no linealidad .

Desequilibrio(inestabilidad) – estado del sistema, en el que se produce un cambio en sus parámetros macroscópicos, es decir, composición, estructura, comportamiento.

Apertura –capacidad del sistema intercambian constantemente materia, energía, información con el medio ambiente y tienen ambas "fuentes": zonas de reposición de energía del medio ambiente y zonas de disipación, "sumidero".

No linealidad –propiedad del sistema permanecer en diferente estados estacionarios, correspondiente a varias leyes de comportamiento admisibles de este sistema.

EN sistemas no lineales el desarrollo avanza de acuerdo con leyes no lineales, lo que lleva a una elección multivariada de caminos y alternativas para salir del estado de inestabilidad. EN sistemas no lineales Los procesos pueden desgastarse. carácter de umbral marcado cuando, con un cambio gradual en las condiciones externas, se observa una transición abrupta a otra cualidad. Al mismo tiempo, se destruyen estructuras antiguas y se pasa a estructuras cualitativamente nuevas.

Existen varias formulaciones de la segunda ley de la termodinámica, dos de las cuales se detallan a continuación:

· El calor por sí solo no puede pasar de un cuerpo con una temperatura más baja a un cuerpo con una temperatura más alta.(formulación de R. Clausius);

· es imposible una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo, es decir, un proceso periódico cuyo único resultado sería la conversión de calor en trabajo debido al enfriamiento de un cuerpo (formulación de Thomson).

La segunda ley de la termodinámica indica la desigualdad de dos formas de transferencia de energía: trabajo y calor. Esta ley tiene en cuenta el hecho de que el proceso de transición de la energía del movimiento ordenado de un cuerpo en su conjunto (energía mecánica) a la energía del movimiento desordenado de sus partículas (energía térmica) es irreversible. Por ejemplo, la energía mecánica durante la fricción se convierte en calor sin ningún proceso adicional. La transición de la energía del movimiento desordenado de las partículas (energía interna) al trabajo sólo es posible si va acompañada de algún proceso adicional. Por lo tanto, un motor térmico que funciona en ciclo directo produce trabajo solo debido al calor suministrado desde el calentador, pero al mismo tiempo parte del calor recibido se transfiere al refrigerador.

Entropía Además de la energía interna. Ud., que es una función única de los parámetros de estado del sistema; otras funciones de estado se utilizan ampliamente en termodinámica ( energía libre, entalpía Y entropía).

Concepto entropía introducido en 1865 por Rudolf Clausius. Esta palabra proviene del griego. entropía y literalmente significa doblar, transformación. En termodinámica, este término se utiliza para describir transformaciones. varios tipos energía (mecánica, eléctrica, luminosa, química) en térmica, es decir, en el movimiento aleatorio y caótico de las moléculas. Es imposible recolectar esta energía y transformarla nuevamente en la especie de la que se obtuvo.

Para determinar medidas de dispersión irreversible o disipación energía y se introdujo este concepto. entropía S es una función de estado. Se destaca entre otras funciones termodinámicas porque tiene estadístico, es decir, de naturaleza probabilística.

Si en un sistema termodinámico se produce un proceso que implica la recepción o liberación de calor, esto conduce a una transformación de la entropía del sistema, que puede aumentar o disminuir. Durante un ciclo irreversible, la entropía de un sistema aislado aumenta

dS> 0. (3.4)

Esto significa que se produce una disipación de energía irreversible en el sistema.

Si ocurre un proceso reversible en un sistema cerrado, la entropía permanece sin cambios.

dS= 0. (3.5)

El cambio de entropía de un sistema aislado al que se le imparte una cantidad infinitesimal de calor está determinado por la relación:

. (3.6)

Esta relación es válida para un proceso reversible. Para un proceso irreversible que ocurre en un sistema cerrado, tenemos:

dS> .

En un sistema abierto, la entropía siempre aumenta. La función de estado cuyo diferencial es se llama calor reducido.

Por tanto, en todos los procesos que ocurren en un sistema cerrado, la entropía aumenta durante los procesos irreversibles y permanece sin cambios durante los procesos reversibles. En consecuencia, las fórmulas (3.4) y (3.5) se pueden combinar y presentar en la forma

dS ³ 0.

Este estadístico formulación de la segunda ley de la termodinámica.

Si el sistema hace una transición de equilibrio del estado 1 al estado 2, entonces, según la ecuación (3.6) , cambio de entropía

D S 1- 2 = S 2 – S 1 = .

No es la entropía en sí la que tiene un significado físico, sino la diferencia entre entropías..

Encontremos el cambio de entropía en los procesos de gases ideales. Porque el:

; ;

o: . (3.7)

Esto muestra que el cambio en la entropía de un gas ideal durante la transición del estado 1 al estado 2 no depende del tipo de proceso de transición 1® 2.

De la fórmula (3.7) se deduce que cuando isotérmico proceso ( T 1 = T 2):

En isocórico proceso, el cambio de entropía es igual a

Dado que para un proceso adiabático d q= 0, entonces uD S= 0, por lo tanto, se produce un proceso adiabático reversible con entropía constante. Por eso lo llaman proceso isentrópico.

La entropía de un sistema tiene la propiedad de aditividad, lo que significa que la entropía del sistema es igual a la suma de las entropías de todos los cuerpos que forman parte del sistema.

El significado de entropía se vuelve más claro si involucramos la física estadística. En él, la entropía está asociada con probabilidad termodinámica del estado del sistema. La probabilidad termodinámica W del estado del sistema es igual al número de todas las posibles microdistribuciones de partículas según coordenadas y velocidades, lo que determina un macroestado dado: Walways³ 1, es decir La probabilidad termodinámica no es probabilidad en el sentido matemático..

L. Boltzmann (1872) demostró que la entropía de un sistema es igual al producto de la constante de Boltzmann k por el logaritmo de la probabilidad termodinámica W de un estado dado

En consecuencia, a la entropía se le puede dar la siguiente interpretación estadística: La entropía es una medida del desorden de un sistema.. De la fórmula (3.8) queda claro: que numero mayor Cuanto más microestados implementen un macroestado determinado, mayor será la entropía. El estado más probable del sistema es un estado de equilibrio. El número de microestados es máximo, por tanto, la entropía es máxima.

Dado que todos los procesos reales son irreversibles, se puede argumentar que Todos los procesos en un sistema cerrado conducen a un aumento de entropía: el principio de entropía creciente.

En interpretación estadística entropía, esto significa que los procesos en un sistema cerrado se mueven en la dirección de estados menos probables a estados más probables hasta que la probabilidad de los estados se vuelve máxima.

Expliquemos con un ejemplo. Imaginemos un recipiente dividido por un tabique en dos partes iguales. A Y B. En parte A hay gas, y en B- vacío. Si hace un agujero en la partición, el gas inmediatamente comenzará a expandirse "por sí solo" y después de un tiempo se distribuirá uniformemente por todo el volumen del recipiente, y esto más probable estado del sistema. Menos probable Habrá un estado en el que La mayoría de De repente, las moléculas de gas llenan espontáneamente una de las mitades del recipiente. Puedes esperar este fenómeno todo el tiempo que quieras, pero el gas en sí no se volverá a ensamblar en partes. A. Para hacer esto, es necesario trabajar un poco en el gas: por ejemplo, mover la pared derecha de una pieza como un pistón. B. Por tanto, cualquier sistema físico tiende a pasar de un estado menos probable a un estado más probable. El estado de equilibrio del sistema es más probable.

