Drugi zakon termodinamike određuje smjer stvarnih toplinskih procesa koji se odvijaju konačnom brzinom.

Drugi početak(drugi zakon) termodinamika Ima nekoliko formulacija . Na primjer, bilo kakva radnja, vezano uz pretvorbu energije(odnosno s prijelazom energije iz jednog oblika u drugi), ne može dogoditi bez njegovog gubitka u obliku topline raspršene u okolini. U više opći pogled to znači da se procesi transformacije (transformacije) energije mogu odvijati spontano samo pod uvjetom da energija prijeđe iz koncentriranog (sređenog) oblika u raspršeni (neuređeni) oblik.

Još definicija drugi zakon termodinamike izravno je povezan s Clausiusov princip : proces u kojem se ne događa nikakva promjena, osim prijenosa topline s vrućeg tijela na hladno, nepovratan je, odnosno toplina ne može spontano prijeći s hladnijeg tijela na toplije. pri čemu takva preraspodjela energije u sustavu karakterizira vrijednost , imenovan entropija , što je kao državna funkcija termodinamički sustav (funkcija koja ima totalni diferencijal), prvi put je uveden u 1865 godine od Clausiusa. Entropija - to je mjera ireverzibilnog rasipanja energije. Entropija je to veća što se više energije nepovratno rasprši u obliku topline.

Dakle, već iz ovih formulacija drugog zakona termodinamike možemo zaključiti da bilo koji sustav , čija se svojstva mijenjaju s vremenom, težnja za stanjem ravnoteže u kojem entropija sustava uzima najveću vrijednost. Zbog ovoga drugi zakon termodinamikečesto zvati zakon rastuće entropije , i sebe entropija (Kako fizička količina ili kao fizički koncept) smatrati kao mjera unutarnjeg poremećaja fizikalno-kemijskog sustava .

Drugim riječima, entropija – državna funkcija, karakterizirajući smjer toka spontanih procesa u zatvorenom termodinamički sustav. U stanju ravnoteže entropija zatvorenog sustava doseže svoj maksimum i u takvom sustavu nisu mogući nikakvi makroskopski procesi. Maksimalna entropija odgovara potpunom kaosu .

Najčešće, prijelaz sustava iz jednog stanja u drugo karakterizira ne apsolutna vrijednost entropije S , te njegova promjena ∆ S , koja je jednaka omjeru promjene količine topline (predane sustavu ili odvedene iz njega) i apsolutne temperature sustava: ∆ S= ∆Q/T, J / stupanj Ovo je tzv termodinamička entropija .

Osim toga, entropija ima statistički smisao. Pri prijelazu iz jednog makrostanja u drugo povećava se i statistička entropija, budući da takav prijelaz uvijek prati veliki broj mikrostanja, a ravnotežno stanje (kojemu sustav teži) karakterizira najveći broj mikrostanja.

U vezi s pojmom entropije u termodinamici, pojam vremena dobiva novo značenje. U klasičnoj mehanici smjer vremena se ne uzima u obzir, a stanje mehaničkog sustava može se odrediti iu prošlosti iu budućnosti. U termodinamici se vrijeme pojavljuje u obliku ireverzibilnog procesa povećanja entropije u sustavu. Odnosno, što je veća entropija, to je veći vremenski period koji je sustav prošao u svom razvoju.

Osim, razumjeti fizičko značenje entropije mora se imati na umu da u prirodi postoje četiri klase termodinamičkih sustava :

A) izolirani sustavi ili zatvoreni(prilikom prijelaza takvih sustava iz jednog stanja u drugo nema prijenosa energije, materije i informacija preko granica sustava);

b) adijabatski sustavi(odsutna je samo izmjena topline s okolinom);

V) zatvoreni sustavi(razmjena sa susjednim sustavima energije, ali ne i materije) (npr. svemirski brod);

G) otvoreni sustavi(razmjenjuju materiju, energiju i informacije s okolinom). U tim sustavima, zbog dolaska energije izvana, mogu nastati disipativne strukture s puno manjom entropijom.

Za otvorene sustave entropija se smanjuje. Potonje se prvenstveno tiče biološki sustavi, odnosno živih organizama, koji su otvoreni neravnotežni sustavi. Takve sustave karakteriziraju gradijenti koncentracije kemijske tvari, temperatura, tlak i druge fizikalne i kemijske veličine. Korištenje pojmova moderne, odnosno neravnotežne termodinamike, omogućuje nam da opišemo ponašanje otvorenih, odnosno realnih sustava. Takvi sustavi uvijek razmjenjuju energiju, materiju i informacije sa svojom okolinom. Štoviše, takvi procesi razmjene tipični su ne samo za fizičke ili biološke sustave, već i za socioekonomske, kulturne, povijesne i humanitarne sustave, budući da su procesi koji se u njima odvijaju u pravilu nepovratni.

Treći zakon termodinamike (treći zakon termodinamike) povezan je s konceptom "apsolutne nule". fizičko značenje ovog zakona, prikazanog u toplinskom teoremu V. Nernsta (njemački fizičar), sastoji se u temeljnoj nemogućnosti postizanja apsolutne nule (-273,16ºS), pri kojoj bi translatorno toplinsko gibanje molekula trebalo prestati, a entropija će prestati ovise o parametrima fizičko stanje sustava (osobito od promjena toplinske energije). Nernstov teorem se odnosi samo na termodinamički ravnotežna stanja sustava.

Drugim riječima, Nernstovoj teoremi može se dati sljedeća formulacija: kada se približava apsolutnoj nuli, prirast entropije∆S teži dobro definiranoj konačnoj granici, neovisno o vrijednostima koje poprimaju svi parametri koji karakteriziraju stanje sustava(npr. volumen, pritisak, agregatno stanje itd.).

Razumjeti bit Nernstovog teorema može na sljedeći primjer. Kako se temperatura plina smanjuje, doći će do njegove kondenzacije i entropija sustava će se smanjivati, jer su molekule uređenije. Daljnjim smanjenjem temperature dolazi do kristalizacije tekućine, praćene većim uređenjem rasporeda molekula i posljedično još većim smanjenjem entropije. Na temperaturi apsolutnoj nuli prestaje svako toplinsko gibanje, nestaje nered, broj mogućih mikrostanja smanjuje se na jedno, a entropija se približava nuli.

4. Pojam samoorganizacije. Samoorganizacija u otvorenim sustavima.

Koncept " sinergija” predložio je 1973. njemački fizičar Hermann Haken za označavanje smjera, nazvao istraživanje opći zakoni samoorganizacija - pojava koordiniranog djelovanja elemenata složenog sustava bez upravljačkog djelovanja izvana. Sinergetika (u prijevodu s grčkog - zajednički, dogovoreni, doprinoseći) - znanstveni smjer studiranje veze između elemenata strukture(podsustavi), koji se formiraju u otvorenim sustavima (biološki, fizikalno-kemijski, geološki i geografski itd.) zahvaljujući intenzivnom(streaming) razmjena tvari, energije i informacija s okolinom u neravnotežnim uvjetima. U takvim sustavima uočava se usklađeno ponašanje podsustava, uslijed čega se povećava stupanj uređenosti (smanjuje se entropija), odnosno razvija se proces samoorganizacije.

Ravnotežapostoji stanje mirovanja i simetrije, A asimetrija vodi na gibanje i neravnotežno stanje .

Značajan doprinos teoriji samoorganizacije sustava pridonio belgijski fizičar ruskog podrijetla I.R. Prigožin (1917.-2003.). Pokazao je to u disipativni sustavi (sustavi u kojima dolazi do raspršenja entropije) u tijeku ireverzibilnih neravnotežnih procesa nastaju uređene tvorevine koje je po njem. disipativne strukture.

samoorganizacija- Ovo proces spontanog nastajanja reda i organizacije iz nereda(kaos) u otvorenim neravnotežnim sustavima. Slučajna odstupanja parametara sustava od ravnoteže ( fluktuacije) igraju vrlo važnu ulogu u funkcioniranju i postojanju sustava. Duge rast fluktuacije kada apsorbira energiju iz okoliš sustav doseže neke kritično stanje I ulazi u novo stabilno stanje S više visoka razina poteškoće I narudžba u odnosu na prethodni. Sustav, samoorganizirajući se u novo stacionarno stanje, smanjuje svoju entropiju, svoj višak, koji raste zbog unutarnjih procesa, svojevrsno "ispušta" u okolinu.

Nastao iz kaosa uređena struktura (atraktor , ili disipativna struktura) je rezultat natjecanja skup mogućih stanja ugrađenih u sustav. Kao rezultat konkurencije, dolazi do spontanog odabira najprilagodljivije strukture prema prevladavajućim uvjetima.

Sinergetika se oslanja o termodinamici neravnotežnih procesa, teoriji slučajnih procesa, teoriji nelinearnih oscilacija i valova.

Sinergetika razmatra nastanak i razvoj sustava. razlikovati tri vrste sustava: 1) zatvoreno, koji ne razmjenjuju sa susjednim sustavima (ili s okolinom) ni materiju, ni energiju, ni informaciju; 2) zatvoreno , koji razmjenjuju energiju sa susjednim sustavima, ali ne i materiju (na primjer, svemirski brod); 3) otvoren, koji razmjenjuju i materiju i energiju sa susjednim sustavima. Gotovo svi prirodni (ekološki) sustavi su otvorenog tipa.

