החוק השני של התרמודינמיקה קובע את הכיוון של תהליכים תרמיים אמיתיים המתרחשים במהירות סופית.

התחלה שנייה(חוק שני) תֶרמוֹדִינָמִיקָה יש לזה מספר ניסוחים . לדוגמה, כל פעולה, קשור להמרת אנרגיה(כלומר, עם המעבר של אנרגיה מצורה אחת לאחרת), לא יכול להתרחש ללא אובדן שלו בצורה של חום מתפזר בסביבה. בעוד השקפה כלליתהמשמעות היא שתהליכי הטרנספורמציה (טרנספורמציה) של אנרגיה יכולים להתרחש באופן ספונטני רק בתנאי שהאנרגיה עוברת מצורה מרוכזת (מסודרת) לצורה מפוזרת (לא מסודרת).

אַחֵר הַגדָרָההחוק השני של התרמודינמיקה קשור ישירות אליו עקרון קלאוזיוס : תהליך שבו לא מתרחש שינוי מלבד העברת חום מגוף חם לקר הוא בלתי הפיך, כלומר, חום אינו יכול לעבור באופן ספונטני מגוף קר יותר לגוף חם יותר. איפה חלוקה מחדש כזו של אנרגיה במערכת מאופיין בגודל , שקוראים לו אנטרופיה , שזה כמו פונקציית מצבמערכת תרמודינמית (פונקציה בעלת דיפרנציאל כולל) הוצגה לראשונה ב 1865 שנה דווקא על ידי קלאוזיוס. אנטרופיה - זהו מדד לפיזור האנרגיה הבלתי הפיך. ככל שכמות האנרגיה המתפזרת בצורה בלתי הפיכה גדולה יותר כחום, כך האנטרופיה גדולה יותר.

לפיכך, מניסוחים אלה של החוק השני של התרמודינמיקה אנו יכולים להסיק זאת כל מערכת , שתכונותיו משתנות עם הזמן, שואף למצב שיווי משקל, שבו אנטרופיה של המערכתלוקח ערך מקסימלי. בעקבות זאת החוק השני של התרמודינמיקהלעתים קרובות להתקשר חוק האנטרופיה הגוברת , ואת עצמה אנטרופיה (אֵיך כמות פיסיתאו כמושג פיזי) שוקלים כמדד להפרעה הפנימית של מערכת פיזיקוכימית .

במילים אחרות, אנטרופיה – פונקציית מצבאפיון הכיוון של תהליכים ספונטניים בסגור מערכת תרמודינמית. במצב של שיווי משקל, האנטרופיה של מערכת סגורה מגיעה למקסימום ולא יתכנו תהליכים מקרוסקופיים במערכת כזו. אנטרופיה מקסימלית מתאימה לכאוס מוחלט .

לרוב, המעבר של מערכת ממצב אחד לאחר מאופיין לא בערך המוחלט של אנטרופיה ס , והשינוי שלו ∆ ס , השווה ליחס בין השינוי בכמות החום (המועבר למערכת או הוצא ממנה) לטמפרטורה המוחלטת של המערכת: ∆ S= ∆Q/T J/deg. זה מה שנקרא אנטרופיה תרמודינמית .

בנוסף, יש לאנטרופיה משמעות סטטיסטית. במעבר ממצב מאקרו אחד למשנהו, האנטרופיה הסטטיסטית עולה גם היא, שכן מעבר כזה מלווה תמיד במספר רב של מיקרו-מצבים, ומצב שיווי המשקל (אליו נוטה המערכת) מאופיין במספר המקסימלי של מיקרו-מצבים.

בהקשר למושג האנטרופיה בתרמודינמיקה, מושג הזמן מקבל משמעות חדשה. במכניקה הקלאסית, כיוון הזמן אינו נלקח בחשבון וניתן לקבוע את מצבה של מערכת מכנית הן בעבר והן בעתיד. בתרמודינמיקה הזמן מופיע בצורה של תהליך בלתי הפיך של הגדלת האנטרופיה במערכת.כלומר, ככל שהאנטרופיה גדולה יותר, פרק הזמן שהמערכת עברה בהתפתחותה ארוכה יותר.

חוץ מזה, להבין את המשמעות הפיזית של אנטרופיהיש לזכור זאת בטבע יש ארבע מחלקות של מערכות תרמודינמיות :

א) מערכות מבודדות או סגורות(במהלך המעבר של מערכות כאלה ממצב אחד לאחר, אין העברת אנרגיה, חומר ומידע על פני גבולות המערכת);

ב) מערכות אדיאבטיות(אין רק חילופי חום עם הסביבה);

V) מערכות סגורות(להחליף אנרגיה, אבל לא חומר, עם מערכות שכנות) (לדוגמה, חללית);

ז) מערכות פתוחות(החלפת חומר, אנרגיה ומידע עם הסביבה). במערכות אלו, עקב הגעת אנרגיה מבחוץ, יכולים להיווצר מבנים מתפזרים בעלי אנטרופיה נמוכה בהרבה.

עבור מערכות פתוחות, האנטרופיה פוחתת. האחרון נוגע בעיקר מערכות ביולוגיותכלומר, אורגניזמים חיים, שהן מערכות פתוחות ללא שיווי משקל. מערכות כאלה מאופיינות בשיפועי ריכוז חומרים כימיים, טמפרטורה, לחץ וכמויות פיסיקליות וכימיות אחרות. השימוש במושגים של תרמודינמיקה מודרנית, כלומר ללא שיווי משקל, מאפשר לתאר התנהגות של מערכות פתוחות, כלומר מערכות אמיתיות. מערכות כאלה תמיד מחליפות אנרגיה, חומר ומידע עם הסביבה שלהן. יתרה מכך, תהליכים מטבוליים כאלה אופייניים לא רק למערכות פיזיות או ביולוגיות, אלא גם למערכות חברתיות-כלכליות, תרבותיות, היסטוריות והומניטריות, שכן התהליכים המתרחשים בהן הם, ככלל, בלתי הפיכים.

החוק השלישי של התרמודינמיקה (החוק השלישי של התרמודינמיקה) קשור למושג "אפס מוחלט". משמעות פיזיתחוק זה, המוצג במשפט התרמי של וו.נרנסט (פיזיקאי גרמני), מורכב מחוסר האפשרות הבסיסית להגיע לאפס המוחלט (-273.16ºС), שבו התנועה התרמית הטרנסלית של מולקולות צריכה להיפסק, והאנטרופיה תפסיק להיות תלויה את הפרמטרים מצבו הפיזימערכות (בפרט, משינויים באנרגיה תרמית). משפט נרנסט חל רק על מצבי שיווי משקל תרמודינמיים של מערכות.

במילים אחרות, ניתן לתת למשפט של נרנסט את הניסוח הבא: כאשר מתקרבים לאפס המוחלט, תוספת האנטרופיה∆ס נוטה לגבול סופי מוגדר היטב, ללא תלות בערכים הנלקחים על ידי כל הפרמטרים המאפיינים את מצב המערכת(לדוגמה, נפח, לחץ, מצב צבירהוכו.).

הבן את מהות המשפט של נרנסטאפשרי ב הדוגמה הבאה. ככל שטמפרטורת הגז יורדת, יתרחש העיבוי שלו והאנטרופיה של המערכת תרד, שכן המולקולות ממוקמות בצורה מסודרת יותר. עם ירידה נוספת בטמפרטורה, תתרחש התגבשות של הנוזל, מלווה בסדר גדול יותר בסידור המולקולות, וכתוצאה מכך, ירידה גדולה עוד יותר באנטרופיה. בטמפרטורת האפס המוחלטת, כל התנועה התרמית נפסקת, אי-סדר נעלם, מספר המיקרו-מצבים האפשריים יורד לאחד, והאנטרופיה מתקרבת לאפס.

4. מושג הארגון העצמי. ארגון עצמי במערכות פתוחות.

קונספט " סינרגטיות" הוצע בשנת 1973 על ידי הפיזיקאי הגרמני הרמן האקן לציין כיוון, שקוראים לו מחקר חוקים כללייםארגון עצמי – תופעת הפעולה המתואמת של אלמנטים של מערכת מורכבת ללא פעולת בקרה חיצונית. סינרגטיות (תורגם מיוונית - משותף, מתואם, מנחה) - כיוון מדעי לומד קשרים בין מרכיבי מבנה(תתי מערכות), אשר נוצרים במערכות פתוחות (ביולוגי, פיסיקו-כימי, גיאולוגי-גיאוגרפי וכו') הודות לאינטנסיבי(נְהִירָה) החלפת חומר, אנרגיה ומידע עם הסביבה בתנאים לא שיווי משקל. במערכות כאלה נצפית התנהגות מתואמת של תת-מערכות, וכתוצאה מכך מידת הסדר עולה (האנטרופיה יורדת), כלומר מתפתח תהליך הארגון העצמי.

שִׁוּוּי מִשׁקָליש מצב של שלום וסימטריה, א אָסִימֵטְרִיָהמוביל לתנועה ולמצב אי שיווי משקל .

תרומה משמעותית לתיאוריית הארגון העצמי של מערכותתרם על ידי פיזיקאי בלגי ממוצא רוסי I.R. פריגוג'ין (1917-2003). הוא הראה את זה ב מערכות פיזור (מערכות שבהן מתרחשת פיזור אנטרופיה) במהלך תהליכים בלתי הפיכים של חוסר שיווי משקל, נוצרות תצורות מסודרות, אותן כינה מבנים מתפזרים.

ארגון עצמי- זה תהליך ההופעה הספונטנית של סדר וארגון מתוך אי סדר(אי סדר) במערכות פתוחות ללא שיווי משקל.סטיות אקראיות של פרמטרי מערכת משיווי משקל ( תנודות) תפקיד חשוב מאוד בתפקוד ובקיומה של המערכת. עקב גידול של תנודות כאשר סופגים אנרגיה מ סביבה מערכת מגיע לחלק מצב קריטי ו עובר למצב יציב חדשעם יותר רמה גבוההקשיים ו להזמין לעומת הקודם. המערכת, המתארגנת בעצמה במצב נייח חדש, מפחיתה את האנטרופיה שלה, היא, כביכול, "משליכה" את העודף שלה, שגדל עקב תהליכים פנימיים, אל הסביבה.

יוצאים מהכאוס מבנה מסודר (מושך , או מבנה מתפזר) הוא תוצאה של תחרותקבוצות של כל המצבים האפשריים המוטמעים במערכת. כתוצאה מתחרות, יש בחירה ספונטנית של המבנה המתאים ביותר בתנאים הנוכחיים.

סינרגטיקה מבוססתעל התרמודינמיקה של תהליכים ללא שיווי משקל, תורת התהליכים האקראיים, תורת התנודות והגלים הלא ליניאריים.