Utilizando el concepto de entropía y la desigualdad de R. Clausius, segunda ley de la termodinámica se puede formular como la ley de entropía creciente de un sistema cerrado durante procesos irreversibles:

Cualquier proceso irreversible en un sistema cerrado ocurre de tal manera que es más probable que el sistema entre en un estado con mayor entropía, alcanzando un máximo en un estado de equilibrio. Si no:

en procesos que ocurren en sistemas cerrados, la entropía no disminuye.

se debe notar que estamos hablando acerca de sólo sobre sistemas cerrados.

Entonces, la segunda ley de la termodinámica es una ley estadística. Expresa los patrones necesarios de movimiento caótico. gran número partículas que forman parte de un sistema aislado. Sin embargo, los métodos estadísticos sólo son aplicables en el caso de una gran cantidad de partículas en el sistema. Para un número pequeño de partículas (5-10), este enfoque no es aplicable. En este caso, la probabilidad de que todas las partículas estén en la mitad del volumen ya no es cero, o en otras palabras, tal evento puede ocurrir.

Muerte por calor del universo. R. Clausius, considerando el Universo como un sistema cerrado y aplicándole la segunda ley de la termodinámica, redujo todo a la afirmación de que la entropía del Universo debe alcanzar su máximo. Esto significa que todas las formas de movimiento deben convertirse en movimiento térmico, como resultado de lo cual la temperatura de todos los cuerpos del Universo se igualará con el tiempo, se producirá un equilibrio térmico completo y todos los procesos simplemente se detendrán: la muerte térmica del El universo ocurrirá.

Ecuación básica de la termodinámica. . Esta ecuación combina las fórmulas de la primera y segunda leyes de la termodinámica:

d q = du + pag dV, (3.9)

Sustituyamos la ecuación (3.9), que expresa la segunda ley de la termodinámica, en la igualdad (3.10):

Eso es lo que es ecuación fundamental de la termodinámica.

En conclusión, observamos una vez más que si la primera ley de la termodinámica contiene el balance energético del proceso, entonces la segunda ley muestra su posible dirección.

Tercera ley de la termodinámica

Otra ley de la termodinámica se estableció en el proceso de estudiar los cambios de entropía. reacciones químicas en 1906 por V. Nernstom. Se llama Teorema de Nernst o tercera ley de la termodinámica y está asociado con el comportamiento de la capacidad calorífica de las sustancias a temperaturas del cero absoluto.

teorema de nernst afirma que cuando se acerca al cero absoluto, la entropía del sistema también tiende a cero, independientemente de los valores que tomen todos los demás parámetros del estado del sistema:

Desde la entropía , y la temperatura t tiende a cero, la capacidad calorífica de la sustancia también debe tender a cero, y más rápido que t. esto implica inalcanzable la temperatura del cero absoluto con una secuencia finita de procesos termodinámicos, es decir, un número finito de operaciones: ciclos de funcionamiento de una máquina de refrigeración (la segunda formulación de la tercera ley de la termodinámica).

Gases reales

Ecuación de Van der Waals

Cambios en el estado de los gases enrarecidos a niveles suficientemente altas temperaturas Y bajas presiones descrito por las leyes de los gases ideales. Sin embargo, a medida que aumenta la presión y disminuye la temperatura de un gas real, se observan desviaciones significativas de estas leyes, debido a diferencias significativas entre el comportamiento de los gases reales y el comportamiento que se atribuye a las partículas de un gas ideal.

La ecuación de estado de los gases reales debe tener en cuenta:

· valor final del propio volumen de las moléculas;

· Atracción mútua moléculas entre sí.

Para ello, J. van der Waals propuso incluir en la ecuación de estado no el volumen del recipiente, como en la ecuación de Clapeyron-Mendeleev ( PV = RT), y el volumen de un mol de gas no ocupado por moléculas, es decir, el valor ( V metro - b), Dónde V m – volumen molar. Para tener en cuenta las fuerzas de atracción entre moléculas, J. van der Waals introdujo una corrección a la presión incluida en la ecuación de estado.

Al introducir correcciones relacionadas con la consideración del volumen intrínseco de moléculas (fuerzas repulsivas) y fuerzas de atracción en la ecuación de Clapeyron-Mendeleev, obtenemos ecuación de estado de un mol de gas real como:

Este ecuación de van der Waals, en el que las constantes A Y b tener significado diferente para diferentes gases.

Trabajo de laboratorio

§6 Entropía

Normalmente, cualquier proceso en el que un sistema pasa de un estado a otro se produce de tal manera que es imposible llevar a cabo este proceso en la dirección opuesta, de modo que el sistema pasa por los mismos estados intermedios sin que se produzcan cambios en los cuerpos circundantes. . Esto se debe a que en el proceso parte de la energía se disipa, por ejemplo, por fricción, radiación, etc. Casi todos los procesos de la naturaleza son irreversibles. En cualquier proceso se pierde algo de energía. Para caracterizar la disipación de energía se introduce el concepto de entropía. ( El valor de entropía caracteriza el estado térmico del sistema y determina la probabilidad de la implementación de un estado dado del cuerpo. Cuanto más probable sea un estado determinado, mayor será la entropía). procesos naturales acompañado de un aumento de la entropía. La entropía permanece constante sólo en el caso de un proceso reversible idealizado que ocurre en un sistema cerrado, es decir, en un sistema en el que no hay intercambio de energía con cuerpos externos a este sistema.

La entropía y su significado termodinámico:

entropía- esta es una función del estado del sistema, cuyo cambio infinitesimal en un proceso reversible es igual a la relación entre la cantidad infinitesimal de calor introducida en este proceso y la temperatura a la que se introdujo.

En un proceso final reversible, el cambio de entropía se puede calcular mediante la fórmula:

donde la integral se toma del estado inicial 1 del sistema al estado final 2.

Dado que la entropía es una función del estado, entonces la propiedad de la integrales su independencia de la forma del contorno (trayectoria) a lo largo del cual se calcula, por lo tanto, la integral está determinada únicamente por los estados inicial y final del sistema.

En cualquier proceso reversible, el cambio de entropía es 0

(1)

En termodinámica está demostrado queSsistema que sufre un ciclo irreversible aumenta

Δ S> 0 (2)

Las expresiones (1) y (2) se refieren sólo a sistemas cerrados, pero si el sistema intercambia calor con ambiente externo, entonces ellaSpuede comportarse de cualquier manera.

Las relaciones (1) y (2) se pueden representar como la desigualdad de Clausius.

ΔS ≥ 0

aquellos. la entropía de un sistema cerrado puede aumentar (en el caso de procesos irreversibles) o permanecer constante (en el caso de procesos reversibles).

Si el sistema hace una transición de equilibrio del estado 1 al estado 2, entonces la entropía cambia

Dónde du Y δAestá escrito para un proceso específico. Según esta fórmula ΔSdeterminado hasta una constante aditiva. No es la entropía en sí la que tiene un significado físico, sino la diferencia de entropías. Encontremos el cambio de entropía en los procesos de gases ideales.

aquellos. cambios de entropíaS Δ S 1→2 de un gas ideal durante su transición del estado 1 al estado 2 no depende del tipo de proceso.

Porque para un proceso adiabático δq = 0, entonces Δ S= 0 => S= constante , es decir, se produce un proceso adiabático reversible con entropía constante. Por eso se le llama isentrópico.

