Drugi zakon termodinamike določa smer realnih toplotnih procesov, ki potekajo s končno hitrostjo.

Drugi začetek(drugi zakon) termodinamika Ima več besedil . na primer kakršno koli dejanje, povezanih s pretvorbo energije(to je s prehodom energije iz ene oblike v drugo), ne more priti brez njegove izgube v obliki toplote, ki se odvaja v okolje. V več splošni pogled to pomeni, da lahko pride do procesov transformacije (transformacije) energije spontano le pod pogojem, da energija prehaja iz koncentrirane (urejene) oblike v razpršeno (neurejeno) obliko.

Še ena definicija drugi zakon termodinamike je neposredno povezan z Clausiusovo načelo : proces, pri katerem ne pride do nobene spremembe, razen prenosa toplote z vročega telesa na hladno, je ireverzibilen, to pomeni, da toplota ne more spontano prehajati s hladnejšega telesa na bolj vroče. pri čemer taka prerazporeditev energije v sistemu označena z vrednostjo , imenovan entropija , ki je kot državno funkcijo termodinamični sistem (funkcija, ki ima totalni diferencial) je bil prvič predstavljen l 1865 leto Clausiusa. Entropija - je merilo nepovratne disipacije energije. Entropija je tem večja, čim več energije se nepovratno razprši v obliki toplote.

Tako lahko že iz teh formulacij drugega zakona termodinamike sklepamo, da kateri koli sistem , katerih lastnosti se spreminjajo s časom, stremeti k stanju ravnovesja v katerem sistemska entropija prevzame največjo vrednost. Zaradi tega drugi zakon termodinamike pogosto kličejo zakon naraščajoče entropije , in sebe entropija (Kako fizikalna količina ali kot fizični koncept) upoštevati kot merilo notranje motnje fizikalno-kemijskega sistema .

Z drugimi besedami, entropija – državna funkcija, ki označujejo smer poteka spontanih procesov v zaprtem prostoru termodinamični sistem. V stanju ravnovesja entropija zaprtega sistema doseže svoj maksimum in v takem sistemu niso mogoči nobeni makroskopski procesi. Največja entropija ustreza popolnemu kaosu .

Najpogosteje za prehod sistema iz enega stanja v drugo ni značilna absolutna vrednost entropije S , in njegovo spremembo ∆ S , ki je enaka razmerju spremembe količine toplote (dane sistemu ali odvzete iz njega) in absolutne temperature sistema: ∆ S= ∆Q/T, J / stopinj To je t.i termodinamična entropija .

Poleg tega ima entropija statistični smisel. Pri prehodu iz enega makrostanja v drugo se poveča tudi statistična entropija, saj tak prehod vedno spremlja veliko število mikrostanj, za ravnotežno stanje (h kateremu sistem stremi) pa je značilno največje število mikrostanj.

V povezavi s pojmom entropije v termodinamiki dobi pojem časa nov pomen. V klasični mehaniki se smer časa ne upošteva, stanje mehanskega sistema pa je mogoče določiti tako v preteklosti kot v prihodnosti. V termodinamiki se čas pojavlja v obliki ireverzibilnega procesa naraščanja entropije v sistemu. To pomeni, da večja kot je entropija, daljše časovno obdobje je sistem pretekel v svojem razvoju.

Poleg tega razumeti fizični pomen entropije je treba upoštevati, da v naravi obstajajo štirje razredi termodinamičnih sistemov :

A) izolirani ali zaprti sistemi(pri prehodu takšnih sistemov iz enega stanja v drugo ne prihaja do prenosa energije, snovi in informacij čez meje sistema);

b) adiabatski sistemi(odsotna je le izmenjava toplote z okoljem);

V) zaprti sistemi(s sosednjimi sistemi izmenjujejo energijo, ne pa snovi) (npr. vesoljska ladja);

G) odprti sistemi(izmenjava snovi, energije in informacij z okoljem). V teh sistemih lahko zaradi prihoda energije od zunaj nastanejo disipativne strukture z veliko nižjo entropijo.

Pri odprtih sistemih se entropija zmanjša. Slednje zadeva predvsem biološki sistemi, torej živi organizmi, ki so odprti neravnotežni sistemi. Za takšne sisteme so značilni koncentracijski gradienti kemične snovi, temperatura, tlak in druge fizikalne in kemične količine. Uporaba konceptov sodobne, to je neravnotežne termodinamike nam omogoča opis obnašanja odprtih, to je realnih sistemov. Takšni sistemi vedno izmenjujejo energijo, snov in informacije s svojim okoljem. Poleg tega so takšni procesi izmenjave značilni ne le za fizične ali biološke sisteme, temveč tudi za družbeno-ekonomske, kulturne, zgodovinske in humanitarne sisteme, saj so procesi, ki se v njih pojavljajo, praviloma nepovratni.