סינרגטיקה בוחנת את הופעתן והתפתחותן של מערכות. לְהַבחִין שלושה סוגי מערכות: 1) סָגוּר, שאינם מחליפים חומר, אנרגיה או מידע עם מערכות שכנות (או עם הסביבה); 2) סָגוּר שמחליפות אנרגיה, אבל לא חומר, עם מערכות שכנות (למשל, חללית); 3) לִפְתוֹחַ, המחליפים גם חומר וגם אנרגיה עם מערכות שכנות. כמעט כל המערכות הטבעיות (אקולוגיות) הן מהסוג הפתוח.

קיום מערכותבלתי מתקבל על הדעת ללא קשרים. האחרונים מחולקים לישירים והפוכים. יָשָׁר הם קוראים לזה חיבור , שבו אלמנט אחד ( א) פועל על אחר ( IN) ללא תגובה. בְּ מָשׁוֹב אֵלֵמֶנט INמגיב לפעולת האלמנט א.משוב יכול להיות חיובי או שלילי.

משוב חיובימוביל להעצמה של התהליך בכיוון אחד. דוגמה לפעולתו היא ריבוי מים של אזור (לדוגמה, לאחר כריתת יערות). תהליךמתחיל פעולה V כיוון אחד: לחות מוגברת - דלדול חמצן - פירוק איטי יותר של שאריות צמחים - הצטברות כבול - עוד יותר ריבוי מים.

משוב משוב שליליפועל בצורה כזו שבתגובה לפעולה מוגברת של האלמנט אכוח הכיוון ההפוך של האלמנט גדל ב.חיבור זה מאפשר למערכת להישאר במצב שיווי משקל דינמי יציב. זה הנפוץ ביותר ו השקפה חשובהקשרים במערכות טבעיות. הם בעיקר הבסיס לקיימות וליציבות של מערכות אקולוגיות.

נכס חשובמערכותהוא הִתהַוּוּת (תורגם מאנגלית - הופעה, הופעה של משהו חדש). תכונה זו נעוצה בעובדה שתכונות המערכת בכללותה אינן סכום פשוט של המאפיינים של חלקיה או האלמנטים המרכיבים אותה, אך יחסי הגומלין בין הקישורים השונים של המערכת קובעים את איכותה החדשה.

הגישה הסינרגטית לבחינת מערכות מבוססת על שלושה מושגים: חוסר שיווי משקל, פתיחות ו חוסר ליניאריות .

חוסר שיווי משקל(חוסר יציבות) – מצב המערכת, שבו מתרחש שינוי בפרמטרים המקרוסקופיים שלו, כלומר הרכב, מבנה, התנהגות.

פתיחות -יכולת מערכתמחליפים כל הזמן חומר, אנרגיה, מידע עם הסביבה ויש להם גם "מקורות" - אזורים של חידוש אנרגיה מהסביבה, ואזורי פיזור, "שקוע".

חוסר לינאריות -רכוש המערכתלהישאר אחרת מצבים נייחים, המתאימים לחוקי התנהגות שונים קבילים של מערכת זו.

IN מערכות לא ליניאריות הפיתוח מתקדם על פי חוקים לא ליניאריים, מה שמוביל לבחירה רב-משתנית של נתיבים וחלופות ליציאה ממצב אי היציבות. IN מערכות לא ליניאריות תהליכים יכולים ללבוש אופי סף חדכאשר, עם שינוי הדרגתי בתנאים החיצוניים, נצפה מעבר פתאומי לאיכות אחרת. במקביל, מבנים ישנים נהרסים, עוברים למבנים חדשים מבחינה איכותית.

ישנם מספר ניסוחים של החוק השני של התרמודינמיקה, שניים מהם מובאים להלן:

· חום לא יכול לעבור בעצמו מגוף עם טמפרטורה נמוכה יותר לגוף עם טמפרטורה גבוהה יותר(ניסוח מאת ר' קלאוזיוס);

· מכונת תנועה מתמדת מהסוג השני היא בלתי אפשרית, כלומר תהליך תקופתי שכזה, שתוצאתו היחידה תהיה המרת חום לעבודה עקב התקררות גוף אחד (ניסוח תומסון).

החוק השני של התרמודינמיקה מציין את אי השוויון בין שתי צורות של העברת אנרגיה - עבודה וחום. חוק זה לוקח בחשבון את העובדה שתהליך המעבר של אנרגיית התנועה המסודרת של הגוף בכללותו (אנרגיה מכנית) לאנרגיה של תנועה לא מסודרת של חלקיקיו (אנרגיה תרמית) הוא בלתי הפיך. לדוגמה, אנרגיה מכנית במהלך החיכוך מומרת לחום ללא תהליכים נוספים. המעבר של האנרגיה של תנועת חלקיקים מופרעת (אנרגיה פנימית) לעבודה אפשרי רק אם הוא מלווה בתהליך נוסף כלשהו. כך, מנוע חום הפועל במחזור ישיר מייצר עבודה רק בשל החום המסופק מהמחמם, אך במקביל חלק מהחום המתקבל מועבר למקרר.

אנטרופיה.בנוסף לאנרגיה פנימית U, שהיא פונקציה ייחודית של פרמטרי המצב של המערכת; פונקציות מצב אחרות נמצאות בשימוש נרחב בתרמודינמיקה ( אנרגיה חופשית, אנטלפיהו אנטרופיה).

מוּשָׂג אנטרופיההוצג בשנת 1865 על ידי רודולף קלאוזיוס. המילה הזו באה מיוונית. אנטרופיהופירושו מילולי לפנות, טרנספורמציה.בתרמודינמיקה, מונח זה משמש לתיאור טרנספורמציות סוגים שוניםאנרגיה (מכנית, חשמלית, קלה, כימית) לתרמית, כלומר לתנועה אקראית וכאוטית של מולקולות. אי אפשר לאסוף את האנרגיה הזו ולהפוך אותה חזרה למין שממנו היא הושגה.

לשם קביעה מדדים של פיזור בלתי הפיךאוֹ בִּזבּוּזאנרגיה והמושג הזה הוצג. אנטרופיה סהיא פונקציה של המדינה. זה בולט בין פונקציות תרמודינמיות אחרות בכך שיש לו סטָטִיסטִי, כלומר, אופי הסתברותי.

אם תהליך הכולל קבלה או שחרור של חום מתרחש במערכת תרמודינמית, זה מוביל לטרנספורמציה של האנטרופיה של המערכת, שיכולה לגדול או לרדת. במהלך מחזור בלתי הפיך, האנטרופיה של מערכת מבודדת עולה

dS> 0. (3.4)

המשמעות היא שפיזור אנרגיה בלתי הפיך מתרחש במערכת.

אם מתרחש תהליך הפיך במערכת סגורה, האנטרופיה נשארת ללא שינוי

dS= 0. (3.5)

השינוי באנטרופיה של מערכת מבודדת שאליה מוענקת כמות אינסופית של חום נקבע על ידי היחס:

. (3.6)

קשר זה תקף לתהליך הפיך. עבור תהליך בלתי הפיך המתרחש במערכת סגורה, יש לנו:

dS> .

במערכת פתוחה, האנטרופיה תמיד עולה. פונקציית המדינה שהדיפרנציאל שלה נקראת חום מופחת.

לפיכך, בכל התהליכים המתרחשים במערכת סגורה, האנטרופיה עולה במהלך תהליכים בלתי הפיכים ונשארת ללא שינוי במהלך תהליכים הפיכים. כתוצאה מכך, ניתן לשלב נוסחאות (3.4) ו-(3.5) ולהציג אותן בצורה

dS ³ 0.

זֶה סטָטִיסטִיניסוח החוק השני של התרמודינמיקה.

אם המערכת מבצעת מעבר שיווי משקל ממצב 1 למצב 2, אז לפי משוואה (3.6) , שינוי אנטרופיה

ד ס 1- 2 = ס 2 – ס 1 = .

לא האנטרופיה עצמה יש לה משמעות פיזיקלית, אלא ההבדל בין האנטרופיות.

בואו נמצא את השינוי באנטרופיה בתהליכי גז אידיאליים. בגלל ה:

; ;

,

אוֹ: . (3.7)

זה מראה שהשינוי באנטרופיה של גז אידיאלי במהלך המעבר ממצב 1 למצב 2 אינו תלוי בסוג תהליך המעבר 1® 2.

מנוסחה (3.7) עולה כי מתי איזותרמיתתהליך ( T 1 = T 2):

.

בְּ איזוכוריתתהליך, השינוי באנטרופיה שווה ל

.

מאז לעיבוד אדיאבטי ש= 0, ואז uD ס= 0, לכן, תהליך אדיאבטי הפיך מתרחש באנטרופיה קבועה. בגלל זה קוראים לו תהליך איזנטרופי.

לאנטרופיה של מערכת יש תכונה של תוספתיות, כלומר האנטרופיה של המערכת שווה לסכום האנטרופיות של כל הגופים הנכללים במערכת.

המשמעות של אנטרופיה מתבהרת אם אנו מערבים פיזיקה סטטיסטית. בו, אנטרופיה קשורה עם הסתברות תרמודינמית של מצב המערכת. ההסתברות התרמודינמית W של מצב המערכת שווה למספר כל התפלגות המיקרו האפשריות של חלקיקים לאורך קואורדינטות ומהירויות, מה שקובע מצב מאקרו נתון: Walways³ 1, כלומר הסתברות תרמודינמית אינה הסתברות במובן המתמטי.

ל' בולצמן (1872) הראה שהאנטרופיה של מערכת שווה למכפלת הקבוע של בולצמן קלפי הלוגריתם של ההסתברות התרמודינמית W של מצב נתון

כתוצאה מכך, ניתן לתת לאנטרופיה את הפרשנות הסטטיסטית הבאה: אנטרופיה היא מדד לאי-סדר של מערכת. מנוסחה (3.8) ברור: מאשר מספר גדול יותרמצבי מיקרו המיישמים מצב מאקרו נתון, ככל שהאנטרופיה גדולה יותר. המצב הסביר ביותר של המערכת הוא מצב שיווי משקל. מספר המיקרו-מצבים הוא מקסימלי, לכן האנטרופיה היא מקסימלית.

מכיוון שכל התהליכים האמיתיים הם בלתי הפיכים, ניתן לטעון כך כל התהליכים במערכת סגורה מובילים לעלייה באנטרופיה - עקרון הגברת האנטרופיה.

בְּ פרשנות סטטיסטיתאנטרופיה, זה אומר שתהליכים במערכת סגורה נעים בכיוון ממצבים פחות סבירים למצבים סבירים יותר עד שההסתברות למצבים הופכת למקסימלית.