En un proceso isotérmico (t= constante; t 1 = t 2 : )

En un proceso isocórico (V= constante; V 1 = V 2 ; )

La entropía tiene la propiedad de aditividad: la entropía de un sistema es igual a la suma de las entropías de los cuerpos incluidos en el sistema.S = S 1 + S 2 + S 3 + ... La diferencia cualitativa entre el movimiento térmico de las moléculas y otras formas de movimiento es su aleatoriedad y desorden. Por tanto, para caracterizar el movimiento térmico, es necesario introducir una medida cuantitativa del grado de desorden molecular. Si consideramos cualquier estado macroscópico dado de un cuerpo con ciertos valores promedio de parámetros, entonces esto es algo más que un cambio continuo de microestados cercanos que difieren entre sí en la distribución de moléculas en partes diferentes Volumen y energía distribuidos entre las moléculas. El número de estos microestados en continuo cambio caracteriza el grado de desorden del estado macroscópico de todo el sistema,wse llama probabilidad termodinámica de un microestado dado. Probabilidad termodinámicawEl estado de un sistema es el número de formas en que se puede realizar un estado dado de un sistema macroscópico, o el número de microestados que implementan un microestado dado (w≥ 1, y probabilidad matemática ≤ 1 ).

Como medida de la sorpresa de un evento, se acordó tomar el logaritmo de su probabilidad, tomado con signo menos: la sorpresa del estado es igual a =-

Según Boltzmann, la entropíaSLos sistemas y la probabilidad termodinámica están relacionados entre sí de la siguiente manera:

Dónde - constante de Boltzmann (). Por tanto, la entropía está determinada por el logaritmo del número de estados con cuya ayuda se puede realizar un microestado determinado. La entropía puede considerarse como una medida de la probabilidad del estado del sistema t/d. La fórmula de Boltzmann nos permite darle a la entropía la siguiente interpretación estadística. La entropía es una medida del desorden de un sistema. De hecho, cuanto mayor sea el número de microestados que realizan un microestado determinado, mayor será la entropía. En el estado de equilibrio del sistema, el estado más probable del sistema, el número de microestados es máximo y la entropía también es máxima.

Porque Los procesos reales son irreversibles, entonces se puede argumentar que todos los procesos en un sistema cerrado conducen a un aumento de su entropía, el principio de entropía creciente. En la interpretación estadística de la entropía, esto significa que los procesos en un sistema cerrado avanzan en la dirección de aumentar el número de microestados, es decir, de estados menos probables a más probables, hasta que la probabilidad del estado se vuelve máxima.

§7 Segunda ley de la termodinámica

La primera ley de la termodinámica, que expresa la ley de conservación de la energía y la transformación de la energía, no nos permite establecer la dirección del flujo de los procesos t/d. Además, se pueden imaginar muchos procesos que no contradicenIal principio t/d, en el que se conserva la energía, pero en la naturaleza no se realizan. Posibles formulaciones del segundo comienzo t/d:

1) la ley del aumento de entropía de un sistema cerrado durante procesos irreversibles: cualquier proceso irreversible en un sistema cerrado ocurre de tal manera que la entropía del sistema aumenta ΔS≥ 0 (proceso irreversible) 2) ΔS≥ 0 (S= 0 para reversible y ΔS≥ 0 para un proceso irreversible)

En los procesos que ocurren en un sistema cerrado, la entropía no disminuye.

2) De la fórmula de Boltzmann S = , por tanto, un aumento de entropía significa una transición del sistema de un estado menos probable a uno más probable.

3) Según Kelvin: no es posible un proceso circular cuyo único resultado sea la conversión del calor recibido del calentador en trabajo equivalente.

4) Según Clausius: no es posible un proceso circular cuyo único resultado sea la transferencia de calor de un cuerpo menos calentado a uno más calentado.

Para describir sistemas t/d a 0 K, se utiliza el teorema de Nernst-Planck (tercera ley de t/d): la entropía de todos los cuerpos en estado de equilibrio tiende a cero cuando la temperatura se acerca a 0 K

Del teorema Nernst-Planck se deduce queC pag = C v = 0 en 0 A

§8 Máquinas de calor y refrigeración.

Ciclo de Carnot y su eficiencia.

De la formulación de la segunda ley de t/d según Kelvin se deduce que una máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo es imposible. (Una máquina de movimiento perpetuo es un motor que funciona periódicamente y realiza un trabajo enfriando una fuente de calor).

Termostato Es un sistema t/d que puede intercambiar calor con cuerpos sin cambiar la temperatura.

Principio de funcionamiento de un motor térmico: a partir de un termostato con temperatura. t 1 - calentador, la cantidad de calor se elimina por cicloq 1 , y el termostato con temperatura t 2 (t 2 < t 1) - al frigorífico, la cantidad de calor se transfiere por cicloq 2 , mientras se hace el trabajo A = q 1 - q 2

Proceso o ciclo circular Es un proceso en el que un sistema, después de pasar por una serie de estados, regresa a su estado original. En un diagrama de estado, un ciclo se representa como una curva cerrada. El ciclo realizado gas ideal, se puede dividir en procesos de expansión (1-2) y compresión (2-1), el trabajo de expansión es positivo A 1-2 > 0, porqueV 2 > V 1 , el trabajo de compresión es negativo A 1-2 < 0, т.к. V 2 < V 1 . En consecuencia, el trabajo realizado por el gas por ciclo está determinado por el área recorrida por la curva cerrada 1-2-1. Si se realiza trabajo positivo durante un ciclo (ciclo en el sentido de las agujas del reloj), entonces el ciclo se llama hacia adelante, si es un ciclo inverso (el ciclo ocurre en el sentido contrario a las agujas del reloj).

ciclo directo utilizado en motores térmicos: motores que funcionan periódicamente y realizan trabajos utilizando el calor recibido del exterior. El ciclo inverso se utiliza en máquinas de refrigeración: instalaciones que funcionan periódicamente en las que, debido al trabajo de fuerzas externas, el calor se transfiere a un cuerpo con una temperatura más alta.

Como resultado del proceso circular, el sistema vuelve a su estado original y, por tanto, el cambio total de energía interna es cero. EntoncesІ iniciar t/d para proceso circular

q= Δ Ud.+ A= A,

Es decir, el trabajo realizado por ciclo es igual a la cantidad de calor recibido del exterior, pero

q= q 1 - q 2

q 1 - cantidad calor recibido por el sistema,

q 2 - cantidad Calor emitido por el sistema.

Eficiencia térmica para un proceso circular es igual a la relación entre el trabajo realizado por el sistema y la cantidad de calor suministrado al sistema:

Para η = 1, la condición debe cumplirseq 2 = 0, es decir Un motor térmico debe tener una fuente de calor.q 1 , pero esto contradice la segunda ley de t/d.

El proceso inverso que se produce en un motor térmico se utiliza en una máquina de refrigeración.

Del termostato con temperatura. t 2 se quita la cantidad de calorq 2 y se transmite al termostato con la temperaturat 1 , cantidad de calorq 1 .

q= q 2 - q 1 < 0, следовательно A< 0.

Sin realizar trabajo, es imposible tomar calor de un cuerpo menos calentado y dárselo a uno más calentado.

Basándose en la segunda ley de t/d, Carnot derivó un teorema.

Teorema de Carnot: de todos los motores térmicos que funcionan periódicamente y que tienen las mismas temperaturas de calentador ( t 1) y refrigeradores ( t 2), máxima eficiencia. Disponemos de máquinas reversibles. Eficiencia máquinas reversibles con igual t 1 y t 2 son iguales y no dependen de la naturaleza del fluido de trabajo.

Un cuerpo de trabajo es un cuerpo que realiza un proceso circular e intercambia energía con otros cuerpos.

El ciclo de Carnot es un ciclo reversible y muy económico, que consta de 2 isotermas y 2 adiabats.

1-2 expansión isotérmica en t 1 calentador; Se suministra calor al gas.q 1 y el trabajo esta hecho

2-3 - adiabática. expansión, el gas funcionaA 2-3 >0 sobre cuerpos externos.