Postojanje sustava nezamislivo bez veza. Potonji su podijeljeni na izravne i obrnute. Ravno nazovi ovo veza , za koji je jedan element ( A) djeluje na drugog ( U) bez odgovora. Na Povratne informacije element U odgovara na djelovanje elementa A. Povratne informacije su pozitivne i negativne.

Povratne informacije dovodi do jačanja procesa u jednom smjeru. Primjer njegovog djelovanja je močvarno područje (na primjer, nakon krčenja šuma). Postupak počinje djelovati V jedan smjer: povećanje vlage - smanjenje kisika - usporavanje razgradnje biljnih ostataka - nakupljanje treseta - daljnje intenziviranje nataloženja.

Povratne informacije negativne djeluje na način da kao odgovor na pojačano djelovanje elementa A povećava se suprotna sila elementa B. Takva veza omogućuje sustavu da ostane u stanju stabilna dinamička ravnoteža. Ovo je najčešći i važan pogled veze u prirodnim sustavima. Na njima se prije svega temelji stabilnost i stabilnost ekosustava.

Važno svojstvo sustava je nastanak (u prijevodu s engleskog - pojava, pojava novog). To svojstvo leži u činjenici da svojstva sustava kao cjeline nisu jednostavan zbroj svojstava njegovih sastavnih dijelova ili elemenata, već međusobne veze različitih karika sustava određuju njegovu novu kvalitetu.

Sinergijski pristup razmatranju sustava temelji se na tri pojma: neravnoteža, otvorenost I nelinearnost .

Neravnoteža(nestabilnost) – stanje sustava, pri čemu dolazi do promjene njegovih makroskopskih parametara, odnosno sastava, strukture, ponašanja.

Otvorenost -sposobnost sustava stalno razmjenjuju materiju, energiju, informacije s okolinom i imaju i "izvore" - zone nadopunjavanja energije iz okoline, i zone raspršivanja, "odvoda".

Nelinearnost -svojstvo sustava ostati u različitim stacionarna stanja koji odgovaraju raznim dopustivim zakonima ponašanja ovog sustava.

U nelinearni sustavi razvoj se odvija prema nelinearnim zakonima, što dovodi do multivarijantnosti putova izbora i alternativa za izlazak iz stanja nestabilnosti. U nelinearni sustavi procesi mogu biti oštro prag karaktera kada se uz postupnu promjenu vanjskih uvjeta opaža njihov nagli prijelaz u drugu kvalitetu. Istodobno se uništavaju stare strukture, prelazeći u kvalitativno nove strukture.

Postoji nekoliko formulacija drugog zakona termodinamike, od kojih su dvije navedene u nastavku:

· toplina ne može sama od sebe prijeći s tijela s nižom temperaturom na tijelo s višom temperaturom(govor R. Clausiusa);

· nemoguć je perpetuum mobile druge vrste, odnosno takav periodički proces čiji bi jedini rezultat bio pretvaranje topline u rad zbog hlađenja jednog tijela (Thomsonova formulacija).

Drugi zakon termodinamike ukazuje na nejednaku vrijednost dvaju oblika prijenosa energije – rada i topline. Ovaj zakon uzima u obzir činjenicu da je proces prijelaza energije uređenog gibanja tijela kao cjeline (mehanička energija) u energiju neuređenog gibanja njegovih čestica (toplinska energija) nepovratan. Na primjer, mehanička energija tijekom trenja pretvara se u toplinu bez ikakvih dodatnih procesa. Prijelaz energije nesređenog gibanja čestica (unutarnje energije) u rad moguć je samo ako je popraćen nekim dodatnim procesom. Dakle, toplinski motor koji radi u izravnom ciklusu obavlja rad samo zbog topline dovedene iz grijača, ali istodobno se dio primljene topline prenosi u hladnjak.

Entropija.Osim unutarnje energije U, koja je jednovrijedna funkcija parametara stanja sustava, druge funkcije stanja također se široko koriste u termodinamici ( slobodna energija, entalpija I entropija).

koncept entropija uveo 1865. Rudolf Clausius. Ova riječ dolazi iz grčkog. entropija a doslovno znači skretanje, transformacija. u termodinamici se ovaj izraz koristi za opisivanje transformacija razne vrste energije (mehaničke, električne, svjetlosne, kemijske) u toplinu, odnosno u nasumično, kaotično kretanje molekula. Nemoguće je prikupiti ovu energiju i vratiti je u oblike iz kojih je primljena.

Za određivanje mjere ireverzibilnog raspršenja ili rasipanje energije i uveden je ovaj koncept. Entropija S je državna funkcija. Ističe se među ostalim termodinamičkim funkcijama po tome što ima statistički, odnosno probabilističke prirode.

Ako se u termodinamičkom sustavu dogodi proces povezan s primanjem ili oslobađanjem topline, to dovodi do transformacije entropije sustava, koja se može povećati i smanjiti. Tijekom ireverzibilnog ciklusa, entropija izoliranog sustava raste

dS> 0. (3.4)

To znači da u sustavu dolazi do ireverzibilnog rasipanja energije.

Ako se u zatvorenom sustavu dogodi reverzibilni proces, entropija ostaje nepromijenjena.

dS= 0. (3.5)

Promjena entropije izoliranog sustava, kojemu je dodijeljena beskrajno mala količina topline, određena je relacijom:

. (3.6)

Ova relacija vrijedi za reverzibilan proces. Za nepovratan proces koji se odvija u zatvorenom sustavu imamo:

dS> .

U otvorenom sustavu entropija uvijek raste. Funkcija stanja čiji je diferencijal naziva se smanjena toplina.

Dakle, u svim procesima koji se odvijaju u zatvorenom sustavu, entropija raste u ireverzibilnim procesima i ostaje nepromijenjena u reverzibilnim procesima. Prema tome, formule (3.4) i (3.5) mogu se kombinirati i prikazati kao

dS ³ 0.

Ovaj statistički formulacija drugog zakona termodinamike.

Ako sustav napravi ravnotežni prijelaz iz stanja 1 u stanje 2, tada prema jednadžbi (3.6) , promjena entropije

D S 1- 2 = S 2 – S 1 = .

Nije sama entropija ono što ima fizičko značenje, već razlika između entropija.

Nađimo promjenu entropije u procesima idealnog plina. Jer:

; ;

,

ili: . (3.7)

To pokazuje da promjena entropije idealnog plina tijekom prijelaza iz stanja 1 u stanje 2 ne ovisi o vrsti procesa prijelaza 1 → 2.

Iz formule (3.7) slijedi da za izotermna postupak ( T 1 \u003d T 2):

.

Na izohorni procesa, promjena entropije jednaka je

.

Budući da je za adijabatski proces d Q= 0, zatim D S= 0, stoga se reverzibilni adijabatski proces odvija uz konstantnu entropiju. Stoga se i zove izentropski proces.

Entropija sustava ima svojstvo aditivnosti, što znači da je entropija sustava jednaka zbroju entropija svih tijela koja su dio sustava.

Značenje entropije postaje jasnije ako uključimo statističku fiziku. Odnosi se na entropiju termodinamička vjerojatnost stanja sustava. Termodinamička vjerojatnost W stanja sustava jednaka je broju svih mogućih mikrodistribucija čestica po koordinatama i brzinama koje određuju ovo makrostanje: Walways³ 1, tj. termodinamička vjerojatnost nije vjerojatnost u matematičkom smislu.

L. Boltzmann (1872) pokazao je da je entropija sustava jednaka umnošku Boltzmannove konstante k na logaritmu termodinamičke vjerojatnosti W danog stanja

Stoga se entropiji može dati sljedeća statistička interpretacija: entropija je mjera neuređenosti sustava. Iz formule (3.8) se vidi: nego više broja mikrostanja koja provode određeno makrostanje, veća je entropija. Najvjerojatnije stanje sustava je stanje ravnoteže. Broj mikrostanja je maksimalan, dakle, maksimalna je i entropija.

Budući da su svi stvarni procesi nepovratni, može se tvrditi da svi procesi u zatvorenom sustavu dovode do povećanja entropije – princip povećanja entropije.

Na statistička interpretacija entropije, to znači da procesi u zatvorenom sustavu idu u smjeru od manje vjerojatnih stanja prema vjerojatnijim stanjima sve dok vjerojatnost stanja ne postane maksimalna.

Objasnimo na primjeru. Zamislite posudu podijeljenu pregradom na dva jednaka dijela A I B. Djelomično A ima plina, i B- vakuum. Ako napravite rupu u pregradi, plin će se odmah početi širiti "sam" i nakon nekog vremena ravnomjerno će se rasporediti po cijelom volumenu posude, a to će najvjerojatnije stanje sustava. najmanje vjerojatno bit će stanje kada većina molekule plina iznenada spontano ispune jednu od polovica posude. Ovaj se fenomen može očekivati ​​proizvoljno dugo, ali se sam plin neće ponovno djelomično skupiti A. Da biste to učinili, morate malo raditi na plinu: na primjer, kako pomaknuti klip da pomaknete desnu stijenku dijela B. Dakle, bilo koji fizički sustav ima tendenciju prijeći iz manje vjerojatnog stanja u vjerojatnije. Ravnotežno stanje sustava je vjerojatnije.