בואו נסביר עם דוגמה. בואו נדמיין כלי המחולק על ידי מחיצה לשני חלקים שווים או ב. בחלק איש גז, ובפנים ב- ואקום. אם אתה עושה חור במחיצה, הגז יתחיל מיד להתרחב "מעצמו" ולאחר זמן מה יתפזר באופן שווה בכל נפח הכלי, וזה ככל הנראהמצב המערכת. הכי פחות סבירתהיה מדינה מתי רובמולקולות גז ממלאות לפתע באופן ספונטני את אחד מחצאי הכלי. אתה יכול לחכות לתופעה הזו כמה שתרצה, אבל הגז עצמו לא יתחבר מחדש לחלקים. א. כדי לעשות זאת, אתה צריך לעשות קצת עבודה על הגז: למשל, להזיז את הקיר הימני של חלק כמו בוכנה ב. לפיכך, כל מערכת פיזיקלית נוטה לעבור ממצב פחות סביר למצב סביר יותר. מצב שיווי המשקל של המערכת סביר יותר.

באמצעות מושג האנטרופיה ואי השוויון של ר' קלאוזיוס, החוק השני של התרמודינמיקהניתן לנסח כחוק הגברת האנטרופיה של מערכת סגורה במהלך תהליכים בלתי הפיכים:

כל תהליך בלתי הפיך במערכת סגורה מתרחש בצורה כזו שהמערכת נוטה יותר להיכנס למצב עם אנטרופיה גבוהה יותר, להגיע למקסימום במצב של שיווי משקל. אחרת:

בתהליכים המתרחשים במערכות סגורות, האנטרופיה אינה יורדת.

צריך לציין ש אנחנו מדברים עלרק על מערכות סגורות.

אז החוק השני של התרמודינמיקה הוא חוק סטטיסטי. הוא מבטא את הדפוסים ההכרחיים של תנועה כאוטית מספר גדולחלקיקים שהם חלק ממערכת מבודדת. עם זאת, שיטות סטטיסטיות ישימות רק במקרה של מספר עצום של חלקיקים במערכת. עבור מספר קטן של חלקיקים (5-10) גישה זו אינה ישימה. במקרה זה, ההסתברות שכל החלקיקים יהיו בחצי אחד מהנפח כבר לא אפס, או במילים אחרות, אירוע כזה יכול להתרחש.

מותו בחום של היקום. ר' קלאוזיוס, שראה את היקום כמערכת סגורה, והחיל עליו את החוק השני של התרמודינמיקה, צמצם הכל לאמירה שהאנטרופיה של היקום חייבת להגיע למקסימום. המשמעות היא שכל צורות התנועה חייבות להפוך לתנועה תרמית, וכתוצאה מכך הטמפרטורה של כל הגופים ביקום תהפוך לשווה עם הזמן, יתרחש שיווי משקל תרמי מוחלט וכל התהליכים פשוט ייפסקו: המוות התרמי של יקום יתרחש.

משוואה בסיסית של תרמודינמיקה . משוואה זו משלבת את הנוסחאות של החוק הראשון והשני של התרמודינמיקה:

ד ש = dU + p dV, (3.9)

הבה נחליף את המשוואה (3.9), המבטאת את החוק השני של התרמודינמיקה, בשוויון (3.10):

.

זה מה שזה המשוואה הבסיסית של התרמודינמיקה.

לסיכום, נציין שוב שאם החוק הראשון של התרמודינמיקה מכיל את מאזן האנרגיה של התהליך, אז החוק השני מראה את הכיוון האפשרי שלו.

החוק השלישי של התרמודינמיקה

חוק נוסף של התרמודינמיקה נקבע בתהליך של חקר שינויים באנטרופיה תגובה כימיתבשנת 1906 מאת V. Nernstom. זה נקרא משפט נרנסט או החוק השלישי של התרמודינמיקהוהוא קשור להתנהגות קיבולת החום של חומרים בטמפרטורות אפס מוחלטות.

משפט נרנסטקובע שכאשר מתקרבים לאפס המוחלט, האנטרופיה של המערכת שואפת גם היא לאפס, ללא קשר לערכים של כל שאר הפרמטרים של מצב המערכת:

.

מאז האנטרופיה , והטמפרטורה טשואף לאפס, גם קיבולת החום של החומר חייבת לשאוף לאפס, ומהר יותר ט. זה מרמז חוסר השגה של טמפרטורת אפס מוחלטתעם רצף סופי של תהליכים תרמודינמיים, כלומר, מספר סופי של פעולות - מחזורי הפעלה של מכונת הקירור (הניסוח השני של החוק השלישי של התרמודינמיקה).

גזים אמיתיים

משוואת ואן דר ואלס

שינויים במצב הגזים הנדירים במידה מספקת טמפרטורה גבוההו לחצים נמוכיםמתואר על ידי חוקי הגז האידיאליים. עם זאת, ככל שהלחץ עולה והטמפרטורה של גז אמיתי יורדת, נצפות סטיות משמעותיות מחוקים אלו, עקב הבדלים משמעותיים בין התנהגות גזים אמיתיים להתנהגות המיוחסת לחלקיקים של גז אידיאלי.

משוואת המצב של גזים אמיתיים חייבת לקחת בחשבון:

· ערך סופי של נפח המולקולות עצמו;

· משיכה הדדיתמולקולות זו לזו.

לשם כך הציע ג'יי ואן דר ואלס לכלול במשוואת המצב לא את נפח הכלי, כמו במשוואת קלפיירון-מנדלייב ( pV = RT), והנפח של שומה גז שאינה תפוסה על ידי מולקולות, כלומר הערך ( V M - ב), איפה V m - נפח טוחנת. כדי לקחת בחשבון את כוחות המשיכה בין מולקולות, J. Van der Waals הציג תיקון ללחץ הכלול במשוואת המצב.

על ידי הכנסת תיקונים הקשורים להתחשבות בנפח הפנימי של מולקולות (כוחות דחייה) וכוחות משיכה לתוך משוואת קלפיירון-מנדלייב, אנו מקבלים משוואת המצב של שומה של גז אמיתיכפי ש:

.

זֶה משוואת ואן דר ואלס, שבו הקבועים או ביש משמעות שונהלגזים שונים.

עבודת מעבדה

§6 אנטרופיה

בדרך כלל, כל תהליך שבו מערכת עוברת ממצב אחד לאחר מתנהל בצורה כזו שאי אפשר לבצע תהליך זה בכיוון ההפוך כך שהמערכת עוברת דרך אותם מצבי ביניים מבלי שיתרחשו שינויים בגופים הסובבים אותו. . זאת בשל העובדה שבתהליך חלק מהאנרגיה מתפזר, למשל, עקב חיכוך, קרינה וכו'. כמעט כל התהליכים בטבע הם בלתי הפיכים. בכל תהליך, אנרגיה מסוימת אובדת. כדי לאפיין פיזור אנרגיה, מוצג המושג אנטרופיה. ( ערך האנטרופיה מאפייןהמצב התרמי של המערכת וקובע את ההסתברות ליישום של מצב נתון של הגוף. ככל שמצב נתון סביר יותר, כך האנטרופיה גדולה יותר.) הכל תהליכים טבעייםמלווה בעלייה באנטרופיה. האנטרופיה נשארת קבועה רק במקרה של תהליך הפיך אידיאלי המתרחש במערכת סגורה, כלומר במערכת שבה אין חילופי אנרגיה עם גופים חיצוניים למערכת זו.

אנטרופיה והמשמעות התרמודינמית שלה:

אנטרופיה- זוהי פונקציה של מצב המערכת, שהשינוי האינפיניטסימלי שלה בתהליך הפיך שווה ליחס בין כמות החום האינסופית המוכנסת בתהליך זה לבין הטמפרטורה שבה הוא הוכנס.

בתהליך הפיך סופי, ניתן לחשב את השינוי באנטרופיה באמצעות הנוסחה:

כאשר האינטגרל נלקח מהמצב ההתחלתי 1 של המערכת למצב הסופי 2.

מכיוון שאנטרופיה היא פונקציה של מצב, אז תכונת האינטגרלהיא עצמאותו מצורת קו המתאר (הנתיב) שלאורכו הוא מחושב; לכן, האינטגרל נקבע רק על ידי המצב ההתחלתי והסופי של המערכת.

• בכל תהליך הפיך, השינוי באנטרופיה הוא 0

(1)

• בתרמודינמיקה זה מוכחסמערכת העוברת מחזור בלתי הפיך עולה

Δ ס> 0 (2)

ביטויים (1) ו-(2) מתייחסים רק למערכות סגורות, אך אם המערכת מחליפה חום עם סביבה חיצונית, ואז היאסיכול להתנהג בכל דרך.

יחסים (1) ו-(2) יכולים להיות מיוצגים כאי השוויון של קלאוזיוס

ΔS ≥ 0

הָהֵן. האנטרופיה של מערכת סגורה יכולה לגדול (במקרה של תהליכים בלתי הפיכים) או להישאר קבועה (במקרה של תהליכים הפיכים).

אם המערכת מבצעת מעבר שיווי משקל ממצב 1 למצב 2, אז האנטרופיה משתנה

איפה dUו δAנכתב עבור תהליך ספציפי. לפי נוסחה זו Δסנקבע עד קבוע תוסף. לא האנטרופיה עצמה יש לה משמעות פיזיקלית, אלא ההבדל באנטרופיות. בואו נמצא את השינוי באנטרופיה בתהליכי גז אידיאליים.

הָהֵן. שינויים באנטרופיהס Δ ס 1→2 של גז אידיאלי במהלך המעבר שלו ממצב 1 למצב 2 אינו תלוי בסוג התהליך.

כי לתהליך אדיאבטי δש = 0, ואז Δ ס= 0 => ס= קונסט כלומר, תהליך הפיך אדיאבטי מתרחש באנטרופיה קבועה. לכן זה נקרא איזנטרופי.

בתהליך איזותרמי (ט= const; ט 1 = ט 2 : )

בתהליך איזוכורי (V= const; V 1 = V 2 ; )

לאנטרופיה יש תכונה של תוספתיות: האנטרופיה של מערכת שווה לסכום האנטרופיות של הגופים הכלולים במערכת.ס = ס 1 + ס 2 + ס 3 + ... ההבדל האיכותי בין התנועה התרמית של מולקולות לבין צורות תנועה אחרות הוא האקראיות והאי-סדר שלה. לכן, כדי לאפיין תנועה תרמית, יש צורך להציג מדד כמותי של מידת ההפרעה המולקולרית. אם ניקח בחשבון כל מצב מקרוסקופי נתון של גוף עם ערכים ממוצעים מסוימים של פרמטרים, אז זה משהו אחר מאשר שינוי מתמשך של מיקרו-מצבים קרובים הנבדלים זה מזה בהתפלגות המולקולות ב חלקים שוניםנפח ואנרגיה המופצים בין מולקולות. מספר המצבים המיקרוסקופיים המשתנים ללא הרף מאפיין את מידת ההפרעה במצב המקרוסקופי של המערכת כולה,wנקרא ההסתברות התרמודינמית של מיקרו-מצב נתון. הסתברות תרמודינמיתwמצב של מערכת הוא מספר הדרכים שבהן ניתן לממש מצב נתון של מערכת מקרוסקופית, או מספר המצבים המיקרוסקופיים המיישמים מיקרו-מצב נתון (w≥ 1, ו הסתברות מתמטית ≤ 1 ).