3-4 compresión isotérmica en t 2 refrigeradores; se elimina el calorq 2 y el trabajo esta hecho;

4-1-compresión adiabática, el trabajo se realiza sobre el gas. Un 4-1 <0 внешними телами.

En un proceso isotérmicoUd.= constante, entonces q 1 = A 12

Durante la expansión adiabáticaq 2-3 = 0, y trabajo con gas. A 23 logrado por energía interna Un 23 = - Ud.

cantidad de calorq 2 , entregado por el gas al refrigerador durante la compresión isotérmica es igual al trabajo de compresión A 3-4

Trabajo de compresión adiabática.

Trabajo realizado como resultado de un proceso circular.

A = A 12 + A 23 + A 34 + A 41 = q 1 + A 23 - q 2 - A 23 = q 1 - q 2

y es igual al área de la curva 1-2-3-4-1.

Eficiencia térmica ciclo de carnot

De la ecuación adiabática para los procesos 2-3 y 3-4 obtenemos

Entonces

aquellos. eficiencia El ciclo de Carnot está determinado únicamente por las temperaturas del calentador y del refrigerador. Para aumentar la eficiencia hay que aumentar la diferencia t 1 - t 2 .

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En la ilustración de la izquierda: Protesta de los conservadores cristianos contra la segunda ley de la termodinámica. Inscripciones en los carteles: la palabra “entropía” tachada; "No acepto los principios básicos de la ciencia y voto".

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y LAS CUESTIONES DE LA CREACIÓN

A principios de la década de 2000, un grupo de conservadores cristianos se reunió en las escaleras del Capitolio (Kansas, EE. UU.) para exigir la abolición de un principio científico fundamental: la segunda ley de la termodinámica (ver foto a la izquierda). La razón de esto fue su convicción de que esta ley física contradice su fe en el Creador, ya que predice la muerte térmica del Universo. Los piqueteros dijeron que no quieren vivir en un mundo que avance hacia ese futuro y enseñarles esto a sus hijos. Al frente de la campaña contra la segunda ley de la termodinámica está nada menos que un senador del estado de Kansas, que cree que la ley "amenaza la comprensión de nuestros hijos del universo como un mundo creado por un Dios benévolo y amoroso".

Es paradójico, pero en los mismos Estados Unidos, otro movimiento cristiano, los creacionistas, encabezados por Duane Gish, presidente del Instituto para la Investigación de la Creación, por el contrario, no sólo consideran científica la segunda ley de la termodinámica, sino que también apelan celosamente a ella para demostrar que el mundo fue creado por Dios. Uno de sus principales argumentos es que la vida no podría surgir espontáneamente, ya que todo lo que nos rodea es más propenso a la destrucción espontánea que a la creación.

Ante una contradicción tan sorprendente entre estos dos movimientos cristianos, surge una pregunta lógica: ¿cuál de ellos tiene razón? ¿Y alguien tiene razón?

En este articulo Veremos dónde es posible y dónde no aplicar la segunda ley de la termodinámica y cómo se relaciona con las cuestiones de fe en el Creador.

¿CUÁL ES LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA?

Termodinámica Es una rama de la física que estudia las relaciones y transformaciones del calor y otras formas de energía. Se basa en varios principios fundamentales llamados principios (a veces leyes) de la termodinámica. Entre ellos, el más famoso es probablemente el segundo principio.

Si hacemos una breve descripción general de todos los principios de la termodinámica, en resumen son los siguientes:

primer comienzo Representa la ley de conservación de la energía aplicada a los sistemas termodinámicos. Su esencia es que el calor es una forma especial de energía y debe tenerse en cuenta en la ley de conservación y transformación de la energía.

Segundo comienzo impone restricciones a la dirección de los procesos termodinámicos, prohibiendo la transferencia espontánea de calor de cuerpos menos calentados a otros más calentados. También se deduce de esto que es imposible convertir el calor en trabajo con una eficiencia del cien por cien (las pérdidas para el medio ambiente son inevitables). Hace imposible crear una máquina de movimiento perpetuo basada en esto.

tercer comienzo afirma que es imposible llevar la temperatura de cualquier cuerpo físico al cero absoluto en un tiempo finito, es decir, el cero absoluto es inalcanzable.

Comienzo cero (o común) A veces se lo conoce como el principio según el cual un sistema aislado, independientemente del estado inicial, eventualmente llega a un estado de equilibrio termodinámico y no puede abandonarlo por sí solo. El equilibrio termodinámico es un estado en el que no hay transferencia de calor de una parte del sistema a otra. (La definición de sistema aislado se da a continuación.)

La segunda ley de la termodinámica, además de la anterior, tiene otras formulaciones. Todos los debates sobre la creación que mencionamos giran en torno a uno de ellos. Esta formulación está relacionada con el concepto de entropía, con el que tendremos que familiarizarnos.

entropía(según una definición) es un indicador de desorden o caos de un sistema. En términos simples, cuanto más caos reina en un sistema, mayor es su entropía. Para los sistemas termodinámicos, cuanto mayor es la entropía, más caótico es el movimiento de las partículas materiales que componen el sistema (por ejemplo, las moléculas).

Con el tiempo, los científicos se dieron cuenta de que la entropía es un concepto más amplio y puede aplicarse no sólo a los sistemas termodinámicos. En general, cualquier sistema tiene una cierta cantidad de caos, que puede cambiar: aumentar o disminuir. En este caso, corresponde hablar de entropía. Aquí hay unos ejemplos:

· Vaso de agua. Si el agua se congela y se convierte en hielo, entonces sus moléculas están conectadas formando una red cristalina. Esto corresponde a un orden mayor (menos entropía) que el estado en el que el agua se ha derretido y las moléculas se mueven aleatoriamente. Sin embargo, una vez derretida, el agua aún conserva alguna forma: el vaso en el que se encuentra. Si el agua se evapora, las moléculas se mueven aún más intensamente y ocupan todo el volumen que se les proporciona, moviéndose de forma aún más caótica. Por tanto, la entropía aumenta aún más.

· Sistema solar. También puedes observar tanto orden como desorden en él. Los planetas se mueven en sus órbitas con tal precisión que los astrónomos pueden predecir su posición en cualquier momento con miles de años de antelación. Sin embargo, hay varios cinturones de asteroides en el sistema solar que se mueven de manera más caótica: chocan, se rompen y, a veces, caen sobre otros planetas. Según los cosmólogos, inicialmente todo el sistema solar (excepto el propio Sol) estaba lleno de este tipo de asteroides, a partir de los cuales luego se formaron planetas sólidos, y estos asteroides se movían de manera aún más caótica que ahora. Si esto es cierto, entonces la entropía del sistema solar (excepto el propio Sol) era originalmente mayor.

· Galaxia. La galaxia está formada por estrellas que se mueven alrededor de su centro. Pero incluso aquí hay un cierto desorden: las estrellas a veces chocan, cambian la dirección del movimiento y, debido a la influencia mutua, sus órbitas no son ideales, cambiando de una manera un tanto caótica. Entonces en este sistema la entropía no es cero.

· Cuarto de los niños. Quienes tienen niños pequeños a menudo tienen que observar el aumento de entropía con sus propios ojos. Después de haber hecho la limpieza, el apartamento queda en relativo orden. Sin embargo, unas pocas horas (y a veces menos) de que uno o dos niños permanezcan allí en estado de vigilia son suficientes para que la entropía de este apartamento aumente significativamente...

Si el último ejemplo te hizo sonreír, lo más probable es que entiendas qué es la entropía.

Volviendo a la segunda ley de la termodinámica, recordemos que, como decíamos, tiene otra formulación que está asociada al concepto de entropía. Suena así: En un sistema aislado, la entropía no puede disminuir.. En otras palabras, en cualquier sistema completamente aislado del mundo circundante, el desorden no puede disminuir espontáneamente: sólo puede aumentar o, en casos extremos, permanecer en el mismo nivel.