Koristeći koncept entropije i nejednakost R. Clausiusa, drugi zakon termodinamike može se formulirati kao zakon rastuće entropije zatvorenog sustava u ireverzibilnim procesima:

svaki ireverzibilni proces u zatvorenom sustavu događa se na takav način da postoji veća vjerojatnost da će sustav prijeći u stanje s višom entropijom, dosežući maksimum u stanju ravnoteže. Ili drugačije:

u procesima koji se odvijaju u zatvorenim sustavima entropija se ne smanjuje.

Treba napomenuti da pričamo samo o zatvorenim sustavima.

Dakle, drugi zakon termodinamike je statistički zakon. Izražava nužne zakone kaotičnog gibanja veliki brojčestice koje čine izolirani sustav. Međutim, statističke metode primjenjive su samo u slučaju velikog broja čestica u sustavu. Za mali broj čestica (5-10) ovaj pristup nije primjenjiv. U tom slučaju vjerojatnost da sve čestice ostanu u jednoj polovici volumena više nije jednaka nuli, odnosno takav se događaj može ostvariti.

Toplinska smrt svemira. R. Clausius, smatrajući Svemir zatvorenim sustavom i primjenjujući na njega drugi zakon termodinamike, sve je sveo na tvrdnju da entropija Svemira treba doseći svoj maksimum. To znači da se svi oblici gibanja moraju pretvoriti u toplinsko gibanje, uslijed čega će se temperatura svih tijela u Svemiru s vremenom izjednačiti, doći će do potpune toplinske ravnoteže i svi će procesi jednostavno prestati: toplinska smrt Svemira doći će.

Osnovna jednadžba termodinamike . Ova jednadžba kombinira formule za prvi i drugi zakon termodinamike:

d Q = dU + p dV, (3.9)

Zamijenimo jednadžbu (3.9), koja izražava drugi zakon termodinamike, u jednadžbu (3.10):

.

To je ono što je osnovna jednadžba termodinamike.

Zaključno, još jednom napominjemo da ako prvi zakon termodinamike sadrži energetsku ravnotežu procesa, onda drugi zakon pokazuje njegov mogući smjer.

Treći zakon termodinamike

Drugi zakon termodinamike ustanovljen je u procesu proučavanja promjene entropije kemijske reakcije 1906. V. Nernst. Nosi ime Nernstov teorem ili treći zakon termodinamike a povezan je s ponašanjem toplinskog kapaciteta tvari pri temperaturama apsolutne nule.

Nernstov teorem navodi da kada se približava apsolutnoj nuli, entropija sustava također teži nuli, bez obzira na to koje vrijednosti poprimaju svi ostali parametri stanja sustava:

.

Jer entropija , i temperatura T teži nuli, toplinski kapacitet tvari također mora težiti nuli, i to brže od T. iz čega slijedi nedostižnost temperature apsolutne nule s konačnim slijedom termodinamičkih procesa, odnosno konačnim brojem operacija - ciklusa rashladnog stroja (druga formulacija trećeg zakona termodinamike).

pravi plinovi

Van der Waalsova jednadžba

Promjena stanja razrijeđenih plinova pri dovoljnoj visoke temperature I niski pritisci opisana zakonima idealnog plina. Međutim, kako se tlak povećava, a temperatura realnog plina smanjuje, uočavaju se značajna odstupanja od ovih zakona, zbog značajnih razlika između ponašanja realnih plinova i ponašanja koje se pripisuje česticama idealnog plina.

Jednadžba stanja za stvarne plinove treba uzeti u obzir:

konačna vrijednost intrinzičnog volumena molekula;

· obostrana privlačnost molekule jedna drugoj.

Da bi to učinio, J. van der Waals je predložio da se u jednadžbu stanja ne uključi volumen posude, kao u Clapeyron-Mendeleev jednadžbi ( pV = RT), i volumen mol plina koji nije zauzet molekulama, odnosno vrijednost ( V m -b), Gdje V m je molarni volumen. Da bi uzeo u obzir sile privlačenja između molekula, J. van der Waals uveo je korekciju tlaka uključenog u jednadžbu stanja.

Uvođenjem korekcija koje se odnose na uzimanje u obzir vlastitog volumena molekula (odbojne sile) i privlačne sile u Clapeyron-Mendelejevu jednadžbu, dobivamo jednadžba stanja za pravi mol plina kao:

.

Ovaj van der Waalsova jednadžba, u kojem su konstante A I b imati drugačije značenje za različite plinove.

Laboratorijski rad

§6 Entropija

Obično se svaki proces u kojem sustav prelazi iz jednog stanja u drugo odvija tako da je nemoguće izvršiti taj proces u suprotnom smjeru tako da sustav prolazi kroz ista međustanja bez ikakvih promjena na okolnim tijelima. To je zbog činjenice da se dio energije rasipa u procesu, na primjer, zbog trenja, zračenja i tako dalje. Gotovo svi procesi u prirodi su nepovratni. U svakom procesu gubi se dio energije. Za karakterizaciju disipacije energije uvodi se pojam entropije. ( Vrijednost entropije karakterizira toplinsko stanje sustava i određuje vjerojatnost provedbe tog stanja tijela. Što je dano stanje vjerojatnije, entropija je veća.) Sve prirodni procesi praćeno povećanjem entropije. Entropija ostaje konstantna samo u slučaju idealiziranog reverzibilnog procesa koji se odvija u zatvorenom sustavu, odnosno u sustavu u kojem nema izmjene energije s tijelima izvan tog sustava.

Entropija i njeno termodinamičko značenje:

Entropija- ovo je takva funkcija stanja sustava, čija je infinitezimalna promjena u reverzibilnom procesu jednaka omjeru beskonačno male količine topline unesene u ovaj proces i temperature na kojoj je uvedena.

U konačnom reverzibilnom procesu, promjena entropije može se izračunati pomoću formule:

gdje je integral uzet od početnog stanja 1 sustava do konačnog stanja 2.

Budući da je entropija funkcija stanja, onda je svojstvo integralaje njegova neovisnost o obliku konture (puta) po kojoj se računa, dakle, integral je određen samo početnim i završnim stanjem sustava.

• U svakom reverzibilnom procesu promjene entropija je 0

(1)

• Termodinamika to dokazujeSsustav koji stvara ireverzibilni ciklus se povećava

Δ S> 0 (2)

Izrazi (1) i (2) vrijede samo za zatvorene sustave, ako sustav izmjenjuje toplinu sa vanjsko okruženje, onda jeSmože se ponašati na bilo koji način.

Relacije (1) i (2) mogu se prikazati kao Clausiusova nejednakost

∆S ≥ 0

oni. entropija zatvorenog sustava može ili porasti (u slučaju ireverzibilnih procesa) ili ostati konstantna (u slučaju reverzibilnih procesa).

Ako sustav napravi ravnotežni prijelaz iz stanja 1 u stanje 2, tada se entropija mijenja

Gdje dU I δAnapisano za određeni proces. Prema ovoj formuli, ΔSodređuje se do aditivne konstante. Nije sama entropija ono što ima fizičko značenje, već razlika entropija. Nađimo promjenu entropije u procesima idealnog plina.

oni. promjene entropijeS Δ S 1→2 idealnog plina tijekom njegovog prijelaza iz stanja 1 u stanje 2 ne ovisi o vrsti procesa.

Jer za adijabatski proces δQ = 0, tada je ∆ S= 0 => S= konst , to jest, adijabatski reverzibilni proces odvija se uz konstantnu entropiju. Stoga se naziva izentropskim.

U izotermnom procesu (T= konst; T 1 = T 2 : )

U izohornom procesu (V= konst; V 1 = V 2 ; )

Entropija ima svojstvo aditivnosti: entropija sustava jednaka je zbroju entropija tijela uključenih u sustav.S = S 1 + S 2 + S 3 + ... Kvalitativna razlika između toplinskog gibanja molekula i drugih oblika gibanja je njegova slučajnost, neuređenost. Stoga je za karakterizaciju toplinskog gibanja potrebno uvesti kvantitativnu mjeru stupnja molekularnog poremećaja. Ako razmatramo bilo koje makroskopsko stanje tijela s određenim prosječnim vrijednostima parametara, onda je to nešto drugo nego kontinuirana promjena bliskih mikrostanja koja se međusobno razlikuju po rasporedu molekula u različite dijelove volumena i raspodijeljene energije između molekula. Broj ovih kontinuirano promjenjivih mikrostanja karakterizira stupanj poremećaja makroskopskog stanja cijelog sustava,wnaziva se termodinamička vjerojatnost danog mikrostanja. Termodinamička vjerojatnostwstanja sustava je broj načina na koji se dano stanje makroskopskog sustava može realizirati ili broj mikrostanja koja implementiraju dano mikrostanje (w≥ 1, i matematička vjerojatnost ≤ 1 ).