כמדד להפתעה של אירוע, הוסכם לקחת את הלוגריתם של ההסתברות שלו, שנלקח עם סימן מינוס: הפתעת המצב שווה ל-=-

לפי בולצמן, אנטרופיהסמערכות והסתברות תרמודינמית קשורות זו לזו כדלקמן:

איפה - קבוע בולצמן (). לפיכך, האנטרופיה נקבעת לפי הלוגריתם של מספר המצבים שבעזרתם ניתן לממש מיקרו-מצב נתון. ניתן להתייחס לאנטרופיה כמדד להסתברות למצב של מערכת ה-t/d. הנוסחה של בולצמן מאפשרת לנו לתת לאנטרופיה את הפירוש הסטטיסטי הבא. אנטרופיה היא מדד לאי-סדר של מערכת. למעשה, ככל שמספר המיקרו-מצבים גדול יותר המממשים מיקרו-מצב נתון, כך האנטרופיה גדולה יותר. במצב שיווי המשקל של המערכת - המצב הסביר ביותר של המערכת - מספר המיקרו-מצבים הוא מקסימלי, וגם האנטרופיה היא מקסימלית.

כי תהליכים אמיתיים הם בלתי הפיכים, אז ניתן לטעון שכל התהליכים במערכת סגורה מובילים לעלייה באנטרופיה שלה - עקרון הגדלת האנטרופיה. בפירוש הסטטיסטי של האנטרופיה, המשמעות היא שתהליכים במערכת סגורה ממשיכים בכיוון של הגדלת מספר המיקרו-מצבים, במילים אחרות, ממצבים פחות סבירים למצבים סבירים יותר, עד שהסתברות המצב הופכת למקסימלית.

§7 החוק השני של התרמודינמיקה

החוק הראשון של התרמודינמיקה, המבטא את חוק שימור האנרגיה ושינוי האנרגיה, אינו מאפשר לנו לקבוע את כיוון הזרימה של תהליכי t/d. בנוסף, ניתן לדמיין תהליכים רבים שאינם סותריםאנילתחילת t/d, שבו האנרגיה נשמרת, אבל בטבע הם לא מתממשים. ניסוחים אפשריים של ההתחלה השנייה t/d:

1) חוק הגדלת האנטרופיה של מערכת סגורה במהלך תהליכים בלתי הפיכים: כל תהליך בלתי הפיך במערכת סגורה מתרחש באופן שהאנטרופיה של המערכת גדלה Δס≥ 0 (תהליך בלתי הפיך) 2) Δס≥ 0 (ס= 0 עבור הפיך ו-Δס≥ 0 עבור תהליך בלתי הפיך)

בתהליכים המתרחשים במערכת סגורה, האנטרופיה אינה יורדת.

2) מהנוסחה של בולצמן S = , לכן, עלייה באנטרופיה פירושה מעבר של המערכת ממצב פחות סביר למצב סביר יותר.

3) לפי קלווין: לא אפשרי תהליך מעגלי, שהתוצאה היחידה שלו היא הפיכת החום המתקבל מהמחמם לעבודה שווה ערך לו.

4) לפי קלאוזיוס: לא אפשרי תהליך מעגלי, שהתוצאה היחידה שלו היא העברת חום מגוף פחות מחומם לגוף יותר מחומם.

לתיאור מערכות t/d ב-0 K, נעשה שימוש במשפט Nernst-Planck (החוק השלישי של t/d): האנטרופיה של כל הגופים במצב של שיווי משקל שואפת לאפס כשהטמפרטורה מתקרבת ל-0 K

מתוך המשפט נרנסט-פלנק נובע מכךג p = ג v = 0 ב-0 ל

§8 מכונות חום וקירור.

מחזור קרנו ויעילותו

מניסוח החוק השני של t/d לפי קלווין עולה שמכונת תנועה מתמדת מהסוג השני היא בלתי אפשרית. (מכונת תנועה מתמדת היא מנוע הפועל מעת לעת המבצע עבודה על ידי קירור מקור חום אחד.)

תֶרמוֹסטָטהיא מערכת t/d שיכולה להחליף חום עם גופים מבלי לשנות טמפרטורה.

עקרון הפעולה של מנוע חום: מתרמוסטט עם טמפרטורה ט 1 - מחמם, כמות החום מוסרת בכל מחזורש 1 , ואת התרמוסטט עם הטמפרטורה ט 2 (ט 2 < ט 1) - למקרר מועברת כמות החום בכל מחזורש 2 , תוך כדי העבודה א = ש 1 - ש 2

תהליך או מחזור מעגליהוא תהליך שבו מערכת, לאחר שעברה סדרה של מצבים, חוזרת למצבה המקורי. בתרשים מצב, מחזור מתואר כעקומה סגורה. המחזור בוצע גז אידיאלי, ניתן לחלק לתהליכי התפשטות (1-2) ודחיסה (2-1), עבודת ההרחבה היא חיובית א 1-2 > 0, כיV 2 > V 1 , עבודת הדחיסה שלילית א 1-2 < 0, т.к. V 2 < V 1 . כתוצאה מכך, העבודה שעושה הגז למחזור נקבעת לפי השטח המכוסה על ידי העקומה הסגורה 1-2-1. אם מתבצעת עבודה חיובית במהלך מחזור (מחזור כיוון השעון), אז המחזור נקרא קדימה, אם זה מחזור הפוך (המחזור מתרחש נגד כיוון השעון).

מחזור ישירמשמש במנועי חום - מנועים הפועלים מעת לעת המבצעים עבודה באמצעות חום המתקבל מבחוץ. המחזור ההפוך משמש במכונות קירור - מתקנים הפועלים מעת לעת שבהם, עקב עבודת כוחות חיצוניים, מועבר חום לגוף עם טמפרטורה גבוהה יותר.

כתוצאה מהתהליך המעגלי, המערכת חוזרת למצבה המקורי ולפיכך, השינוי הכולל באנרגיה הפנימית הוא אפס. לאחר מכןІ התחל t/d עבור תהליך מעגלי

ש= Δ U+ א= א,

כלומר, העבודה שנעשתה למחזור שווה לכמות החום המתקבלת מבחוץ, אבל

ש= ש 1 - ש 2

ש 1 - כמות חום המתקבל על ידי המערכת,

ש 2 - כמות חום הניתן מהמערכת.

יעילות תרמיתעבור תהליך מעגלי שווה ליחס בין העבודה שנעשתה על ידי המערכת לכמות החום המסופק למערכת:

עבור η = 1, התנאי חייב להתקייםש 2 = 0, כלומר למנוע חום חייב להיות מקור חום אחדש 1 , אבל זה סותר את החוק השני של ת/ד.

התהליך ההפוך המתרחש במנוע חום משמש במכונת קירור.

מהטרמוסטט עם טמפרטורה ט 2 נלקחת כמות החוםש 2 והוא מועבר לתרמוסטט עם טמפרטורהט 1 , כמות חוםש 1 .

ש= ש 2 - ש 1 < 0, следовательно א< 0.

בלי לעשות עבודה, אי אפשר לקחת חום מגוף פחות מחומם ולתת אותו לגוף יותר מחומם.

בהתבסס על החוק השני של t/d, קרנו גזר משפט.

משפט קרנו: מכל מנועי החום הפועלים מעת לעת בעלי אותן טמפרטורות מחמם ( ט 1) ומקררים ( ט 2), היעילות הגבוהה ביותר. יש מכונות הפיכות. יְעִילוּת מכונות הפיכות עם שווה ט 1 ו ט 2 שווים ואינם תלויים באופי נוזל העבודה.

גוף עובד הוא גוף שמבצע תהליך מעגלי ומחליף אנרגיה עם גופים אחרים.

מחזור קרנו הוא מחזור הפיך, חסכוני ביותר, המורכב מ-2 איזותרמיות ו-2 אדיאבטים.

התפשטות איזותרמית 1-2 ב טחימום אחד; חום מסופק לגזש 1 והעבודה נעשית

2-3 - אדיאבאט. הרחבה, גז אכן עובדא 2-3 >0 מעל גופים חיצוניים.

3-4 דחיסה איזותרמית בשעה ט 2 מקררים; חום מוסרש 2 והעבודה נעשית;

דחיסה 4-1-אדיאבטית, העבודה מתבצעת על הגז 4-1 <0 внешними телами.

בתהליך איזותרמיU= const, אז ש 1 = א 12

1

במהלך התרחבות אדיאבטיתש 2-3 = 0, ועבודת גז א 23 מבוצע על ידי אנרגיה פנימית A 23 = - U

כמות חוםש 2 , הניתן מהגז למקרר במהלך דחיסה איזוטרמית שווה לעבודת הדחיסה א 3-4

2

עבודת דחיסה אדיאבטית

עבודה שנעשתה כתוצאה מתהליך מעגלי

א = א 12 + א 23 + א 34 + א 41 = ש 1 + א 23 - ש 2 - א 23 = ש 1 - ש 2

והוא שווה לשטח העקומה 1-2-3-4-1.

יעילות תרמית מחזור קרנו

מהמשוואה האדיאבטית לתהליכים 2-3 ו-3-4 נקבל

לאחר מכן

הָהֵן. יְעִילוּת מחזור קרנו נקבע רק על פי הטמפרטורות של המחמם והמקרר. כדי להגביר את היעילות צריך להגדיל את ההפרש ט 1 - ט 2 .

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

באיור משמאל:מחאה של שמרנים נוצרים נגד החוק השני של התרמודינמיקה. כתובות על הכרזות: המילה "אנטרופיה" מחוצה; "אני לא מקבל את העקרונות הבסיסיים של מדע והצבעה."

החוק השני של התרמודינמיקה ושאלות הבריאה

בתחילת שנות ה-2000 התכנסה קבוצה של שמרנים נוצרים על מדרגות הקפיטול (קנזס, ארה"ב) כדי לדרוש את ביטולו של עיקרון מדעי בסיסי - החוק השני של התרמודינמיקה (ראה תמונה משמאל). הסיבה לכך הייתה אמונתם שהחוק הפיזי הזה סותר את אמונתם בבורא, שכן הוא מנבא את המוות התרמי של היקום. הלוחמים אמרו שהם לא רוצים לחיות בעולם שמתקדם לעבר עתיד כזה וללמד את זה את ילדיהם. מי שמוביל את המערכה נגד החוק השני של התרמודינמיקה הוא לא אחר מאשר סנטור ממדינת קנזס, שמאמין שהחוק "מאיים על הבנת ילדינו את היקום כעולם שנוצר על ידי אלוהים מיטיב ואוהב".