Si coloca un cubito de hielo en una habitación cálida y cerrada con llave, se derretirá después de un tiempo. Sin embargo, el charco de agua resultante en esta habitación nunca se convertirá en un cubito de hielo. Abre allí un frasco de perfume y el olor se esparcirá por toda la habitación. Pero nada hará que vuelva a la botella. Enciende una vela allí y arderá, pero nada hará que el humo se convierta nuevamente en vela. Todos estos procesos se caracterizan por la direccionalidad y la irreversibilidad. La razón de tal irreversibilidad de los procesos que ocurren no sólo en este espacio sino en todo el Universo reside precisamente en la segunda ley de la termodinámica.

¿A QUÉ SE APLICA LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA?

Sin embargo, esta ley, a pesar de su aparente simplicidad, es una de las leyes de la física clásica más difíciles y a menudo incomprendidas. El hecho es que en su redacción hay una palabra a la que a veces no se le presta suficiente atención: la palabra "aislado". Según la segunda ley de la termodinámica, la entropía (caos) no puede disminuir sólo en sistemas aislados. Esta es la ley. Sin embargo, en otros sistemas esto ya no es una ley y la entropía en ellos puede aumentar o disminuir.

¿Qué es un sistema aislado? Veamos qué tipos de sistemas existen generalmente desde el punto de vista de la termodinámica:

· Abierto. Se trata de sistemas que intercambian materia (y posiblemente energía) con el mundo exterior. Ejemplo: un coche (consume gasolina, aire, produce calor).

· Cerrado. Se trata de sistemas que no intercambian materia con el mundo exterior, pero pueden intercambiar energía con él. Ejemplo: nave espacial (sellada, pero absorbe energía solar mediante paneles solares).

· Aislado (cerrado). Se trata de sistemas que no intercambian ni materia ni energía con el mundo exterior. Ejemplo: termo (sella y retiene el calor).

Como señalamos, la segunda ley de la termodinámica se aplica solo al tercero de los tipos de sistemas enumerados.

A modo de ejemplo, recordemos un sistema que consta de una habitación cálida cerrada con llave y un trozo de hielo que se derrite mientras estaba dentro. En el caso ideal, esto correspondía a un sistema aislado y su entropía aumentaba. Pero ahora imaginemos que afuera hace mucho frío y abrimos la ventana. El sistema se abrió: el aire frío comenzó a entrar en la habitación, la temperatura en la habitación descendió por debajo de cero y nuestro trozo de hielo, que antes se había convertido en un charco, se congeló nuevamente.

En la vida real, una habitación cerrada con llave no es un sistema aislado porque, de hecho, el vidrio e incluso los ladrillos dejan pasar el calor. Y el calor, como señalamos anteriormente, también es una forma de energía. Por lo tanto, una habitación cerrada con llave no es en realidad una habitación aislada, sino un sistema cerrado. Incluso si sellamos herméticamente todas las ventanas y puertas, el calor irá saliendo poco a poco de la habitación, se congelará y nuestro charco también se convertirá en hielo.

Otro ejemplo similar es una habitación con congelador. Mientras el congelador está apagado, su temperatura es la misma que la temperatura ambiente. Pero tan pronto como lo enciendas, comenzará a enfriarse y la entropía del sistema comenzará a disminuir. Esto es posible porque dicho sistema se ha vuelto cerrado, es decir, consume energía del medio ambiente (en este caso, eléctrica).

Cabe destacar que en el primer caso (una habitación con un trozo de hielo), el sistema liberó energía al medio ambiente, y en el segundo (una habitación con un congelador), por el contrario, la recibió. Sin embargo, la entropía de ambos sistemas disminuyó. Esto significa que para que la segunda ley de la termodinámica deje de actuar como una ley inmutable, en el caso general no es la dirección de la transferencia de energía lo que importa, sino la presencia del hecho mismo de dicha transferencia entre el sistema y el mundo exterior.

EJEMPLOS DE ENTROPÍA DESCENDENTE EN LA NATURALEZA NO VIVA. Los ejemplos de sistemas discutidos anteriormente fueron creados por el hombre. ¿Hay algún ejemplo de disminución de la entropía en la naturaleza inanimada, sin la participación de la mente? Sí, tanto como quieras.

	Copos de nieve. Durante su formación, las moléculas de vapor de agua que se mueven caóticamente se combinan formando un cristal ordenado. En este caso se produce un enfriamiento, es decir, se libera energía al medio ambiente y los átomos ocupan una posición energéticamente más favorable para ellos. La red cristalina de un copo de nieve corresponde a un orden mayor que el de las moléculas de vapor que se mueven caóticamente.
	Cristales de sal. Un proceso similar se observa en una experiencia que muchos quizás recuerden de sus años escolares. Se introduce un hilo en un vaso con una solución concentrada de sal (por ejemplo, sal de mesa o sulfato de cobre) y pronto las moléculas de sal disueltas caóticamente forman hermosas figuras de formas extrañas.
	Fulguritas. La fulgurita es una forma que se forma a partir de arena cuando un rayo cae al suelo. En este proceso se absorbe energía (corriente eléctrica de rayo), lo que provoca que la arena se derrita, que posteriormente se solidifica formando una figura sólida, que corresponde a un orden mayor que la arena dispersa caóticamente.
	Lenteja de agua en el estanque. Por lo general, la lenteja de agua que crece en la superficie de un estanque, si hay suficiente, tiende a ocupar toda el área del estanque. Intenta separar la lenteja de agua con las manos y en un minuto volverá a su lugar. Sin embargo, cuando sopla el viento (a veces apenas perceptible), la lenteja de agua se acumula en una parte del estanque y queda allí en estado “comprimido”. La entropía disminuye debido a la absorción de energía eólica.
	Formación de compuestos nitrogenados. Cada año se producen en la atmósfera del mundo alrededor de 16 millones de tormentas eléctricas, durante cada una de las cuales caen decenas y cientos de rayos. Durante los relámpagos, los componentes simples de la atmósfera (nitrógeno, oxígeno y humedad) se transforman en compuestos de nitrógeno más complejos necesarios para el crecimiento de las plantas. La disminución de la entropía en este caso se produce debido a la absorción de la energía de las descargas eléctricas del rayo.
	La reacción de Butlerov. Este proceso químico también se conoce como síntesis autocatalítica. En él, las moléculas de azúcar de estructura compleja en un entorno determinado crecen por sí mismas, dando origen a las de su propia especie en progresión geométrica. Esto se debe a las propiedades químicas de dichas moléculas. El ordenamiento de la estructura química y, por tanto, la reducción del caos, en la reacción de Butlerov también se produce debido al intercambio de energía con el medio ambiente.
	Volcanes. Las moléculas de magma que se mueven caóticamente, salen a la superficie, se solidifican en una red cristalina y forman montañas volcánicas y rocas de formas complejas. Si consideramos el magma como un sistema termodinámico, su entropía disminuye debido a la liberación de energía térmica al medio ambiente.
	Formación de ozono. El estado energéticamente más favorable para las moléculas de oxígeno es el O 2 . Sin embargo, bajo la influencia de una fuerte radiación cósmica, una gran cantidad de moléculas se convierten en ozono (O 3) y pueden permanecer en él durante bastante tiempo. Este proceso continúa continuamente mientras haya oxígeno libre en la atmósfera terrestre.
	Agujero en la arena. Todo el mundo sabe lo sucia que está el agua de nuestros ríos: contiene basura, algas y todo eso, y está todo mezclado. Pero al lado de la orilla hay un pequeño agujero en la arena, y el agua no entra por él, sino que se filtra. Al mismo tiempo, se filtra: el agua contaminada uniformemente se divide en agua limpia y agua aún más sucia. La entropía obviamente disminuye, y esto sucede debido a la fuerza de gravedad, que, debido a la diferencia de niveles, obliga a que el agua del río se filtre hacia el agujero.
	Charco. Sí, sí, un simple charco que queda después de la lluvia también ilustra que la entropía puede disminuir espontáneamente. Según la segunda ley de la termodinámica, el calor no puede transferirse espontáneamente de cuerpos menos calentados a más calentados. Sin embargo, la temperatura del agua en el charco se mantiene constantemente varios grados por debajo de la temperatura del suelo y del aire circundante (puede comprobarlo en casa con un platillo con agua y un termómetro; un higrómetro, que consta de un seco y un El termómetro húmedo también se basa en este principio). ¿Por qué? Porque el charco se evapora, y las moléculas más rápidas se desprenden de su superficie y se evaporan, mientras que las más lentas permanecen. Dado que la temperatura está relacionada con la velocidad del movimiento molecular, resulta que el charco se enfría constantemente en relación con el ambiente más cálido. El charco, por tanto, es un sistema abierto, ya que intercambia no solo energía, sino también materia con el medio ambiente, y los procesos en él van claramente en la dirección opuesta a la indicada por la segunda ley de la termodinámica.