Dogovorili smo se uzeti logaritam njegove vjerojatnosti, uzet s predznakom minus, kao mjeru neočekivanosti događaja: neočekivanost stanja jednaka je =-

Prema Boltzmannu, entropijaSsustavi i termodinamička vjerojatnost povezani su kako slijedi:

Gdje - Boltzmannova konstanta (). Dakle, entropija je određena logaritmom broja stanja s kojima se određeno mikrostanje može ostvariti. Entropija se može smatrati mjerom vjerojatnosti stanja t/d sustava. Boltzmannova formula nam omogućuje da entropiji damo sljedeću statističku interpretaciju. Entropija je mjera neuređenosti sustava. Zaista, što je veći broj mikrostanja koja ostvaruju određeno mikrostanje, veća je entropija. U ravnotežnom stanju sustava - najvjerojatnijem stanju sustava - broj mikrostanja je maksimalan, a entropija je također maksimalna.

Jer stvarni procesi su ireverzibilni, onda se može tvrditi da svi procesi u zatvorenom sustavu dovode do povećanja njegove entropije – princip povećanja entropije. U statističkoj interpretaciji entropije to znači da procesi u zatvorenom sustavu idu u smjeru povećanja broja mikrostanja, odnosno od manje vjerojatnih stanja prema vjerojatnijim, sve dok vjerojatnost stanja ne postane maksimalna.

§7 Drugi zakon termodinamike

Prvi zakon termodinamike, koji izražava zakon održanja energije i transformacije energije, ne dopušta odrediti smjer toka t/d procesa. Osim toga, moguće je zamisliti skup procesa koji nisu u suprotnostijapočetak m/d, u kojima se energija skladišti, ali u prirodi se ne ostvaruju. Moguće formulacije drugog početka t/d:

1) zakon porasta entropije zatvorenog sustava tijekom ireverzibilnih procesa: svaki ireverzibilni proces u zatvorenom sustavu događa se na način da se entropija sustava povećava ΔS≥ 0 (nepovratan proces) 2) ΔS≥ 0 (S= 0 za reverzibilne i ΔS≥ 0 za nepovratan proces)

U procesima koji se odvijaju u zatvorenom sustavu entropija se ne smanjuje.

2) Iz Boltzmannove formule S = , stoga povećanje entropije znači prijelaz sustava iz manje vjerojatnog stanja u vjerojatnije.

3) Prema Kelvinu: nije moguć kružni proces čiji je jedini rezultat pretvaranje topline primljene od grijača u njemu ekvivalentan rad.

4) Prema Clausiusu: nije moguć kružni proces čiji je jedini rezultat prijenos topline s manje zagrijanog tijela na jače zagrijano.

Za opisivanje t/d sustava na 0 K koristi se Nernst-Planckov teorem (treći zakon t/d): entropija svih tijela u ravnoteži teži nuli kako se temperatura približava 0 K

Iz teorema Nernst-Planck slijedi toC p= C v = 0 na 0 DO

§8 Toplinski i rashladni strojevi.

Carnotov ciklus i njegova učinkovitost

Iz formulacije drugog zakona t/d prema Kelvinu, slijedi da je perpetuum mobile druge vrste nemoguć. (Vječni stroj je povremeno aktivan motor koji radi hlađenjem jednog izvora topline.)

Termostat- ovo je t/d sustav koji može izmjenjivati ​​toplinu s tijelima bez promjene temperature.

Princip rada toplinskog stroja: od termostata s temperaturom T 1 - grijač, količina topline koja se oduzima po ciklusuQ 1 , i termostat s temperaturom T 2 (T 2 < T 1) - hladnjak, količina prenesene topline po ciklusuQ 2 , dok obavljate posao A = Q 1 - Q 2

Kružni proces ili ciklus je proces u kojem se sustav nakon prolaska kroz niz stanja vraća u svoje prvobitno stanje. Na dijagramu stanja ciklus je predstavljen zatvorenom krivuljom. Ciklus koji idealni plin, može se podijeliti na procese širenja (1-2) i kompresije (2-1), rad širenja je pozitivan A 1-2 > 0, jerV 2 > V 1 , rad kompresije je negativan A 1-2 < 0, т.к. V 2 < V 1 . Stoga je rad plina po ciklusu određen površinom pokrivenom zatvorenom krivuljom 1-2-1. Ako se pozitivni rad vrši u ciklusu (ciklus je u smjeru kazaljke na satu), tada se ciklus naziva direktnim, ako je to obrnuti ciklus (ciklus se odvija u smjeru suprotnom od kazaljke na satu).

izravni ciklus koristi se u toplinskim motorima - povremeno radeći motori koji rade zahvaljujući toplini primljenoj izvana. Obrnuti ciklus koristi se u rashladnim strojevima - periodičkim radnim instalacijama u kojima se, zbog rada vanjskih sila, toplina prenosi na tijelo s višom temperaturom.

Kao rezultat kružnog procesa, sustav se vraća u prvobitno stanje i stoga je ukupna promjena unutarnje energije nula. ZatimІ početak t/d za kružni proces

Q= Δ U+ A= A,

To jest, rad obavljen po ciklusu jednak je količini topline primljene izvana, ali

Q= Q 1 - Q 2

Q 1 - količina toplina koju sustav prima,

Q 2 - količina topline koju ispušta sustav.

Toplinska učinkovitost za kružni proces jednaka je omjeru rada koji je sustav izvršio i količine topline dovedene sustavu:

Za η = 1, uvjetQ 2 = 0, tj. toplinski stroj mora imati jedan izvor toplineQ 1 , ali to je u suprotnosti s drugim zakonom t/d.

Proces obrnut od onoga što se događa u toplinskom stroju koristi se u rashladnom stroju.

Od termostata s temperaturom T 2 oduzima se količina toplineQ 2 i prenosi se na termostat s temperaturomT 1 , količina toplineQ 1 .

Q= Q 2 - Q 1 < 0, следовательно A< 0.

Bez obavljanja rada nemoguće je oduzeti toplinu manje zagrijanom tijelu i predati je toplijem.

Na temelju drugog zakona t/d, Carnot je izveo teorem.

Carnotov teorem: svih toplinskih motora s periodičkim radom s istim temperaturama grijača ( T 1) i hladnjake ( T 2), najveća učinkovitost. imaju reverzibilne strojeve. K.P.D. reverzibilni strojevi za jednak T 1 i T 2 su jednaki i ne ovise o prirodi radnog fluida.

Radno tijelo je tijelo koje obavlja kružni proces i izmjenjuje energiju s drugim tijelima.

Carnotov ciklus je najekonomičniji reverzibilni ciklus, koji se sastoji od 2 izoterme i 2 adijabate.

1-2-izotermno širenje pri T 1 grijač; plinu se dovodi toplinaQ 1 i posao je obavljen

2-3 - adijabat. ekspanzija, plin radiA 2-3 >0 preko vanjskih tijela.

3-4 izotermna kompresija pri T 2 hladnjaka; toplina se oduzimaQ 2 i posao je obavljen;

4-1-adijabatska kompresija, rad se vrši na plinu A 4-1 <0 внешними телами.

U izotermnom procesuU= const, dakle Q 1 = A 12

1

S adijabatskim širenjemQ 2-3 = 0, a plinski rad A 23 izvedeno unutarnjom energijom A 23 = - U

Količina toplineQ 2 , koju plin daje hladnjaku tijekom izotermne kompresije jednaka je radu kompresije A 3-4

2

Rad adijabatske kompresije

Rad se odvija u kružnom procesu

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

i jednaka je površini krivulje 1-2-3-4-1.

Toplinska učinkovitost Carnotov ciklus

Iz jednadžbe adijabate za procese 2-3 i 3-4 dobivamo

Zatim

oni. učinkovitost Carnotov ciklus određen je samo temperaturama grijača i hladnjaka. Za povećanje učinkovitosti treba povećati razliku T 1 - T 2 .

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

Na slici lijevo: prosvjed kršćanskih konzervativaca protiv drugog zakona termodinamike. Natpisi na plakatima: prekrižena riječ "entropija"; "Ne prihvaćam osnovna načela znanosti i glasam."

DRUGO PORIJEKLO TERMODINAMIKE I PITANJA STVARANJA

Početkom 2000-ih grupa konzervativnih kršćana okupila se na stepenicama Kapitola (Kansas, SAD) kako bi zahtijevala ukidanje temeljnog znanstvenog principa - drugog zakona termodinamike (vidi sliku lijevo). Razlog za to bilo je njihovo uvjerenje da je ovaj fizikalni zakon u suprotnosti s njihovim vjerovanjem u Stvoritelja, budući da predviđa toplinsku smrt svemira. Učesnici protesta su rekli da ne žele živjeti u svijetu koji ide prema takvoj budućnosti i tome učiti svoju djecu. Vodi kampanju protiv drugog zakona termodinamike, nitko drugi nego senator države Kansas, koji vjeruje da ovaj zakon "prijeti razumijevanju naše djece o svemiru kao svijetu koji je stvorio dobronamjeran Bog pun ljubavi".

Paradoksalno, u istom tom SAD-u, drugi kršćanski pravac - kreacionisti, predvođeni Duaneom Gishom, predsjednikom Instituta za istraživanje kreacije - naprotiv, ne samo da drugi zakon termodinamike smatraju znanstvenim, nego i revno apeliraju na njega da dokažu da je svijet stvorio Bog . Jedan od njihovih glavnih argumenata je da život ne može nastati spontano, budući da je sve okolo sklono spontanom uništenju, a ne stvaranju.