זה פרדוקסלי, אבל באותה ארה"ב, תנועה נוצרית אחרת - בריאתנים, בראשות דואן גיש, נשיא המכון לחקר הבריאה - להיפך, לא רק רואים את החוק השני של התרמודינמיקה כמדעי, אלא גם פונים אליו בקנאות. להוכיח שהעולם נברא על ידי אלוהים. אחד הטיעונים העיקריים שלהם הוא שהחיים לא יכולים להתעורר באופן ספונטני, שכן כל מה שמסביב נוטה להרס ספונטני ולא ליצירה.

לאור סתירה כה בולטת בין שתי התנועות הנוצריות הללו, עולה שאלה הגיונית - מי מהן צודקת? והאם מישהו בכלל צודק?

במאמר זהנבחן היכן זה אפשרי והיכן אי אפשר ליישם את החוק השני של התרמודינמיקה וכיצד הוא מתייחס לסוגיות של אמונה בבורא.

מהו החוק השני של תרמודינמיקה

תֶרמוֹדִינָמִיקָההוא ענף בפיזיקה החוקר את היחסים והתמורות של חום וצורות אחרות של אנרגיה. הוא מבוסס על מספר עקרונות יסוד הנקראים עקרונות (לעיתים חוקים) של התרמודינמיקה. ביניהם, המפורסם ביותר הוא כנראה העיקרון השני.

אם נעשה סקירה קצרה של כל עקרונות התרמודינמיקה, אז בקצרה הם כדלקמן: התחלה ראשונהמייצג את חוק שימור האנרגיה כפי שמיושם על מערכות תרמודינמיות. המהות שלו היא שחום הוא צורה מיוחדת של אנרגיה ויש לקחת אותה בחשבון בחוק השימור וההתמרה של האנרגיה. התחלה שנייהמטיל הגבלות על כיוון התהליכים התרמודינמיים, ואוסר על העברה ספונטנית של חום מגופים פחות מחוממים לגופים מחוממים יותר. עוד עולה מכך שאי אפשר להמיר חום לעבודה ביעילות של מאה אחוז (ההפסדים לסביבה הם בלתי נמנעים). זה לא מאפשר ליצור מכונת תנועה מתמדת המבוססת על זה. התחלה שלישיתקובע שאי אפשר להביא את הטמפרטורה של כל גוף פיזי לאפס מוחלט בזמן סופי, כלומר, האפס המוחלט אינו ניתן להשגה. התחלה אפסית (או נפוצה).מכונה לעתים כעיקרון לפיו מערכת מבודדת, ללא קשר למצב ההתחלתי, מגיעה בסופו של דבר למצב של שיווי משקל תרמודינמי ואינה יכולה לעזוב אותו בעצמה. שיווי משקל תרמודינמי הוא מצב בו אין העברת חום מחלק אחד של המערכת לאחר. (ההגדרה של מערכת מבודדת ניתנת להלן.)

לחוק השני של התרמודינמיקה, בנוסף לזה שניתן לעיל, יש ניסוחים נוספים. כל הוויכוחים על הבריאה שהזכרנו סובבים סביב אחד מהם. ניסוח זה קשור למושג האנטרופיה, אותו נצטרך להכיר.

אנטרופיה(לפי הגדרה אחת) הוא אינדיקטור לאי-סדר, או כאוס, של מערכת. במילים פשוטות, ככל ששורר יותר כאוס במערכת, כך האנטרופיה שלה גבוהה יותר. עבור מערכות תרמודינמיות, ככל שהאנטרופיה גבוהה יותר, התנועה של חלקיקי החומר המרכיבים את המערכת כאוטית יותר (לדוגמה, מולקולות).

עם הזמן, מדענים הבינו שאנטרופיה היא מושג רחב יותר וניתן ליישם אותה לא רק על מערכות תרמודינמיות. באופן כללי, בכל מערכת יש מידה מסוימת של כאוס, שיכול להשתנות - להגדיל או להקטין. במקרה זה, ראוי לדבר על אנטרופיה. הנה כמה דוגמאות:

· כוס מים.אם מים קופאים והופכים לקרח, אז המולקולות שלהם מחוברות לסריג גביש. זה מתאים לסדר גדול יותר (פחות אנטרופיה) מהמצב שבו המים נמסו והמולקולות נעות באופן אקראי. עם זאת, לאחר שנמסו, המים עדיין שומרים על צורה כלשהי - הזכוכית שבה הם נמצאים. אם המים מתאדים, המולקולות נעות ביתר שאת ותופסות את כל הנפח המסופק להן, ונעות אפילו יותר בצורה כאוטית. לפיכך, האנטרופיה גדלה עוד יותר.

· מערכת השמש.אפשר גם לראות בו סדר וגם אי סדר. כוכבי הלכת נעים במסלוליהם בדיוק כזה שאסטרונומים יכולים לחזות את מיקומם בכל זמן נתון אלפי שנים מראש. עם זאת, ישנן מספר חגורות אסטרואידים במערכת השמש שנעות בצורה כאוטי יותר - הן מתנגשות, מתפרקות ולעיתים נופלות על כוכבי לכת אחרים. לדברי קוסמולוגים, בתחילה כל מערכת השמש (פרט לשמש עצמה) התמלאה באסטרואידים כאלה, שמהם נוצרו מאוחר יותר כוכבי לכת מוצקים, ואסטרואידים אלה נעו בצורה כאוטית עוד יותר מאשר עכשיו. אם זה נכון, אז האנטרופיה של מערכת השמש (למעט השמש עצמה) הייתה במקור גבוהה יותר.

· גָלַקסִיָה.הגלקסיה מורכבת מכוכבים הנעים סביב מרכזה. אבל גם כאן יש מידה מסוימת של אי סדר: כוכבים לפעמים מתנגשים, משנים את כיוון התנועה, ובשל השפעה הדדית מסלוליהם אינם אידיאליים, משתנים בצורה קצת כאוטי. אז במערכת זו האנטרופיה אינה אפס.

· חדר ילדים.אלה שיש להם ילדים קטנים לעתים קרובות צריכים לראות במו עיניהם את העלייה באנטרופיה. לאחר שעשו את הניקיון, הדירה בסדר יחסי. עם זאת, מספיקות כמה שעות (ולפעמים פחות) של ילד אחד או שניים השוהים שם במצב של ערות כדי שהאנטרופיה של הדירה הזו תגדל משמעותית...

אם הדוגמה האחרונה גרמה לך לחייך, אז סביר להניח שאתה מבין מהי אנטרופיה.

אם נחזור לחוק השני של התרמודינמיקה, הבה נזכור שכפי שאמרנו, יש לו ניסוח נוסף שקשור למושג האנטרופיה. זה נשמע כך: במערכת מבודדת, האנטרופיה לא יכולה לרדת. במילים אחרות, בכל מערכת מנותקת לחלוטין מהעולם הסובב, אי-סדר אינו יכול לרדת באופן ספונטני: הוא יכול רק לגדול או, במקרים קיצוניים, להישאר באותה רמה.

אם תשים קוביית קרח בחדר חם ונעול, היא תימס לאחר זמן מה. עם זאת, שלולית המים שתתקבל בחדר הזה לעולם לא תישבר בעצמה חזרה לקוביית קרח. פתחו שם בקבוק בושם והריח יתפשט בכל החדר. אבל שום דבר לא יגרום לזה לחזור לבקבוק. הדליקו שם נר והוא ישרף, אבל שום דבר לא יגרום לעשן לחזור לנר. כל התהליכים הללו מאופיינים בכיווניות ובאי-הפיך. הסיבה לבלתי הפיכות כזו של תהליכים המתרחשים לא רק בחדר הזה, אלא בכל היקום כולו טמונה בדיוק בחוק השני של התרמודינמיקה.

על מה חל החוק השני של תרמודינמיקה?

עם זאת, החוק הזה, על כל פשטותו הנראית לעין, הוא אחד החוקים הקשים ביותר ולעתים קרובות לא מובנים לא נכון של הפיזיקה הקלאסית. העובדה היא שבניסוח שלה יש מילה אחת שלעיתים ניתנת לה תשומת לב לא מספקת - זו המילה "מבודד". על פי החוק השני של התרמודינמיקה, אנטרופיה (כאוס) אינה יכולה לרדת רק במערכות מבודדות. זהו החוק. עם זאת, במערכות אחרות זה כבר לא חוק, והאנטרופיה בהן יכולה לגדול או לרדת.

מהי מערכת מבודדת? הבה נבחן אילו סוגי מערכות קיימים בדרך כלל מנקודת המבט של התרמודינמיקה:

· לִפְתוֹחַ.אלו מערכות שמחליפות חומר (ואולי אנרגיה) עם העולם החיצון. דוגמה: מכונית (צורכת בנזין, אוויר, מייצרת חום).

· סָגוּר.אלו מערכות שאינן מחליפות חומר עם העולם החיצון, אלא יכולות להחליף איתו אנרגיה. דוגמה: חללית (אטומה, אך סופגת אנרגיית שמש באמצעות פאנלים סולאריים).

· מבודד (סגור).אלו מערכות שאינן מחליפות לא חומר ולא אנרגיה עם העולם החיצון. דוגמה: תרמוס (אטום ושומר על חום).

כפי שציינו, החוק השני של התרמודינמיקה חל רק על השלישי מבין סוגי המערכות המפורטים.

לשם המחשה, הבה ניזכר במערכת המורכבת מחדר נעול וחם וחתיכת קרח שנמסה בה. במקרה האידיאלי, זה התאים למערכת מבודדת, והאנטרופיה שלה גדלה. עם זאת, עכשיו בואו נדמיין שבחוץ כפור קשות, ופתחנו את החלון. המערכת הפכה פתוחה: אוויר קר החל לזרום לחדר, הטמפרטורה בחדר ירדה מתחת לאפס, וחתיכת הקרח שלנו, שקודם לכן הפכה לשלולית, קפאה שוב.

בחיים האמיתיים, חדר נעול אינו מערכת מבודדת, כי למעשה, זכוכית ואפילו לבנים מאפשרים לעבור חום. וחום, כפי שציינו לעיל, הוא גם סוג של אנרגיה. לכן, חדר נעול הוא למעשה לא חדר מבודד, אלא מערכת סגורה. גם אם נאטום היטב את כל החלונות והדלתות, החום עדיין יעזוב את החדר בהדרגה, יקפא והשלולית שלנו תהפוך גם לקרח.