Si eres inteligente y dedicas un poco de tiempo, podrás recordar y escribir miles de ejemplos similares. Es importante señalar que en muchos de los casos enumerados, una disminución de la entropía no es un accidente aislado, sino un patrón: la tendencia hacia ella es inherente a la construcción misma de tales sistemas. Por lo tanto, ocurre cada vez que surgen las condiciones adecuadas y puede continuar durante mucho tiempo, mientras existan estas condiciones. Todos estos ejemplos no requieren ni la presencia de mecanismos complejos que reduzcan la entropía, ni la intervención de la mente.

Por supuesto, si el sistema no está aislado, entonces no es en absoluto necesario que la entropía en él disminuya. Más bien, por el contrario, se trata de un aumento de la entropía, es decir, un aumento del caos, que se produce de forma espontánea con mayor frecuencia. En cualquier caso, estamos acostumbrados a que cualquier cosa que se deje sin supervisión o cuidado, por regla general, se deteriora y queda inutilizable, en lugar de mejorarse. Incluso se puede decir que se trata de una propiedad fundamental del mundo material: el deseo de degradación espontánea, la tendencia general a aumentar la entropía.

Sin embargo, este subtítulo ha demostrado que esta tendencia general es ley sólo en sistemas aislados. En otros sistemas, el aumento de entropía no es una ley; todo depende de las propiedades de un sistema en particular y de las condiciones en las que se encuentra. La segunda ley de la termodinámica no se les puede aplicar por definición. Incluso si la entropía aumenta en uno de los sistemas abiertos o cerrados, esto no es un cumplimiento de la segunda ley de la termodinámica, sino sólo una manifestación de la tendencia general a aumentar la entropía, que es característica del mundo material en su conjunto, pero que es lejos de ser absoluto.

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y NUESTRO UNIVERSO

Cuando un observador entusiasta mira el cielo estrellado, así como cuando un astrónomo experimentado lo mira a través de un telescopio, ambos pueden observar no sólo su belleza, sino también el sorprendente orden que reina en este macrocosmos.

Sin embargo, ¿se puede utilizar este orden para demostrar que Dios creó el universo? ¿Sería correcto utilizar esta línea de razonamiento: dado que el Universo no cayó en el caos de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica, esto prueba que está controlado por Dios?

Quizás estés acostumbrado a pensar que sí. Pero en realidad, contrariamente a la creencia popular, no. Más precisamente, a este respecto, es posible y necesario utilizar evidencia ligeramente diferente, pero no la segunda ley de la termodinámica.

En primer lugar, aún no se ha demostrado que el Universo sea un sistema aislado. Aunque, por supuesto, no se ha demostrado lo contrario, todavía no es posible afirmar de forma inequívoca que la segunda ley de la termodinámica se pueda aplicar a él en su conjunto.

Pero digamos que el aislamiento del Universo como sistema se demostrará en el futuro (esto es muy posible). ¿Entonces que?

En segundo lugar, la segunda ley de la termodinámica no dice qué reinará exactamente en un sistema particular: orden o caos. La segunda ley dice en qué dirección cambiará este orden o desorden: en un sistema aislado, el caos aumentará. ¿Y en qué dirección cambia el orden del Universo? Si hablamos del Universo en su conjunto, entonces en él aumenta el caos (al igual que la entropía). Aquí es importante no confundir el Universo con estrellas individuales, galaxias o sus cúmulos. Las galaxias individuales (como nuestra Vía Láctea) pueden ser estructuras muy estables y no parecen degradarse en absoluto durante muchos millones de años. Pero no son sistemas aislados: irradian constantemente energía (como luz y calor) al espacio circundante. Las estrellas se queman y constantemente emiten materia (“viento solar”) al espacio interestelar. Gracias a esto, se produce en el Universo un proceso continuo de transformación de la materia estructurada de estrellas y galaxias en energía y gas caóticamente dispersos. ¿Qué es esto sino un aumento de la entropía?

Estos procesos de degradación, por supuesto, ocurren a un ritmo muy lento, por lo que parece que no los sentimos. Pero si pudiéramos observarlas a un ritmo muy acelerado, digamos, un billón de veces más rápido, entonces se desplegaría ante nuestros ojos una imagen muy dramática del nacimiento y la muerte de las estrellas. Vale recordar que la primera generación de estrellas que existió desde el inicio del Universo ya murió. Según los cosmólogos, nuestro planeta está formado por los restos de la existencia y explosión de una estrella que alguna vez se quemó; Como resultado de tales explosiones, se forman todos los elementos químicos pesados.

Por lo tanto, si consideramos el Universo como un sistema aislado, entonces la segunda ley de la termodinámica generalmente se cumple en él, tanto en el pasado como en la actualidad. Esta es una de las leyes establecidas por Dios y, por lo tanto, funciona en el Universo de la misma manera que otras leyes físicas.

A pesar de lo dicho anteriormente, hay muchas cosas sorprendentes en el Universo asociadas con el orden que reina en él, pero esto no se debe a la segunda ley de la termodinámica, sino a otras razones.

Así, la revista Newsweek (número del 9 de noviembre de 1998) examinó a qué conclusiones nos llevan los descubrimientos sobre la creación del Universo. Decía que los hechos "muestran el origen de la energía y el movimiento ex nihilo, es decir, de la nada, mediante una colosal explosión de luz y energía, que corresponde más bien a la descripción del [libro bíblico] Génesis". Observe cómo la revista Newsweek explicó la similitud del nacimiento del Universo con la descripción bíblica de este evento.

Esta revista escribe: “Las fuerzas liberadas estaban y siguen estando sorprendentemente (¿milagrosamente?) equilibradas: si el Big Bang hubiera sido un poco menos violento, la expansión del Universo habría sido más lenta y pronto (en unos pocos millones de años) o en unos minutos - en cualquier caso pronto) el proceso se revertiría y se produciría el colapso. Si la explosión hubiera sido un poco más fuerte, el Universo podría haberse convertido en un “caldo líquido” demasiado enrarecido y la formación de estrellas habría sido imposible. Las posibilidades de nuestra existencia eran literalmente astronómicamente pequeñas. La proporción de materia y energía con respecto al volumen del espacio en el Big Bang debería haberse mantenido dentro de una billonésima parte del uno por ciento de la proporción ideal”.