S obzirom na tako izrazitu proturječnost između ova dva kršćanska strujanja, postavlja se prirodno pitanje - tko je od njih u pravu? I ima li tko pravo?

U ovom članku razmotrit ćemo gdje je moguće, a gdje nemoguće primijeniti drugi zakon termodinamike i u kakvoj je vezi s pitanjima vjere u Stvoritelja.

KOJE JE DRUGO PORIJEKLO TERMODINAMIKE

Termodinamika je grana fizike koja proučava odnose i transformacije topline i drugih oblika energije. Temelji se na nekoliko temeljnih principa, koji se nazivaju principima (ponekad i zakonima) termodinamike. Među njima je možda najpoznatiji drugi princip.

Ako napravimo mali pregled svih principa termodinamike, oni su ukratko sljedeći: Prvi početak predstavlja zakon održanja energije primijenjen na termodinamičke sustave. Njegova bit je da je toplina poseban oblik energije i mora se uzeti u obzir u zakonu održanja i transformacije energije. Drugi početak nameće ograničenja u smjeru termodinamičkih procesa, zabranjujući spontani prijenos topline s manje zagrijanih tijela na jače zagrijana. To također implicira da je nemoguće pretvoriti toplinu u rad sa 100% učinkovitosti (gubici u okoliš su neizbježni). Također onemogućuje stvaranje perpetuum mobile na temelju njega. Treći početak navodi da je nemoguće temperaturu bilo kojeg fizičkog tijela dovesti do apsolutne nule u konačnom vremenu, odnosno da je apsolutna nula nedostižna. Nulti (ili uobičajeni) početak ponekad se naziva i načelo prema kojem izolirani sustav, bez obzira na početno stanje, na kraju dolazi u stanje termodinamičke ravnoteže i ne može samostalno izaći iz njega. Termodinamička ravnoteža je stanje u kojem nema prijenosa topline s jednog dijela sustava na drugi. (Definicija izoliranog sustava dana je u nastavku.)

Drugi zakon termodinamike, osim navedenih, ima i druge formulacije. Oko jednog od njih vrti se sva kontroverza o stvaranju koju smo spomenuli. Ova formulacija je povezana s pojmom entropije, s kojim ćemo se morati upoznati.

Entropija(prema jednoj od definicija) pokazatelj je neuređenosti, odnosno nasumičnosti sustava. Jednostavnije rečeno, što više kaosa vlada u sustavu, veća je njegova entropija. Za termodinamičke sustave entropija je to veća što je gibanje materijalnih čestica koje čine sustav (primjerice molekula) kaotičnije.

S vremenom su znanstvenici shvatili da je entropija širi pojam i da se može primijeniti ne samo na termodinamičke sustave. Općenito, svaki sustav ima određenu dozu kaosa, koja se može mijenjati – povećavati ili smanjivati. U ovom slučaju je prikladno govoriti o entropiji. Evo nekoliko primjera:

· Čaša vode. Ako se voda smrznula i pretvorila u led, tada su njezine molekule povezane u kristalnu rešetku. To odgovara većem redu (manja entropija) od stanja kada se voda otopila i molekule se kreću nasumično. No, nakon što se otopi, voda još uvijek zadržava određeni oblik - čašu u kojoj se nalazi. Ako voda ispari, molekule se kreću još intenzivnije i zauzimaju cijeli volumen koji im je predviđen, krećući se još kaotičnije. Tako se entropija još više povećava.

· Sunčev sustav. I u njemu se može uočiti i red i nered. Planeti se kreću svojim orbitama s takvom preciznošću da astronomi mogu predvidjeti njihov položaj u bilo kojem trenutku tisućljećima unaprijed. Međutim, postoji nekoliko asteroidnih pojaseva u Sunčevom sustavu koji se kreću kaotičnije – sudaraju se, lome, ponekad padaju na druge planete. Prema kozmolozima, u početku je cijeli Sunčev sustav (osim samog Sunca) bio ispunjen takvim asteroidima, od kojih su se kasnije formirali čvrsti planeti, a ti su se asteroidi kretali još kaotičnije nego sada. Ako je to točno, onda je entropija Sunčevog sustava (osim samog Sunca) izvorno bila veća.

· Galaksija. Galaksija se sastoji od zvijezda koje se kreću oko njezina središta. Ali i tu postoji određena doza nereda: zvijezde se ponekad sudaraju, mijenjaju smjer kretanja, a zbog međusobnog utjecaja svojih orbita nisu idealne, mijenjaju se pomalo kaotično. Dakle, u ovom sustavu entropija nije jednaka nuli.

· Dječja soba. Za one koji imaju malu djecu, porast entropije vrlo često promatraju vlastitim očima. Nakon što obave čišćenje, u stanu zavlada relativan red. No, nekoliko sati (a ponekad i manje) jednog ili dvoje djece tamo u stanju budnosti dovoljno je da se entropija ovog stana znatno poveća...

Ako vam je zadnji primjer izmamio osmijeh, onda ste najvjerojatnije shvatili što je entropija.

Vraćajući se drugom zakonu termodinamike, sjećamo se da, kao što smo rekli, on ima drugu formulaciju koja je povezana s pojmom entropije. Zvuči ovako: entropija se ne može smanjivati ​​u izoliranom sustavu. Drugim riječima, u svakom sustavu koji je potpuno odsječen od svijeta koji ga okružuje, nered se ne može spontano smanjivati: može se samo povećavati ili, u ekstremnim slučajevima, ostati na istoj razini.

Ako stavite kocku leda u toplu zaključanu prostoriju, otopit će se nakon nekog vremena. Međutim, nastala lokva vode u ovoj prostoriji nikada se sama od sebe neće razbiti natrag u kocku leda. Tamo otvorite bočicu parfema i miris će se proširiti prostorijom. Ali ništa ga neće natjerati da se vrati na bočicu. Tamo zapalite svijeću i ona će izgorjeti, ali ništa neće učiniti da se dim ponovno pretvori u svijeću. Svi ti procesi su usmjereni i nepovratni. Razlog takve nepovratnosti procesa koji se odvijaju ne samo u ovoj prostoriji, već u cijelom Svemiru, leži upravo u drugom zakonu termodinamike.

NA ŠTO SE ODNOSI DRUGO PORIJEKLO TERMODINAMIKE?

Međutim, ovaj zakon, uz svu svoju prividnu jednostavnost, jedan je od najtežih i često krivo shvaćenih zakona klasične fizike. Činjenica je da u njegovom tekstu postoji jedna riječ kojoj se ponekad pridaje nedovoljno pažnje - riječ "izoliran". Prema drugom zakonu termodinamike entropija (kaos) se ne može smanjivati ​​samo u izoliranim sustavima. Ovo je zakon. Međutim, u drugim sustavima to više nije zakon i entropija se u njima može povećavati ili smanjivati.

Što je izolirani sustav? Pogledajmo koje vrste sustava sa stajališta termodinamike općenito postoje:

· Otvoren. To su sustavi koji razmjenjuju materiju (a možda i energiju) s vanjskim svijetom. Primjer: auto (troši benzin, zrak, stvara toplinu).

· Zatvoreno. To su sustavi koji ne razmjenjuju materiju s okolnim svijetom, ali mogu s njim razmjenjivati ​​energiju. Primjer: svemirska letjelica (zapečaćena, ali apsorbira sunčevu energiju pomoću solarnih ploča).

· Izolirano (zatvoreno). To su sustavi koji ne razmjenjuju ni materiju ni energiju s vanjskim svijetom. Primjer: termosica (zatvorena i zadržava toplinu).

Kao što smo primijetili, drugi zakon termodinamike primjenjiv je samo na treći od navedenih tipova sustava.

Za ilustraciju, prisjetimo se sustava koji se sastoji od zaključane tople sobe i komadića leda koji se u njoj otopio. U idealnom slučaju, to je odgovaralo izoliranom sustavu, a njegova entropija se u ovom slučaju povećala. Međutim, sada zamislimo da je vani jako hladno, a mi smo otvorili prozor. Sustav se otvorio: u prostoriju je počeo ulaziti hladan zrak, temperatura u prostoriji pala je ispod ništice, a naš komad leda koji se prethodno pretvorio u lokvu ponovno se smrznuo.

U stvarnom životu, čak ni zaključana soba nije izolirani sustav, jer zapravo staklo, pa čak i cigle propuštaju toplinu. I toplina je, kao što smo gore napomenuli, također oblik energije. Dakle, zaključana soba zapravo nije izoliran, već zatvoreni sustav. Čak i ako dobro zabrtvimo sve prozore i vrata, toplina će svejedno postupno napuštati prostoriju, smrzavat će se i naša će se lokva također pretvoriti u led.

Još jedan sličan primjer je prostorija za zamrzavanje. Sve dok je zamrzivač isključen, njegova temperatura je ista kao sobna. Ali čim ga uključite u mrežu, on se počinje hladiti, a entropija sustava se počinje smanjivati. To postaje moguće jer je takav sustav postao zatvoren, odnosno troši energiju iz okoline (u ovom slučaju električnu).