דוגמה דומה נוספת היא חדר עם מקפיא. בזמן שהמקפיא כבוי, הטמפרטורה שלו זהה לטמפרטורת החדר. אבל ברגע שתדליק אותו, הוא יתחיל להתקרר, והאנטרופיה של המערכת תתחיל לרדת. זה מתאפשר מכיוון שמערכת כזו הפכה סגורה, כלומר, היא צורכת אנרגיה מהסביבה (במקרה זה, חשמל).

ראוי לציין שבמקרה הראשון (חדר עם חתיכת קרח), המערכת שחררה אנרגיה לסביבה, ובשני (חדר עם מקפיא), להיפך, היא קיבלה אותה. עם זאת, האנטרופיה של שתי המערכות ירדה. המשמעות היא שכדי שהחוק השני של התרמודינמיקה יפסיק לפעול כחוק בלתי ניתן לשינוי, במקרה הכללי לא כיוון העברת האנרגיה הוא שחשוב, אלא נוכחות עצם ההעברה הזו בין המערכת לבין העולם שבחוץ.

דוגמאות לירידה באנטרופיה בטבע שאינו חי.הדוגמאות למערכות שנדונו לעיל נוצרו על ידי האדם. האם יש דוגמאות של ירידה באנטרופיה בטבע הדומם, ללא השתתפות הנפש? כן, כמה שתרצה.

	פתיתי שלג.במהלך היווצרותן, מולקולות אדי מים הנעות בצורה כאוטי מתאחדות לכדי גביש מסודר. במקרה זה מתרחש קירור, כלומר משתחררת אנרגיה לסביבה, והאטומים תופסים עמדה נוחה יותר מבחינה אנרגטית עבורם. סריג הקריסטל של פתית שלג מתאים לסדר גדול יותר מאשר מולקולות אדים הנעות בכאוטיות.
	גבישי מלח.תהליך דומה נצפה בחוויה שרבים אולי זוכרים משנות הלימודים שלהם. חוט מורידים לכוס עם תמיסה מרוכזת של מלח (לדוגמה, מלח שולחן או גופרת נחושת), ועד מהרה מולקולות המלח המומסות בצורה כאוטי יוצרות דמויות יפות בעלות צורה מוזרה.
	פולגוריטים.פולגוריט היא צורה שנוצרת מחול כאשר ברק פוגע בקרקע. בתהליך זה נספגת אנרגיה (זרם חשמלי ברק), מה שמוביל להמסת החול, אשר לאחר מכן מתמצק לדמות מוצקה, התואמת לסדר גדול יותר מאשר חול מפוזר בצורה כאוטי.
	עשב ברווז על הבריכה.בדרך כלל, עשב ברווז הגדל על פני הבריכה, אם יש מספיק ממנה, נוטה לכבוש את כל שטח הבריכה. נסו לדחוף את עשב הברווז בידיים, ותוך דקה הוא יחזור למקומו. עם זאת, כשהרוח נושבת (לפעמים בקושי מורגשת), עשב הברווז מצטבר בחלק אחד של הבריכה ונמצא שם במצב "דחוס". האנטרופיה פוחתת עקב ספיגת אנרגיית הרוח.
	היווצרות תרכובות חנקן.מדי שנה מתרחשות באטמוספירה של כדור הארץ כ-16 מיליון סופות רעמים, שבמהלכן יש עשרות ומאות מכות ברקים. במהלך הבזקי ברק, מרכיבים פשוטים של האטמוספירה - חנקן, חמצן ולחות - נוצרים לתרכובות חנקן מורכבות יותר הנחוצות לגידול צמחים. הירידה באנטרופיה במקרה זה מתרחשת עקב ספיגת האנרגיה של פריקות ברק חשמלי.
	תגובתו של באטלרוב.תהליך כימי זה ידוע גם בשם סינתזה אוטוקטליטית. בו, מולקולות סוכר מורכבות בסביבה מסוימת צומחות מעצמן, ומולידות סוג משלהן בהתקדמות גיאומטרית. זה נובע מהתכונות הכימיות של מולקולות כאלה. סדר המבנה הכימי, ולכן הפחתת הכאוס, בתגובת Butlerov מתרחשת גם עקב חילופי אנרגיה עם הסביבה.
	הרי געש.מולקולות מאגמה הנעות בכאוטיות, הפורצות אל פני השטח, מתמצקות לתוך סריג גביש ויוצרות הרים געשיים וסלעים בעלי צורה מורכבת. אם ניקח בחשבון את המאגמה כמערכת תרמודינמית, האנטרופיה שלה פוחתת עקב שחרור אנרגיה תרמית לסביבה.
	היווצרות אוזון.המצב הטוב ביותר מבחינה אנרגטית למולקולות חמצן הוא O 2 . עם זאת, בהשפעת קרינה קוסמית קשה, מספר עצום של מולקולות מומרות לאוזון (O 3) ויכולות להישאר בו במשך זמן רב למדי. תהליך זה נמשך ברציפות כל עוד יש חמצן חופשי באטמוספירה של כדור הארץ.
	חור בחול.כולם יודעים עד כמה המים בנהרות שלנו מלוכלכים: הם מכילים אשפה, אצות ומה לא, והכל מעורבב. אבל ליד החוף יש חור קטן בחול, והמים אינם נשפכים לתוכו, אלא מחלחלים דרכו. במקביל הוא עובר סינון: מים מזוהמים בצורה אחידה מחולקים למים נקיים ואף יותר מלוכלכים. האנטרופיה כמובן פוחתת, וזה קורה בגלל כוח הכבידה, שבגלל ההבדל ברמות, מאלץ מים לחלחל מהנהר לתוך החור.
	שְׁלוּלִית.כן, כן, שלולית פשוטה שנשארה אחרי הגשם גם ממחישה שהאנטרופיה יכולה לרדת באופן ספונטני! על פי החוק השני של התרמודינמיקה, חום אינו יכול לעבור באופן ספונטני מגופים פחות מחוממים לגופים מחוממים יותר. עם זאת, טמפרטורת המים בשלולית נשמרת בעקביות נמוכה בכמה מעלות מטמפרטורת האדמה והאוויר שמסביב (ניתן לבדוק זאת בבית עם צלוחית מים ומדחום; מד לחות, המורכב מ-יבש ו- מדחום רטוב, מבוסס גם על עיקרון זה). למה? מכיוון שהשלולית מתאדה, כאשר מולקולות מהירות יותר מתנתקות מפני השטח שלה ומתאדות, בעוד שאיטיות יותר נשארות. מכיוון שהטמפרטורה קשורה למהירות התנועה המולקולרית, מסתבר שהשלולית מתקררת כל הזמן ביחס לסביבה החמה יותר. השלולית, אם כן, היא מערכת פתוחה, שכן היא מחליפה לא רק אנרגיה, אלא גם חומר עם הסביבה, והתהליכים בה הולכים בבירור בכיוון המנוגד לזה שמציין החוק השני של התרמודינמיקה.

אם אתה חכם ומבלה מעט זמן, אתה יכול לזכור ולרשום אלפי דוגמאות דומות. חשוב לציין כי ברבים מהמקרים המפורטים, ירידה באנטרופיה אינה תאונה בודדת, אלא דפוס – הנטייה אליה טבועה בעצם בנייתן של מערכות כאלו. לכן, היא מתרחשת בכל פעם שמתעוררים תנאים מתאימים, ויכולה להימשך זמן רב מאוד - כל עוד התנאים הללו קיימים. כל הדוגמאות הללו אינן דורשות נוכחות של מנגנונים מורכבים המפחיתים אנטרופיה, ולא התערבות הנפש.

כמובן שאם המערכת לא מבודדת, אז בכלל אין צורך שהאנטרופיה בה תקטן. אדרבא, להיפך, מדובר בעלייה באנטרופיה, כלומר, עלייה בכאוס, המתרחשת באופן ספונטני לעתים קרובות יותר. בכל מקרה, אנו רגילים לכך שכל דבר שנותר ללא השגחה או טיפול, ככלל, מתדרדר והופך לבלתי שמיש, ולא משתפר. אפשר אפילו לומר שזהו תכונה יסודית מסוימת של העולם החומרי - הרצון להתדרדרות ספונטנית, הנטייה הכללית להגברת האנטרופיה.

עם זאת, כותרת משנה זו הראתה כי נטייה כללית זו היא חוק רק במערכות מבודדות. במערכות אחרות, העלייה באנטרופיה אינה חוק – הכל תלוי במאפיינים של מערכת מסוימת ובתנאים שבהם היא נמצאת. לא ניתן להחיל עליהם את החוק השני של התרמודינמיקה בהגדרה. גם אם האנטרופיה גדלה באחת מהמערכות הפתוחות או הסגורות, אין זו הגשמה של החוק השני של התרמודינמיקה, אלא רק ביטוי של הנטייה הכללית להגברת האנטרופיה, האופיינית לעולם החומרי בכללותו, אך היא רחוק מלהיות מוחלט.

החוק השני של התרמודינמיקה והיקום שלנו

כאשר מתבונן נלהב מביט בשמיים זרועי הכוכבים, כמו גם כאשר אסטרונום מנוסה מביט בהם דרך טלסקופ, שניהם יכולים לצפות לא רק ביופיו, אלא גם בסדר המדהים השולט במקרוקוסמוס הזה.

עם זאת, האם ניתן להשתמש בסדר הזה כדי להוכיח שאלוהים ברא את היקום? האם יהיה זה נכון להשתמש בקו נימוק זה: מכיוון שהיקום לא נפל לכאוס בהתאם לחוק השני של התרמודינמיקה, האם זה מוכיח שהוא נשלט על ידי אלוהים?

אולי אתה רגיל לחשוב שכן. אבל למעשה, בניגוד למה שנהוג לחשוב, לא. ליתר דיוק, בהקשר זה, ניתן וצריך להשתמש בראיות מעט שונות, אך לא בחוק השני של התרמודינמיקה.

קוֹדֶם כֹּל, עדיין לא הוכח שהיקום הוא מערכת מבודדת. אמנם, כמובן, ההפך לא הוכח, אך בכל זאת, עדיין לא ניתן לקבוע חד משמעית שניתן להחיל עליו את החוק השני של התרמודינמיקה בכללותה.

אבל נניח שהבידוד של היקום כמערכת יוכח בעתיד (זה בהחלט אפשרי). מה אז?