Newsweek sugirió que había Alguien que controlaba la creación del Universo, que sabía: “Si quitamos aunque sea un grado (como se mencionó anteriormente, el margen de error era una billonésima parte del uno por ciento),... y el resultado no sería solo falta de armonía. , sino entropía eterna y hielo."

El astrofísico Alan Lightman admitió: “Que el Universo haya sido creado de manera tan altamente organizada es un misterio [para los científicos]”. Añadió que “cualquier teoría cosmológica que aspire a tener éxito tendrá que explicar finalmente este misterio de la entropía”: por qué el universo no cayó en el caos. Evidentemente, una probabilidad tan baja de que los acontecimientos se desarrollen correctamente no podría ser un accidente. (Citado en ¡Despertad! del 22 de junio de 1999, pág. 7.)

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y EL ORIGEN DE LA VIDA

Como se señaló anteriormente, entre los creacionistas son populares las teorías de que la segunda ley de la termodinámica demuestra la imposibilidad del surgimiento espontáneo de vida a partir de materia inanimada. A finales de la década de 1970 y principios de la de 1980, el Instituto de Investigación de la Creación publicó un libro sobre este tema e incluso intentó mantener correspondencia con la Academia de Ciencias de la URSS sobre este tema (la correspondencia no tuvo éxito).

Sin embargo, como vimos anteriormente, la segunda ley de la termodinámica sólo se aplica en sistemas aislados. Sin embargo, la Tierra no es un sistema aislado, ya que constantemente recibe energía del Sol y, por el contrario, la libera al espacio. Y un organismo vivo (incluso, por ejemplo, una célula viva), además, intercambia con el medio ambiente y la materia. Por tanto, la segunda ley de la termodinámica no se aplica a esta cuestión por definición.

También se mencionó anteriormente que el mundo material se caracteriza por una cierta tendencia general hacia el aumento de la entropía, por lo que las cosas son más a menudo destruidas y caóticas que creadas. Sin embargo, como señalamos, no es ley. Además, si nos alejamos del macromundo al que estamos acostumbrados y nos sumergimos en el micromundo, el mundo de los átomos y las moléculas (y es desde aquí donde se supone que comienza la vida), entonces veremos que es mucho más fácil revertirlo. los procesos de aumento de entropía en él. A veces, una influencia ciega e incontrolada es suficiente para que la entropía del sistema comience a disminuir. Nuestro planeta ciertamente está lleno de ejemplos de tales influencias: la radiación solar en la atmósfera, el calor volcánico en el fondo del océano, el viento en la superficie de la tierra, etc. Y como resultado, muchos procesos fluyen en la dirección opuesta, "desfavorable" para ellos, o la dirección opuesta se vuelve "benéfica" para ellos (ver ejemplos más arriba en el subtítulo "Ejemplos de entropía decreciente en la naturaleza inanimada"). Por lo tanto, ni siquiera nuestra tendencia general hacia el aumento de la entropía puede aplicarse al surgimiento de la vida como una especie de regla absoluta: hay demasiadas excepciones.

Por supuesto, esto no significa que, dado que la segunda ley de la termodinámica no prohíbe la generación espontánea de vida, entonces la vida podría surgir por sí sola. Hay muchas otras cosas que hacen que tal proceso sea imposible o extremadamente improbable, pero ya no están relacionados con la termodinámica y su segunda ley.

Por ejemplo, los científicos lograron obtener varios tipos de aminoácidos en condiciones artificiales, simulando las supuestas condiciones de la atmósfera primaria de la Tierra. Los aminoácidos son una especie de componentes básicos de la vida: en los organismos vivos se utilizan para construir proteínas (proteínas). Sin embargo, las proteínas necesarias para la vida constan de cientos, y a veces miles, de aminoácidos, conectados en una secuencia estricta y dispuestos de una manera especial en una forma especial (ver figura de la derecha). Si combinamos aminoácidos en orden aleatorio, la probabilidad de crear sólo una proteína funcional relativamente simple será insignificante, tan pequeña que este evento nunca sucederá. Asumir su ocurrencia aleatoria es aproximadamente lo mismo que encontrar varias piedras parecidas a ladrillos en las montañas y afirmar que una casa de piedra que se encuentra cerca se formó a partir de las mismas piedras al azar bajo la influencia de procesos naturales.

Por otro lado, para la existencia de vida, las proteínas por sí solas tampoco son suficientes: se necesitan moléculas de ADN y ARN no menos complejas, cuya aparición aleatoria también es increíble. El ADN es esencialmente un almacén gigante de información estructurada necesaria para producir proteínas. Lo sirve todo un complejo de proteínas y ARN, que copia y corrige esta información y la utiliza "con fines de producción". Todo esto es un sistema único, cuyos componentes individualmente no tienen ningún sentido y ninguno de ellos puede eliminarse de él. Sólo hay que empezar a profundizar en la estructura de este sistema y en los principios de su funcionamiento para comprender que un Diseñador Brillante trabajó en su creación.

LA SEGUNDA LEY DE LA TERMODINÁMICA Y LA FE EN EL CREADOR

¿Es la segunda ley de la termodinámica compatible con la fe en el Creador en general? No sólo por el hecho de que existe, sino por el hecho de que creó el Universo y la vida en la Tierra. (Génesis 1:1–27; Apocalipsis 4:11); que prometió que la Tierra duraría para siempre (Salmo 103:5), lo que significa que tanto el Sol como el Universo serán eternos de una forma u otra; que la gente vivirá para siempre en el cielo en la tierra y nunca morirá (Salmo 36:29; Mateo 25:46; Apocalipsis 21:3, 4)?

Podemos decir con seguridad que creer en la segunda ley de la termodinámica es completamente compatible con creer en el Creador y sus promesas. Y la razón de esto radica en la formulación misma de esta ley: "en un sistema aislado, la entropía no puede disminuir". Cualquier sistema aislado permanece aislado sólo mientras nadie interfiera en su trabajo, incluido el Creador. Pero tan pronto como intervenga y dirija sobre él parte de su fuerza inagotable, el sistema dejará de estar aislado y la segunda ley de la termodinámica dejará de actuar en él. Lo mismo puede decirse de la tendencia más general hacia el aumento de la entropía, que comentamos anteriormente. Sí, es obvio que casi todo lo que existe a nuestro alrededor, desde los átomos hasta el Universo, tiene tendencia a destruirse y degradarse con el tiempo. Pero el Creador tiene la fuerza y la sabiduría necesarias para detener cualquier proceso de degradación e incluso revertirlo cuando lo considere necesario.

¿Qué procesos suelen presentar las personas como que hacen imposible la vida eterna?

· Dentro de unos miles de millones de años el Sol se apagará. Esto habría sucedido si el Creador nunca hubiera interferido en su obra. Sin embargo, él es el Creador del Universo y tiene una energía colosal, suficiente para mantener el Sol ardiendo para siempre. Por ejemplo, puede, al gastar energía, revertir las reacciones nucleares que ocurren en el Sol, como si lo repostara durante varios miles de millones de años más, y también reponer el volumen de materia que el Sol pierde en forma de viento solar.

· Tarde o temprano, la Tierra chocará con un asteroide o un agujero negro. Por pequeña que sea la probabilidad de que esto ocurra, existe, lo que significa que en el transcurso de la eternidad ciertamente se convertiría en una realidad. Sin embargo, Dios puede, usando su poder, proteger a la Tierra de cualquier daño por adelantado, simplemente evitando que objetos tan peligrosos se acerquen a nuestro planeta.