Važno je napomenuti da je u prvom slučaju (soba s komadom leda) sustav predao energiju okolini, au drugom slučaju (soba s zamrzivačem), naprotiv, primio ju je. Međutim, entropija oba sustava se smanjila. To znači da kako bi drugi zakon termodinamike prestao djelovati kao nepromjenjiv zakon, u općem slučaju nije bitan smjer prijenosa energije, već sama činjenica prijenosa između sustava i okolni svijet.

PRIMJERI OPADA ENTROPIJE U NEŽIVOJ PRIRODI. Gore razmotrene primjere sustava stvorio je čovjek. Postoje li primjeri smanjenja entropije u neživoj prirodi, bez sudjelovanja uma? Da, koliko god želite.

	Snježne pahulje. Tijekom svog formiranja, nasumično pokretne molekule vodene pare spajaju se u uređeni kristal. U tom slučaju dolazi do hlađenja, odnosno oslobađanja energije u okolinu, a atomi zauzimaju položaj koji je za njih energetski povoljniji. Kristalna rešetka snježne pahulje odgovara većem redu od nasumično gibajućih molekula pare.
	Kristali soli. Sličan proces opaža se u iskustvima kojih se mnogi možda sjećaju iz školskih dana. Konac se spusti u čašu s koncentriranom otopinom soli (na primjer, kuhinjska sol ili bakar sulfat), a ubrzo nasumično otopljene molekule soli formiraju prekrasne bizarne oblike.
	Fulguriti. Fulgurit je figura nastala od pijeska kada munja udari u tlo. U tom procesu dolazi do apsorpcije energije (električne struje munje), što rezultira taljenjem pijeska, koji se zatim skrutne u čvrstu figuru, što odgovara većem redu od nasumično razbacanog pijeska.
	Duckweed na ribnjaku. Obično patka koja raste na površini ribnjaka, ako je ima dovoljno, ima tendenciju da zauzme cijelo područje ribnjaka. Pokušajte gurnuti patku rukama i za minutu će se vratiti na svoje mjesto. Međutim, kad puše vjetar (ponekad jedva primjetan), vodena trava se nakuplja u jednom dijelu ribnjaka i tamo je u "stisnutom" stanju. U tom slučaju entropija se smanjuje zbog apsorpcije energije vjetra.
	Stvaranje dušikovih spojeva. Svake godine u atmosferi zemaljske kugle dogodi se oko 16 milijuna grmljavinskih oluja, tijekom svake od kojih ima desetke i stotine munja. Tijekom munja, jednostavni sastojci atmosfere - dušik, kisik i vlaga - stvaraju složenije dušikove spojeve potrebne za rast biljaka. Smanjenje entropije u ovom slučaju nastaje zbog apsorpcije energije električnih pražnjenja munje.
	Reakcija Butlerova. Ovaj kemijski proces poznat je i kao autokatalitička sinteza. U njemu složene strukturirane molekule šećera u određenoj okolini rastu same od sebe, stvarajući vlastitu vrstu u geometrijskoj progresiji. To je zbog kemijskih svojstava takvih molekula. Uređivanje kemijske strukture, a time i smanjenje kaosa, u Butlerovoj reakciji također se događa zbog izmjene energije s okolinom.
	Vulkani. Kaotično pokretne molekule magme, izbijajući na površinu, skrućuju se u kristalnu rešetku i tvore vulkanske planine i stijene složenog oblika. Ako magmu promatramo kao termodinamički sustav, njezina se entropija smanjuje zbog oslobađanja toplinske energije u okoliš.
	Stvaranje ozona. Energetski najpovoljnije stanje za molekule kisika je O 2 . Međutim, pod utjecajem jakog kozmičkog zračenja, ogroman broj molekula pretvara se u ozon (O 3) i može u njemu ostati dosta dugo. Taj se proces kontinuirano nastavlja sve vrijeme dok je slobodni kisik prisutan u zemljinoj atmosferi.
	Rupa u pijesku. Svi znaju koliko nam je voda u rijekama prljava: ima i smeća, i algi, i čega sve ne, a sve je to pomiješano. Ali uz obalu postoji mala rupa u pijesku, a voda se ne ulijeva u nju, već prodire. Istodobno se filtrira: ravnomjerno onečišćena voda dijeli se na čistu i još prljaviju. Entropija se očito smanjuje, a to se događa zbog sile gravitacije koja zbog razlike u razinama uzrokuje curenje vode iz rijeke u rupu.
	Lokva. Da, da, obična lokva koja ostane nakon kiše također ilustrira da se entropija može spontano smanjiti! Prema drugom zakonu termodinamike toplina ne može spontano prelaziti s manje zagrijanih tijela na jače zagrijana. Međutim, temperatura vode u lokvi stalno se održava nekoliko stupnjeva nižom od temperature tla i okolnog zraka (to možete provjeriti kod kuće s tanjurićem vode i termometrom; higrometar, koji se sastoji od suhih i vlažne sijalice, također se temelji na ovom principu). Zašto? Jer lokva isparava, dok se brže molekule odvajaju od njene površine i bježe, dok one sporije ostaju. Budući da je temperatura povezana s brzinom kretanja molekula, ispada da se lokva konstantno samohladi u odnosu na topliju okolinu. Lokva je, dakle, otvoreni sustav, budući da s okolinom izmjenjuje ne samo energiju, već i tvar, a procesi u njoj očito idu u suprotnom smjeru od onoga na koji upućuje drugi zakon termodinamike.

Ako ste pametni i odvojite malo vremena, možete zapamtiti i zapisati tisuće sličnih primjera. Važno je napomenuti da u mnogim od navedenih slučajeva smanjenje entropije nije izolirani slučaj, već pravilnost - sklonost tome je svojstvena samoj konstrukciji takvih sustava. Dakle, to se događa svaki put kad se pojave pravi uvjeti, i može trajati jako dugo - sve dok ti uvjeti postoje. Svi ovi primjeri ne zahtijevaju složene mehanizme koji smanjuju entropiju, niti intervenciju uma.

Naravno, ako sustav nije izoliran, tada uopće nije nužno da se entropija u njemu smanjuje. Nego, naprotiv, češće se spontano događa povećanje entropije, odnosno povećanje kaosa. U svakom slučaju, navikli smo na činjenicu da se svaka stvar ostavljena bez nadzora ili brige u pravilu kvari i postaje neupotrebljiva, a ne poboljšava se. Može se čak reći da je riječ o određenom temeljnom svojstvu materijalnog svijeta - želji za spontanom degradacijom, općoj težnji ka porastu entropije.

Međutim, ovaj je podnaslov pokazao da ovaj opći trend vrijedi samo u izoliranim sustavima. U drugim sustavima povećanje entropije nije zakon – sve ovisi o svojstvima pojedinog sustava i uvjetima u kojima se nalazi. Na njih se po definiciji ne može primijeniti drugi zakon termodinamike. Čak i ako se u nekom od otvorenih ili zatvorenih sustava entropija povećava, onda to nije ispunjenje drugog zakona termodinamike, već samo očitovanje opće tendencije povećanja entropije, karakteristične za materijalni svijet u cjelini, ali daleko od apsolutnog.

DRUGO PORIJEKLO TERMODINAMIKE I NAŠEG SVEMIRA

Kad entuzijastični promatrač promatra zvjezdano nebo, kao i kad ga iskusni astronom promatra kroz teleskop, i jedni i drugi mogu uočiti ne samo njegovu ljepotu, već i nevjerojatan red koji vlada u ovom makrokozmosu.

Može li se, međutim, ovaj poredak upotrijebiti da se dokaže da je Bog stvorio svemir? Bi li bilo ispravno upotrijebiti ovu liniju razmišljanja: budući da Svemir nije pao u kaos u skladu s drugim zakonom termodinamike, dokazuje li to da njime upravlja Bog?

Možda ste navikli misliti da da. Ali zapravo, suprotno uvriježenom mišljenju, ne. Točnije, u vezi s tim moguće je i potrebno koristiti se nešto drugačijim dokazima, ali ne i drugim zakonom termodinamike.

Prvo sve dok se ne dokaže da je svemir izoliran sustav. Iako, naravno, nije dokazano suprotno, ipak je nemoguće nedvosmisleno tvrditi da se drugi zakon termodinamike uopće može primijeniti na njega.

Ali, recimo, izolacija Svemira kao sustava bit će dokazana u budućnosti (to je sasvim moguće). Što onda?

Drugo, drugi zakon termodinamike ne govori što će točno vladati u određenom sustavu - red ili kaos. Drugi zakon govori u kojem smjeru će se taj red ili nered promijeniti – u izoliranom sustavu kaos će se povećavati. A u kojem se smjeru mijenja poredak u svemiru? Ako govorimo o Svemiru kao cjelini, onda se u njemu kaos (kao i entropija) povećava. Ovdje je važno ne brkati Svemir s pojedinačnim zvijezdama, galaksijama ili njihovim skupovima. Pojedinačne galaksije (poput naše Mliječne staze) mogu biti vrlo stabilne strukture i čini se da se uopće ne degradiraju milijunima godina. Ali oni nisu izolirani sustavi: oni neprestano zrače energiju (kao što su svjetlost i toplina) u okolni prostor. Zvijezde izgaraju i stalno emitiraju materiju (“solarni vjetar”) u međuzvjezdani prostor. Zbog toga svemir prolazi kontinuirani proces transformacije strukturirane tvari zvijezda i galaksija u kaotično raspršenu energiju i plin. A što je to ako ne povećanje entropije?