שנית, החוק השני של התרמודינמיקה לא אומר מה בדיוק ישלוט במערכת מסוימת - סדר או כאוס. החוק השני אומר באיזה כיוון ישתנה הסדר או ההפרעה הזו - במערכת מבודדת, הכאוס יגבר. ובאיזה כיוון הסדר ביקום משתנה? אם אנחנו מדברים על היקום בכללותו, אז הכאוס גובר בו (כמו גם האנטרופיה). חשוב כאן לא לבלבל את היקום עם כוכבים בודדים, גלקסיות או צביריהן. גלקסיות בודדות (כמו שביל החלב שלנו) יכולות להיות מבנים יציבים מאוד ונראה שאינן מתכלות כלל במשך מיליוני שנים רבות. אבל הן אינן מערכות מבודדות: הן מקרינות כל הזמן אנרגיה (כגון אור וחום) אל החלל שמסביב. כוכבים נשרפים ופולטים כל הזמן חומר ("רוח שמש") לחלל הבין-כוכבי. הודות לכך, תהליך מתמשך של טרנספורמציה של החומר המובנה של כוכבים וגלקסיות לאנרגיה וגז מפוזרים בצורה כאוטית מתרחש ביקום. מה זה אם לא עלייה באנטרופיה?

תהליכי השפלה אלו, כמובן, מתרחשים בקצב איטי מאוד, כך שנראה שאיננו חשים בהם. אבל אם היינו מסוגלים לצפות בהם בקצב מואץ מאוד - נגיד, פי טריליון מהר יותר, אז תמונה דרמטית מאוד של לידתם ומותם של כוכבים הייתה מתגלה לנגד עינינו. כדאי לזכור שהדור הראשון של כוכבים שהיה קיים מאז תחילת היקום כבר מת. לפי קוסמולוגים, הפלנטה שלנו מורכבת משאריות קיומו והתפוצצותו של כוכב שנשרף פעם אחת; כתוצאה מפיצוצים כאלה נוצרים כל היסודות הכימיים הכבדים.

לכן, אם אנו מחשיבים את היקום כמערכת מבודדת, אז החוק השני של התרמודינמיקה מתקיים בו בדרך כלל, הן בעבר והן כיום. זהו אחד החוקים שקבע אלוהים, ולכן הוא פועל ביקום באותו אופן כמו חוקים פיזיקליים אחרים.

למרות מה שנאמר לעיל, יש הרבה דברים מדהימים ביקום הקשורים לסדר השולט בו, אבל זה לא נובע מהחוק השני של התרמודינמיקה, אלא מסיבות אחרות.

לפיכך, מגזין ניוזוויק (גיליון מיום 9 בנובמבר 1998) בדק לאילו מסקנות מובילות אותנו תגליות בנוגע ליצירת היקום. הוא אמר שהעובדות "מראות את מקור האנרגיה והתנועה ex nihilo, כלומר יש מאין, על ידי פיצוץ אדיר של אור ואנרגיה, שדווקא תואם את התיאור של [הספר המקראי] בראשית". שימו לב כיצד מגזין ניוזוויק הסביר את הדמיון בין הולדת היקום לתיאור המקראי של אירוע זה.

מגזין זה כותב: "הכוחות ששוחררו היו - ונשארו - מאוזנים באופן מפתיע (באורח פלא?): אם המפץ הגדול היה קצת פחות אלים, התפשטות היקום הייתה נמשכת לאט יותר, ובקרוב (בעוד כמה מיליוני שנים). או תוך מספר דקות - בכל מקרה בקרוב) התהליך יתהפך ותתרחש קריסה. אם הפיצוץ היה קצת יותר חזק, היקום יכול היה להפוך ל"מרק נוזלי" נדיר מדי והיווצרות כוכבים הייתה בלתי אפשרית. הסיכויים לקיומנו היו ממש קטנים מבחינה אסטרונומית. היחס בין החומר והאנרגיה לנפח החלל במפץ הגדול היה צריך להישאר בטווח של רבעית האחוז מהיחס האידיאלי".

ניוזוויק הציע שיש מישהו ששולט על בריאת היקום, שידע: "קח אפילו מעלה אחת (כאמור לעיל, מרווח הטעות היה רבעית האחוז), ... והתוצאה תהיה לא רק דיסהרמוניה , אלא אנטרופיה וקרח נצחיים."

האסטרופיזיקאי אלן לייטמן הודה: "העובדה שהיקום נוצר בצורה כה מאורגנת היא תעלומה [למדענים]." הוא הוסיף כי "כל תיאוריה קוסמולוגית השואפת להצלחה תצטרך בסופו של דבר להסביר את תעלומת האנטרופיה הזו": מדוע היקום לא נפל לכאוס. ברור שסבירות כה נמוכה להתפתחות נכונה של אירועים לא יכולה להיות תאונה. (צוטט ב-התעורר!, 22.6.99, עמ' 7.)

החוק השני של התרמודינמיקה ומקור החיים

כפי שצוין לעיל, תיאוריות פופולריות בקרב בריאתנים לפיהן החוק השני של התרמודינמיקה מוכיח את חוסר האפשרות של הופעת חיים ספונטנית מחומר דומם. עוד בסוף שנות ה-70 - תחילת שנות ה-80, המכון לחקר היצירה פרסם ספר בנושא זה ואף ניסה להתכתב עם האקדמיה למדעים של ברית המועצות בנושא זה (ההתכתבות לא צלחה).

עם זאת, כפי שראינו לעיל, החוק השני של התרמודינמיקה חל רק במערכות מבודדות. עם זאת, כדור הארץ אינו מערכת מבודדת, שכן הוא מקבל כל הזמן אנרגיה מהשמש, ולהפך, משחרר אותה לחלל. ואורגניזם חי (אפילו, למשל, תא חי), בנוסף, מחליף עם הסביבה והחומר. לכן, החוק השני של התרמודינמיקה אינו חל על סוגיה זו בהגדרה.

עוד הוזכר לעיל שעולם החומר מאופיין בנטייה כללית מסוימת לאנטרופיה הולכת וגוברת, שבגללה דברים נהרסים לעתים קרובות יותר ונכנסים לכאוס מאשר נוצרים. עם זאת, כפי שציינו, זה לא חוק. יתרה מכך, אם נתנתק מעולם המאקרו שהורגלנו אליו וצלול לעולם המיקרו - עולם האטומים והמולקולות (ומכאן אמורים להתחיל החיים), אז נראה שהרבה יותר קל להפוך אותו. תהליכי הגברת האנטרופיה בו. לפעמים מספיקה השפעה עיוורת אחת ובלתי מבוקרת כדי שהאנטרופיה של המערכת תתחיל לרדת. הפלנטה שלנו בהחלט מלאה בדוגמאות להשפעות כאלה: קרינת השמש באטמוספירה, חום געשי בקרקעית האוקיינוס, רוח על פני כדור הארץ וכו'. וכתוצאה מכך, תהליכים רבים זורמים בכיוון ההפוך, ה"לא נוח" עבורם, או שהכיוון ההפוך הופך ל"מועיל" עבורם (לדוגמאות, ראה לעיל בכותרת המשנה "דוגמאות של ירידה באנטרופיה בטבע הדומם"). לכן, אפילו את הנטייה הכללית שלנו להגברת האנטרופיה לא ניתן להחיל על הופעת החיים כסוג של כלל מוחלט: יש יותר מדי יוצאים מהכלל.

כמובן, זה לא אומר שמכיוון שהחוק השני של התרמודינמיקה אינו אוסר על יצירת חיים ספונטנית, אז החיים יכולים להתעורר מעצמם. יש עוד הרבה דברים שהופכים תהליך כזה לבלתי אפשרי או בלתי סביר ביותר, אבל הם כבר לא קשורים לתרמודינמיקה ולחוק השני שלה.

לדוגמה, מדענים הצליחו להשיג כמה סוגים של חומצות אמינו בתנאים מלאכותיים, המדמים את התנאים כביכול של האטמוספירה הראשונית של כדור הארץ. חומצות אמינו הן מעין אבני בניין של חיים: ביצורים חיים הם משמשים לבניית חלבונים (חלבונים). עם זאת, החלבונים הנחוצים לחיים מורכבים ממאות, ולעתים אלפי חומצות אמינו, המחוברות ברצף קפדני ומסודרות בצורה מיוחדת בצורה מיוחדת (ראה איור מימין). אם תשלבו חומצות אמינו בסדר אקראי, ההסתברות ליצור רק חלבון תפקודי פשוט יחסית אחד תהיה זניחה – כל כך קטנה עד שהאירוע הזה לעולם לא יקרה. בהנחה שההתרחשות האקראית שלהם זהה בערך למציאת כמה אבנים דמויות לבנים בהרים וטענה שבית אבן שניצב בקרבת מקום נוצר מאותן אבנים באופן אקראי בהשפעת תהליכים טבעיים.

מצד שני, לקיומם של חיים, גם חלבונים לבדם אינם מספיקים: נדרשות מולקולות DNA ו-RNA מורכבות לא פחות, שגם ההתרחשות האקראית שלהן מדהימה. DNA הוא בעצם מחסן ענק של מידע מובנה שנדרש לייצור חלבונים. הוא מוגש על ידי קומפלקס שלם של חלבונים ו-RNA, אשר מעתיק ומתקן מידע זה ומשתמש בו "למטרות ייצור". כל זה הוא מערכת אחת, שמרכיביה בנפרד אינם הגיוניים, ואי אפשר להסיר ממנה אף אחד. צריך רק להתחיל להעמיק במבנה המערכת הזו ובעקרונות פעולתה כדי להבין שמעצב מבריק עבד על יצירתה.

החוק השני של תרמודינמיקה ואמונה בבורא

האם החוק השני של התרמודינמיקה תואם את האמונה בבורא בכלל? לא רק עם העובדה שהוא קיים, אלא עם העובדה שהוא יצר את היקום ואת החיים על פני כדור הארץ (בראשית א':1–27; התגלות ד':11); שהוא הבטיח שכדור הארץ יימשך לנצח (תהילים 103:5), מה שאומר שגם השמש וגם היקום יהיו נצחיים בצורה כזו או אחרת; שאנשים יחיו לנצח בגן עדן עלי אדמות ולעולם לא ימותו (תהילים ל"ו:29; מתי כ"ה:46; התגלות כ"א:3, 4)?

אנו יכולים לומר בבטחה שהאמונה בחוק השני של התרמודינמיקה תואמת לחלוטין את האמונה בבורא ובהבטחותיו. והסיבה לכך נעוצה בניסוח החוק הזה עצמו: "במערכת מבודדת, האנטרופיה לא יכולה לרדת". כל מערכת מבודדת נשארת מבודדת רק כל עוד איש לא מפריע לעבודתה, כולל הבורא. אבל ברגע שיתערב ויפנה אליה חלק מכוחו הבלתי נדלה, המערכת תפסיק להיות מבודדת, והחוק השני של התרמודינמיקה יפסיק לפעול בה. אותו הדבר ניתן לומר על הנטייה הכללית יותר להגברת האנטרופיה, עליה דנו לעיל. כן, ברור שכמעט לכל מה שקיים סביבנו - מאטומים ועד היקום - יש נטייה להרס והשפלה לאורך זמן. אבל לבורא יש את הכוח והחוכמה הדרושים כדי לעצור כל תהליכי השפלה ואף להפוך אותם כאשר הוא רואה בכך צורך.