· La luna se alejará de la Tierra y la Tierra se volverá inhabitable. La luna estabiliza la inclinación del eje de la Tierra, gracias a lo cual el clima se mantiene más o menos constante. La Luna se está alejando gradualmente de la Tierra, por lo que en el futuro la inclinación de su eje podría cambiar y el clima podría volverse insoportable. Pero Dios, por supuesto, tiene el poder necesario para evitar cambios tan destructivos y mantener la Luna en su órbita donde Él crea conveniente.

No hay duda de que las cosas en el mundo material tienen tendencia a envejecer, degradarse y descomponerse. Pero debemos recordar que Dios mismo creó el mundo de esta manera. Y eso significa que esto era parte de su plan. El mundo no estaba destinado a existir para siempre separado de Dios. Al contrario, fue creado para existir para siempre bajo el control de Dios. Y dado que Dios tuvo sabiduría y poder para crear el mundo, no tenemos motivos para dudar de que tiene el mismo poder y sabiduría para cuidar eternamente de su creación, manteniendo todo lo que hay en ella bajo su control.

Los siguientes versículos de la Biblia nos aseguran que el Sol, la Luna, la Tierra y la gente existirán para siempre:
· « Te temerán mientras existan el sol y la luna, de generación en generación.» (Salmo 72:5)
· « [La tierra] no temblará para siempre, para siempre» (Salmo 103:5)
· « Los justos heredarán la tierra y vivirán en ella para siempre.» (Salmo 36:29)

Por tanto, nada nos impide al mismo tiempo creer en la segunda ley de la termodinámica y considerarla un principio científico correcto, y al mismo tiempo ser personas profundamente religiosas y esperar el cumplimiento de todas las promesas de Dios registradas en la Biblia.

UTILICE ARGUMENTOS HONESTOS

Entonces, si eres creyente, ¿a cuál de los grupos religiosos mencionados al principio del artículo sumarías tu voz? ¿A los participantes en la manifestación antes descrita de los conservadores cristianos que exigen la abolición de la segunda ley de la termodinámica? ¿O a los creacionistas que usan esta ley como evidencia de la creación de la vida por parte de Dios? No soy para nadie.

La mayoría de los creyentes tienden a defender su fe de una forma u otra, y algunos utilizan para ello los datos de la ciencia, lo que confirma en gran medida la existencia del Creador. Sin embargo, es importante que recordemos un principio bíblico serio: “queremos comportarnos honestamente en todo” (Hebreos 13:18). Por lo tanto, por supuesto, sería un error utilizar argumentos incorrectos para probar la existencia de Dios.

Como hemos visto en este artículo, la segunda ley de la termodinámica no puede usarse como prueba de la existencia de Dios, así como la existencia o no existencia de Dios no prueba ni refuta la segunda ley de la termodinámica. El segundo principio simplemente no está directamente relacionado con la cuestión de la existencia del Creador, al igual que la gran mayoría de otras leyes físicas (por ejemplo, la ley de la gravitación universal, la ley de conservación del impulso, la ley de Arquímedes o todas las otros principios de la termodinámica).

Las creaciones de Dios nos proporcionan una gran cantidad de evidencia convincente, así como evidencia indirecta de la existencia del Creador. Por lo tanto, si alguna de las afirmaciones que utilizamos anteriormente como prueba resultó ser incorrecta, no debes tener miedo de abandonarla para utilizar solo argumentos honestos para defender tu fe.

Al expresar la ley de conservación y transformación de la energía, no nos permite establecer la dirección de los procesos termodinámicos. Además, es posible imaginar muchos procesos que no contradigan el primer principio, en el que la energía se conserva, pero en la naturaleza no ocurren. El surgimiento de la segunda ley de la termodinámica (la necesidad de responder a la pregunta de qué procesos en la naturaleza son posibles y cuáles no) determina la dirección del desarrollo de los procesos.

Utilizando el concepto de entropía y la desigualdad de Clausius, segunda ley de la termodinámica Se puede formular como la ley de entropía creciente de un sistema cerrado durante procesos irreversibles: cualquier proceso irreversible en un sistema cerrado ocurre de tal manera que la entropía del sistema aumenta.

Podemos dar una formulación más concisa de la segunda ley de la termodinámica:

En los procesos que ocurren en un sistema cerrado, la entropía no disminuye. Es importante aquí que estemos hablando de sistemas cerrados, ya que en sistemas abiertos la entropía puede comportarse de cualquier forma (disminuir, aumentar, permanecer constante). Además, observamos nuevamente que la entropía permanece constante en un sistema cerrado solo durante procesos reversibles. Durante procesos irreversibles en un sistema cerrado, la entropía siempre aumenta.

La fórmula de Boltzmann nos permite explicar el aumento de entropía postulado por la segunda ley de la termodinámica en un sistema cerrado durante procesos irreversibles: aumento de entropía significa transición del sistema de menos probable a más probable condición. Así, la fórmula de Boltzmann nos permite dar una interpretación estadística de la segunda ley de la termodinámica. Al ser una ley estadística, describe los patrones de movimiento caótico de una gran cantidad de partículas que forman un sistema cerrado.

Indiquemos dos formulaciones más de la segunda ley de la termodinámica:

1) según Kelvin: es imposible un proceso circular cuyo único resultado es la conversión del calor recibido del calentador en un trabajo equivalente al mismo;

2) según Clausius : Es imposible un proceso circular cuyo único resultado es la transferencia de calor de un cuerpo menos calentado a uno más calentado.

Es posible demostrar de forma bastante sencilla (esto se lo dejamos al lector) la equivalencia de las formulaciones de Kelvin y Clausius. Además, se muestra que si se lleva a cabo un proceso imaginario en un sistema cerrado que contradice la segunda ley de la termodinámica en la formulación de Clausius, entonces va acompañado de una disminución de la entropía. Esto también demuestra la equivalencia de la formulación de Clausius (y por tanto de Kelvin) y la formulación estadística según la cual la entropía de un sistema cerrado no puede disminuir.

A mediados del siglo XIX. Surgió el problema de la llamada muerte térmica del Universo. . Considerando el Universo como un sistema cerrado y aplicándole la segunda ley de la termodinámica, Clausius redujo su contenido a la afirmación de que la entropía del Universo debe alcanzar su máximo. Esto significa que, con el tiempo, todas las formas de movimiento deben convertirse en movimiento térmico.

La transición del calor de los cuerpos calientes a los fríos conducirá al hecho de que la temperatura de todos los cuerpos del Universo será igual, es decir, Se producirá un equilibrio térmico completo y todos los procesos en el Universo cesarán: se producirá la muerte térmica del Universo. La falacia de la conclusión sobre la muerte por calor radica en el hecho de que no tiene sentido aplicar la segunda ley de la termodinámica a sistemas abiertos, por ejemplo, a un sistema tan ilimitado y en constante desarrollo como el Universo. F. Engels también señaló la inconsistencia de la conclusión sobre la muerte por calor en su obra "Dialéctica de la naturaleza".

Las dos primeras leyes de la termodinámica proporcionan información insuficiente sobre el comportamiento de los sistemas termodinámicos a cero grados Kelvin. se complementan tercera ley de la termodinámica, o teorema de nernst(W. F. G. Nernst (1864-1941) - físico y químico físico alemán) — Tablón: la entropía de todos los cuerpos en estado de equilibrio tiende a cero cuando la temperatura se acerca a cero Kelvin:

Dado que la entropía se determina hasta una constante aditiva, es conveniente tomar esta constante igual a cero (tenga en cuenta, sin embargo, que esta es una suposición arbitraria, ya que la entropía por su naturaleza esencia siempre determinado hasta una constante aditiva). Del teorema de Nernst-Planck se deduce que las capacidades caloríficas S p Y CV en 0K son iguales a cero.

Segunda ley de la termodinámica de procesos irreversibles. enciclopedia escolar