Ti se procesi razgradnje, naravno, odvijaju vrlo sporo, pa se čini da ih ne osjećamo. Ali kad bismo ih mogli promatrati vrlo ubrzano - recimo trilijun puta brže, tada bi se pred našim očima odvijala vrlo dramatična slika rađanja i umiranja zvijezda. Vrijedno je podsjetiti da je prva generacija zvijezda koje su postojale od postanka svemira već umrla. Prema kozmolozima, naš se planet sastoji od ostataka postojanja i eksplozije nekoć izgorjele zvijezde; kao rezultat takvih eksplozija nastaju svi teški kemijski elementi.

Dakle, ako Svemir promatramo kao izolirani sustav, onda je drugi zakon termodinamike u njemu kao cjelini ispunjen, kako u prošlosti tako i danas. Ovo je jedan od zakona koje je uspostavio Bog i stoga djeluje u Svemiru na isti način kao i drugi fizikalni zakoni.

Unatoč onome što je gore rečeno, postoji mnogo iznenađujućih stvari u Svemiru povezanih s redom koji u njemu vlada, samo što nije zbog drugog zakona termodinamike, već zbog drugih razloga.

Tako se u časopisu "Newsweek" (broj od 11/09/98) razmatralo do kakvih nas zaključaka navode otkrića o nastanku Svemira. Rečeno je da činjenice "svjedoče o podrijetlu energije i kretanja ex nihilo, to jest iz ničega, kolosalnom eksplozijom svjetla i energije, što više odgovara opisu [biblijske knjige] Postanka." Obratite pažnju kako je časopis Newsweek objasnio sličnost rođenja svemira s biblijskim opisom ovog događaja.

Časopis piše: “Oslobođene sile bile su – i još uvijek jesu – nevjerojatno (prekrasno?) uravnotežene: da je Veliki prasak bio malo manje snažan, širenje svemira bilo bi sporije, i uskoro (za nekoliko milijuna godina ili za nekoliko minuta - u svakom slučaju, uskoro ) bi preokrenuo proces i došlo bi do kolapsa. Da je eksplozija bila malo jača, Svemir bi se mogao pretvoriti u prerijetku "tekuću juhu" i nastanak zvijezda bi bio nemoguć. Šanse za naše postojanje bile su doslovno astronomski male. Omjer materije i energije prema volumenu prostora pri Velikom prasku trebao je ostati unutar jednog kvadrilijuna jedan posto idealnog omjera.

Newsweek je sugerirao da je postojao Netko tko je kontrolirao stvaranje Svemira, tko je znao: “uklonite čak i jedan stupanj (kao što je gore spomenuto, margina pogreške bila je jedna kvadrilijunti dio jednog postotka), ... i rezultat ne bi bio samo disharmonija , već vječna entropija i led.

Astrofizičar Alan Lightman priznao je: "Činjenica da je svemir stvoren na tako visoko organiziran način je misterij [za znanstvenike]." Dodao je da će "svaka kozmološka teorija koja tvrdi da je uspješna na kraju morati objasniti ovu misteriju entropije": zašto svemir nije pao u kaos. Očito, tako mala vjerojatnost ispravnog razvoja događaja nije mogla biti slučajnost. (Citirano u Probudite se!, izdanje od 22.6.99., str. 7.)

DRUGO PORIJEKLO TERMODINAMIKE I PORIJEKLO ŽIVOTA

Kao što je gore navedeno, među kreacionistima su popularne teorije da drugi zakon termodinamike dokazuje nemogućnost spontanog nastanka života iz nežive materije. Još u kasnim 1970-ima i ranim 1980-ima Institut za istraživanje kreacije objavio je knjigu o ovoj temi i čak se pokušao dopisivati ​​s Akademijom znanosti SSSR-a o ovom pitanju (prepiska je bila neuspješna).

Međutim, kao što smo vidjeli gore, drugi zakon termodinamike funkcionira samo u izoliranim sustavima. Međutim, Zemlja nije izolirani sustav, jer neprestano prima energiju od Sunca i, obrnuto, predaje je svemiru. A živi organizam (pa i npr. živa stanica), osim toga, izmjenjuje se s okolinom i materijom. Stoga se drugi zakon termodinamike po definiciji ne odnosi na ovo pitanje.

Gore je također spomenuto da materijalni svijet ima neku opću tendenciju povećanja entropije, zbog čega se stvari češće uništavaju i padaju u kaos nego što se stvaraju. Međutim, kao što smo primijetili, to nije zakon. Štoviše, ako se odvojimo od nama poznatog makrokozmosa i zaronimo u mikrokozmos - svijet atoma i molekula (naime, iz njega je, kako se pretpostavlja, započeo život), tada ćemo vidjeti da je mnogo lakše preokrenuti procese povećanja entropije u njemu. Ponekad je u njemu dovoljan jedan slijepi, nekontrolirani udar da se entropija sustava počne smanjivati. Naš planet svakako je pun primjera takvih utjecaja: sunčevo zračenje u atmosferi, vulkanska toplina na dnu oceana, vjetar na površini zemlje itd. A uslijed njih mnogi procesi već teku u suprotnom, za njih "nepovoljnom" smjeru, ili im suprotan smjer postaje "povoljan" (vidi primjere gore u podnaslovu "Primjeri smanjenja entropije u neživoj prirodi"). Stoga se čak ni naša opća tendencija povećanja entropije ne može primijeniti na pojavu života kao apsolutno pravilo: postoji previše iznimaka od toga.

Naravno, gore navedeno ne znači da je, budući da drugi zakon termodinamike ne zabranjuje spontano nastajanje života, život mogao nastati sam od sebe. Postoje mnoge druge stvari koje takav proces čine nemogućim ili krajnje malo vjerojatnim, ali one više nisu povezane s termodinamikom i njezinim drugim zakonom.

Na primjer, znanstvenici su pod umjetnim uvjetima uspjeli dobiti nekoliko vrsta aminokiselina imitirajući očekivane uvjete Zemljine primarne atmosfere. Aminokiseline su svojevrsne građevne jedinice života: u živim organizmima od njih su izgrađene bjelančevine (proteini). Međutim, proteini potrebni za život sastoje se od stotina, a ponekad i tisuća aminokiselina, povezanih u strogom nizu i položenih na poseban način u poseban oblik (vidi sliku desno). Ako povežete aminokiseline nasumičnim redoslijedom, tada će vjerojatnost stvaranja samo jednog relativno jednostavnog funkcionalnog proteina biti zanemariva - toliko mala da se taj događaj nikada neće dogoditi. Priznati njihovu slučajnu pojavu otprilike je isto kao, pronašavši nekoliko kamenja nalik na cigle u planinama, ustvrditi da je kamena kuća koja stoji u blizini nastala nasumično od istog kamenja pod utjecajem prirodnih procesa.

S druge strane, za postojanje života također nisu dovoljni sami proteini: potrebne su ništa manje složene molekule DNA i RNA, čije je slučajno pojavljivanje također nevjerojatno. DNK je u biti ogromno skladište strukturiranih informacija koje su potrebne za stvaranje proteina. Opslužuje ga cijeli kompleks proteina i RNA, kopirajući i ispravljajući te informacije i koristeći ih "u proizvodne svrhe". Sve je to jedinstveni sustav čije komponente zasebno nemaju smisla i nijedna se iz njega ne može ukloniti. Treba samo početi dublje ulaziti u strukturu ovog sustava i principe njegovog rada kako bismo shvatili da je Briljantni Dizajner radio na njegovom stvaranju.

DRUGO PORIJEKLO TERMODINAMIKE I VJERA U STVORITELJA

Je li drugi zakon termodinamike kompatibilan s vjerom u Stvoritelja općenito? Ne samo činjenicom da postoji, već činjenicom da je stvorio Svemir i život na Zemlji (Postanak 1:1-27; Otkrivenje 4:11); da je obećao da će zemlja postojati zauvijek (Psalam 103,5), što znači da će i Sunce i Svemir biti vječni u ovom ili onom obliku; da će ljudi vječno živjeti u raju na zemlji i nikada neće umrijeti (Psalam 36:29; Matej 25:46; Otkrivenje 21:3, 4)?

Sa sigurnošću možemo reći da je vjera u drugi zakon termodinamike potpuno kompatibilna s vjerom u Stvoritelja i njegova obećanja. A razlog tome leži u formulaciji samog zakona: "u izoliranom sustavu entropija se ne može smanjivati." Svaki izolirani sustav ostaje izoliran samo dok se nitko ne miješa u njegov rad, uključujući Stvoritelja. Ali čim on intervenira i u njega pošalje dio svoje neiscrpne sile, sustav će prestati biti izoliran, au njemu će prestati djelovati drugi zakon termodinamike. Isto se može reći i za općenitiju tendenciju povećanja entropije, o kojoj smo gore govorili. Da, očito je da gotovo sve što postoji oko nas - od atoma do Svemira - ima tendenciju uništenja i degradacije tijekom vremena. Ali Stvoritelj ima potrebnu snagu i mudrost da zaustavi bilo kakve degradacijske procese i čak ih preokrene kada to smatra potrebnim.