אילו תהליכים בדרך כלל מוצגים על ידי אנשים כמי שהופכים חיי נצח לבלתי אפשריים?

· בעוד כמה מיליארדי שנים השמש תכבה.זה היה קורה אם הבורא מעולם לא היה מתערב בעבודתו. עם זאת, הוא הבורא של היקום ויש לו אנרגיה ענקית, מספיק כדי לשמור על השמש בוערת לנצח. לדוגמה, הוא יכול, על ידי הוצאת אנרגיה, להפוך את התגובות הגרעיניות המתרחשות בשמש, כאילו מתדלק אותה עוד כמה מיליארדי שנים, וגם לחדש את נפח החומר שהשמש מאבדת בצורת רוח שמש.

· במוקדם או במאוחר, כדור הארץ יתנגש באסטרואיד או חור שחור.לא משנה כמה קטנה ההסתברות לכך, היא קיימת, מה שאומר שבמשך הנצח היא בהחלט תהפוך למציאות. עם זאת, אלוהים יכול, באמצעות כוחו, להגן על כדור הארץ מכל פגיעה מראש, פשוט על ידי מניעת אובייקטים מסוכנים כאלה להתקרב לכוכב הלכת שלנו.

· הירח יעוף מכדור הארץ, וכדור הארץ יהפוך לבלתי ראוי למגורים.הירח מייצב את הטיית ציר כדור הארץ, שבזכותו האקלים בו נשמר פחות או יותר קבוע. הירח מתרחק בהדרגה מכדור הארץ, עקב כך בעתיד נטיית הציר שלו עלולה להשתנות והאקלים עלול להפוך לבלתי נסבל. אבל לאלוהים, כמובן, יש את הכוח הדרוש למנוע שינויים הרסניים כאלה ולהשאיר את הירח במסלולו היכן שהוא מוצא לנכון.

אין ספק שלדברים בעולם החומר יש נטייה להזדקן, להתקלקל ולהישבר. אבל עלינו לזכור שאלוהים עצמו ברא את העולם כך. וזה אומר שזה היה חלק מהתוכנית שלו. העולם לא נועד להתקיים לנצח בנפרד מאלוהים. להיפך, הוא נוצר כדי להתקיים לנצח תחת שליטת אלוהים. ומכיוון שהיתה להקב"ה גם חכמה וגם כח לברוא את העולם, אין לנו סיבה לפקפק בכך שיש לו אותו כוח וחוכמה לדאוג לנצח לבריאתו, לשמור את הכל בו בשליטתו.

פסוקי התנ"ך הבאים מבטיחים לנו שהשמש, הירח, כדור הארץ והאנשים יתקיימו לנצח:
· « הם יפחדו ממך כל עוד השמש והירח קיימים - מדור לדור» (תהילים 72:5)
· « [האדמה] לא תרעד לנצח, לנצח» (תהילים 103:5)
· « הצדיקים ירשו את הארץ ויחיו בה לעד» (תהילים ל"ו:29)

לכן, שום דבר לא מונע מאתנו להאמין בו-זמנית בחוק השני של התרמודינמיקה ולראות בו עיקרון מדעי נכון, ובו בזמן להיות אנשים דתיים עמוקים ולחכות להתגשמות כל הבטחות האל הרשומות בתנ"ך.

השתמש בטיעונים כנים

אז, אם אתה מאמין, לאיזו מהקבוצות הדתיות שהוזכרו בתחילת המאמר היית מוסיף את קולך? למשתתפי ההפגנה המתוארת לעיל של שמרנים נוצרים הדורשים את ביטול החוק השני של התרמודינמיקה? או לבריאתנים המשתמשים בחוק הזה כראיה ליצירת החיים של אלוהים? אני לא בשביל אף אחד.

רוב המאמינים נוטים להגן על אמונתם בצורה כזו או אחרת, ויש המשתמשים בנתונים של המדע לשם כך, מה שמאשר במידה רבה את קיומו של הבורא. עם זאת, חשוב לנו לזכור עיקרון מקראי רציני אחד: "אנו... רוצים לנהוג ביושר בכל דבר" (עברים יג:18). לכן, כמובן, יהיה זה לא נכון להשתמש בכל טיעון שגוי כדי להוכיח את קיומו של אלוהים.

כפי שראינו ממאמר זה, החוק השני של התרמודינמיקה אינו יכול לשמש כהוכחה לקיומו של אלוהים, כפי שקיומו או אי-קיומו של אלוהים אינו מוכיח או מפריך את החוק השני של התרמודינמיקה. העיקרון השני פשוט אינו קשור ישירות לשאלת קיומו של הבורא, בדיוק כמו רובם המכריע של החוקים הפיזיקליים האחרים (לדוגמה, חוק הכבידה האוניברסלית, חוק שימור התנע, חוק ארכימדס או כל עקרונות אחרים של תרמודינמיקה).

יצירותיו של אלוהים מספקות לנו מספר רב של עדויות משכנעות, כמו גם עדויות עקיפות לקיומו של הבורא. לכן, אם אחת מהאמירות שהשתמשנו בהן בעבר כראיה התבררה כלא נכונה, אל תחששו לנטוש אותה כדי להשתמש רק בטיעונים כנים כדי להגן על אמונתכם.

מבטא את חוק השימור וההתמרה של אנרגיה, הוא אינו מאפשר לנו לקבוע את הכיוון של תהליכים תרמודינמיים. בנוסף, ניתן לדמיין תהליכים רבים שאינם סותרים את העיקרון הראשון, בו נשמרת אנרגיה, אך בטבע הם אינם מתרחשים. הופעת החוק השני של התרמודינמיקה - הצורך לענות על השאלה אילו תהליכים בטבע אפשריים ואילו לא - קובעת את כיוון ההתפתחות של תהליכים.

שימוש במושג האנטרופיה ואי השוויון של קלאוזיוס, החוק השני של התרמודינמיקהניתן לנסח כחוק הגדלת האנטרופיה של מערכת סגורה במהלך תהליכים בלתי הפיכים: כל תהליך בלתי הפיך במערכת סגורה מתרחש באופן שהאנטרופיה של המערכת גדלה.

אנו יכולים לתת ניסוח תמציתי יותר של החוק השני של התרמודינמיקה:

בתהליכים המתרחשים במערכת סגורה, האנטרופיה אינה יורדת.חשוב כאן שאנחנו מדברים על מערכות סגורות, שכן במערכות פתוחות האנטרופיה יכולה להתנהג בכל דרך (ירידה, עלייה, להישאר קבועה). בנוסף, נציין שוב שהאנטרופיה נשארת קבועה במערכת סגורה רק במהלך תהליכים הפיכים. במהלך תהליכים בלתי הפיכים במערכת סגורה, האנטרופיה תמיד עולה.

הנוסחה של בולצמן מאפשרת לנו להסביר את העלייה באנטרופיה המונחת על ידי החוק השני של התרמודינמיקה במערכת סגורה במהלך תהליכים בלתי הפיכים: עלייה באנטרופיהפירושו מעבר מערכת מפחות סביר ליותר סבירמַצָב. לפיכך, הנוסחה של בולצמן מאפשרת לנו לתת פרשנות סטטיסטית לחוק השני של התרמודינמיקה. הוא, בהיותו חוק סטטיסטי, מתאר את דפוסי התנועה הכאוטית של מספר רב של חלקיקים המרכיבים מערכת סגורה.

הבה נציין שני ניסוחים נוספים של החוק השני של התרמודינמיקה:

1) לפי קלווין: בלתי אפשרי תהליך מעגלי, שהתוצאה היחידה שלו היא הפיכת החום המתקבל מהמחמם לעבודה שווה ערך לו;

2) לפי קלאוזיוס : תהליך מעגלי בלתי אפשרי, שהתוצאה היחידה שלו היא העברת חום מגוף פחות מחומם לגוף יותר מחומם.

אפשר להוכיח בפשטות (אנחנו משאירים זאת לקורא) את השקילותם של הניסוחים של קלווין וקלאוזיוס. בנוסף, מוצג שאם מתבצע תהליך דמיוני במערכת סגורה הסותרת את החוק השני של התרמודינמיקה בניסוח קלאוזיוס, הרי שהוא מלווה בירידה באנטרופיה. זה גם מוכיח את השקילותם של ניסוח קלאוזיוס (ולכן קלווין) והניסוח הסטטיסטי, לפיו האנטרופיה של מערכת סגורה לא יכולה לרדת.

באמצע המאה ה-19. התעוררה הבעיה של מה שנקרא המוות התרמי של היקום . בהתחשב ביקום כמערכת סגורה ומחיל עליו את החוק השני של התרמודינמיקה, קלאוסיוס צמצם את תוכנו לאמירה שהאנטרופיה של היקום חייבת להגיע למקסימום. המשמעות היא שעם הזמן, כל צורות התנועה חייבות להפוך לתנועה תרמית.

המעבר של חום מגופים חמים לגופים קרים יוביל לכך שהטמפרטורה של כל הגופים ביקום תהיה שווה, כלומר. שיווי משקל תרמי מוחלט יתרחש וכל התהליכים ביקום ייפסקו - המוות התרמי של היקום יתרחש. הטעות של המסקנה לגבי מוות בחום נעוצה בעובדה שאין זה הגיוני ליישם את החוק השני של התרמודינמיקה על מערכות פתוחות, למשל, על מערכת בלתי מוגבלת ומתפתחת עד אין קץ כמו היקום. פ. אנגלס גם הצביע על חוסר העקביות של המסקנה על מוות בחום ביצירתו "דיאלקטיקה של הטבע".

שני החוקים הראשונים של התרמודינמיקה מספקים מידע לא מספיק על ההתנהגות של מערכות תרמודינמיות באפס קלווין. הם משלימים החוק השלישי של התרמודינמיקה,אוֹ משפט נרנסט(W.F.G. Nernst (1864-1941) - פיזיקאי וכימאי גרמני) - קרש:האנטרופיה של כל הגופים במצב של שיווי משקל שואפת לאפס כשהטמפרטורה מתקרבת לאפס קלווין:

מכיוון שהאנטרופיה נקבעת עד קבוע תוסף, נוח לקחת את הקבוע הזה שווה לאפס (עם זאת, שימו לב שזו הנחה שרירותית, שכן אנטרופיה מטבעה מַהוּתתמיד נקבע עד קבוע תוסף). ממשפט נרנסט-פלנק עולה כי יכולות החום S pו קו"חב-0K הם שווים לאפס.