Koje procese ljudi obično predstavljaju kao onemogućavajuće vječni život?

· Za nekoliko milijardi godina sunce će se ugasiti. To bi se dogodilo da se Stvoritelj nikada nije umiješao u njegov posao. Međutim, on je Stvoritelj svemira i ima kolosalnu energiju, dovoljnu da Sunce gori zauvijek. Na primjer, trošenjem energije može preokrenuti nuklearne reakcije koje se odvijaju na Suncu, kao da ga puni gorivom za još nekoliko milijardi godina, a također može nadoknaditi količine materije koje Sunce gubi u obliku sunčevog vjetra.

· Prije ili kasnije, Zemlja će se sudariti s asteroidom ili crnom rupom. Koliko god vjerojatnost za to bila mala, ona postoji, pa bi se, prema tome, kroz vječnost sigurno i ostvarila. Međutim, Bog može, koristeći svoju moć, unaprijed zaštititi Zemlju od bilo kakve štete, jednostavno spriječiti tako opasne objekte da se približe našem planetu.

· Mjesec će odletjeti sa Zemlje, a Zemlja će postati nenastanjiva. Mjesec stabilizira nagib zemljine osi, zahvaljujući čemu se klima na njemu održava manje-više konstantnom. Mjesec se postupno udaljava od Zemlje, zbog čega bi se u budućnosti mogao promijeniti nagib osi i klima postati nepodnošljiva. Ali Bog, naravno, ima potrebnu moć da spriječi takve katastrofalne promjene i zadrži Mjesec u njegovoj orbiti gdje smatra prikladnim.

Nema sumnje da su stvari u materijalnom svijetu sklone starenju, degradaciji i uništenju. Ali moramo zapamtiti da je sam Bog stvorio svijet na ovaj način. I tako je to bio dio njegova plana. Svijet nije stvoren da zauvijek postoji odvojeno od Boga. Naprotiv, stvoren je da vječno postoji pod Božjom kontrolom. A budući da je Bog imao i mudrost i moć da stvori svijet, nemamo razloga sumnjati da on ima istu moć i mudrost da se zauvijek brine za svoje stvorenje, držeći sve u njemu pod svojom kontrolom.

Sljedeći biblijski stihovi uvjeravaju nas da će Sunce, Mjesec, Zemlja i ljudi postojati zauvijek:
· « Bojat će vas se sve dok postoji sunce i mjesec - iz generacije u generaciju» (Psalam 72,5)
· « [Zemlja] se neće tresti zauvijek, zauvijek» (Psalam 103,5)
· « Pravednici će naslijediti zemlju i živjeti na njoj zauvijek» (Psalam 37,29)

Dakle, ništa nas ne sprječava da istovremeno vjerujemo u drugi zakon termodinamike i smatramo ga ispravnim znanstvenim načelom, a da u isto vrijeme budemo duboko religiozni ljudi i čekamo ispunjenje svih Božjih obećanja zapisanih u Bibliji.

KORISTITE SE ISKRENIM ARGUMENTIMA

Dakle, ako ste vjernik, kojoj biste od vjerskih skupina navedenih na početku članka dodali svoj glas? Sudionicima gore opisanih demonstracija kršćanskih konzervativaca koji traže ukidanje drugog zakona termodinamike? Ili kreacionistima koji ovaj zakon koriste kao dokaz stvaranja života od strane Boga? Ja sam ni za koga.

Većina vjernika sklona je braniti svoju vjeru na ovaj ili onaj način, a neki za to koriste podatke znanosti koji uvelike potvrđuju postojanje Stvoritelja. Međutim, važno nam je upamtiti jedno ozbiljno biblijsko načelo: “mi... želimo biti pošteni u svemu” (Hebrejima 13,18). Stoga bi, naravno, bilo pogrešno koristiti bilo kakve netočne argumente za dokazivanje postojanja Boga.

Kao što smo vidjeli iz ovog članka, drugi zakon termodinamike ne može se koristiti kao dokaz postojanja Boga, kao što postojanje ili nepostojanje Boga ne dokazuje niti opovrgava drugi zakon termodinamike. Drugi zakon jednostavno nije izravno povezan s pitanjem postojanja Stvoritelja, kao ni velika većina drugih fizikalnih zakona (npr. zakon univerzalne gravitacije, zakon očuvanja količine gibanja, Arhimedov zakon, ili sva druga načela termodinamike).

Stvorenja Božja pružaju nam veliki broj uvjerljivih dokaza, kao i posrednih dokaza o postojanju Stvoritelja. Stoga, ako se neka od izjava koje smo prethodno koristili kao dokaz pokaže netočnom, nemojte se bojati odbiti je kako biste samo poštenim argumentima obranili svoju vjeru.

Izražavajući zakon očuvanja i transformacije energije, ne dopušta utvrđivanje smjera tijeka termodinamičkih procesa. Osim toga, mogu se zamisliti mnogi procesi koji nisu u suprotnosti s prvim zakonom, u kojima se energija čuva, ali se ne odvijaju u prirodi. Pojava drugog zakona termodinamike - potreba da se odgovori na pitanje koji su procesi mogući u prirodi, a koji nisu - određuje smjer u kojem se procesi razvijaju.

Koristeći pojam entropije i Clausiusove nejednakosti, drugi zakon termodinamike može se formulirati kao zakon porasta entropije zatvorenog sustava tijekom ireverzibilnih procesa: svaki ireverzibilni proces u zatvorenom sustavu događa se na način da entropija sustava raste.

Možemo dati sažetiju formulaciju drugog zakona termodinamike:

U procesima koji se odvijaju u zatvorenom sustavu entropija se ne smanjuje. Ovdje je bitno da je riječ o zatvorenim sustavima, budući da se u otvorenim sustavima entropija može ponašati na bilo koji način (smanjiti, povećati, ostati konstantna). Osim toga, još jednom napominjemo da entropija ostaje konstantna u zatvorenom sustavu samo za reverzibilne procese. U ireverzibilnim procesima u zatvorenom sustavu entropija uvijek raste.

Boltzmannova formula omogućuje objašnjenje porasta entropije u zatvorenom sustavu prema drugom zakonu termodinamike tijekom ireverzibilnih procesa: povećanje entropije znači prijelaz sustava od manje vjerojatnog do vjerojatnijeg Države. Stoga nam Boltzmannova formula omogućuje statističko tumačenje drugog zakona termodinamike. On, kao statistički zakon, opisuje pravilnosti kaotičnog gibanja velikog broja čestica koje čine zatvoreni sustav.

Naznačimo još dvije formulacije drugog zakona termodinamike:

1) prema Kelvinu: nemoguć je kružni proces čiji je jedini rezultat pretvorba topline primljene od grijača u njemu ekvivalentan rad;

2) prema Clausiusu : nemoguć je kružni proces čiji je jedini rezultat prijenos topline s manje zagrijanog tijela na jače zagrijano.

Prilično je lako dokazati (ostavljamo to čitatelju) istovjetnost Kelvinovih i Clausiusovih formulacija. Osim toga, pokazano je da ako se zamišljeni proces odvija u zatvorenom sustavu, što je u suprotnosti s drugim zakonom termodinamike u Clausiusovoj formulaciji, tada je popraćen smanjenjem entropije. Time je također dokazana istovjetnost Clausiusove (a time i Kelvinove) formulacije i statističke formulacije, prema kojoj se entropija zatvorenog sustava ne može smanjivati.

Sredinom XIX stoljeća. pojavio se problem takozvane toplinske smrti svemira . Promatrajući Svemir zatvorenim sustavom i primjenjujući na njega drugi zakon termodinamike, Clausius je njegov sadržaj sveo na tvrdnju da entropija Svemira mora doseći svoj maksimum. To znači da se s vremenom svi oblici gibanja moraju pretvoriti u toplinske.

Prijenos topline s vrućih tijela na hladna dovest će do toga da se temperatura svih tijela u Svemiru izjednači, tj. doći će do potpune toplinske ravnoteže i svi procesi u Svemiru će prestati – doći će do toplinske smrti Svemira. Pogrešan zaključak o toplinskoj smrti leži u činjenici da nema smisla primijeniti drugi zakon termodinamike na nezatvorene sustave, na primjer, na tako neograničen i beskonačno razvijajući sustav kao što je Svemir. Na nedosljednost zaključka o toplinskoj smrti ukazao je i F. Engels u svom djelu "Dijalektika prirode".

Prva dva zakona termodinamike ne daju dovoljno informacija o ponašanju termodinamičkih sustava na nuli Kelvina. Oni se nadopunjuju treći zakon termodinamike, ili Nernstov teorem(V. F. G. Nernst (1864.-1941.) - njemački fizičar i fizikokemičar) - daska: entropija svih tijela u ravnoteži teži nuli kako se temperatura približava nuli Kelvina:

Budući da je entropija definirana do aditivne konstante, zgodno je ovu konstantu uzeti jednakom nuli (međutim, imajte na umu da je ovo proizvoljna pretpostavka, jer entropija po samoj svojoj prirodi entiteta uvijek određena do aditivne konstante). Iz Nernst-Planckovog teorema proizlazi da toplinski kapaciteti C str I C V na 0K su nula.