Tretji zakon termodinamike (tretji zakon termodinamike) je povezan s konceptom "absolutne ničle". fizični pomen tega zakona, prikazanega v toplotnem izreku V. Nernsta (nemški fizik), je sestavljen iz temeljne nezmožnosti doseganja absolutne ničle (-273,16ºС), pri kateri bi se moralo translacijsko toplotno gibanje molekul ustaviti, entropija pa bo prenehala odvisno od parametrov fizično stanje sistemov (zlasti zaradi sprememb toplotne energije). Nernstov izrek velja le za termodinamično ravnotežna stanja sistemov.

Z drugimi besedami, Nernstov izrek lahko dobimo naslednjo formulacijo: ko se približuje absolutni ničli, prirastek entropije∆S teži k točno določeni končni meji, neodvisno od vrednosti, ki jih imajo vsi parametri, ki označujejo stanje sistema(npr. volumen, tlak, agregatno stanje itd.).

Razumeti bistvo Nernstovega izreka lahko naprej naslednji primer. Z nižanjem temperature plina bo prišlo do njegove kondenzacije in zmanjšala se bo entropija sistema, saj so molekule bolj urejene. Z nadaljnjim nižanjem temperature bo prišlo do kristalizacije tekočine, ki jo spremlja večja urejenost razporeditve molekul in posledično še večje zmanjšanje entropije. Pri temperaturi absolutne ničle prenehajo vsa toplotna gibanja, nered izgine, število možnih mikrostanj se zmanjša na eno in entropija se približa ničli.

4. Koncept samoorganizacije. Samoorganizacija v odprtih sistemih.

Koncept " sinergija” je leta 1973 predlagal nemški fizik Hermann Haken za označevanje smeri, klical raziskovanje splošni zakoni samoorganizacija - pojav usklajenega delovanja elementov kompleksnega sistema brez nadzora od zunaj. Sinergetika (prevedeno iz grščine - skupno, dogovorjeno, prispevajoče) - znanstvena smer študij povezave med strukturnimi elementi(podsistemi), ki se oblikujejo v odprtih sistemih (biološki, fizikalno-kemijski, geološki in geografski itd.) zahvaljujoč intenzivnemu(pretakanje) izmenjavo snovi, energije in informacij z okoljem v neravnovesnih pogojih. V takih sistemih opazimo usklajeno vedenje podsistemov, zaradi česar se poveča stopnja urejenosti (entropija se zmanjša), to je, da se razvije proces samoorganizacije.

Ravnotežjeobstaja stanje mirovanja in simetrije, A asimetrija vodi na gibanje in neravnovesno stanje .

Pomemben prispevek k teoriji samoorganizacije sistemov prispeval belgijski fizik ruskega rodu I.R. Prigožin (1917-2003). To je pokazal v disipativni sistemi (sistemi, v katerih poteka sipanje entropije) v teku ireverzibilnih neravnovesnih procesov nastajajo urejene tvorbe, ki jih je poimenoval ga. disipativne strukture.

samoorganizacija- To proces spontanega nastanka reda in organizacije iz nereda(kaos) v odprtih neravnotežnih sistemih. Naključna odstopanja parametrov sistema od ravnovesja ( nihanja) igrajo zelo pomembno vlogo pri delovanju in obstoju sistema. zapadlo fluktuacijska rast pri črpanju energije iz okolju sistem doseže nekaj kritično stanje in vstopi v novo stabilno stanje z več visoka stopnja težave in naročilo v primerjavi s prejšnjim. Sistem, ki se samoorganizira v novo stacionarno stanje, zmanjšuje svojo entropijo, svoj presežek, ki raste zaradi notranjih procesov, nekako »odvaja« v okolje.

Vznik iz kaosa urejena struktura (atraktor , ali disipativna struktura) je rezultat tekmovanja nabor možnih stanj, vgrajenih v sistem. Kot rezultat konkurence pride do spontanega izbora najbolj prilagodljive strukture glede na prevladujoče pogoje.

Sinergetika se zanaša o termodinamiki neravnovesnih procesov, teoriji naključnih procesov, teoriji nelinearnih nihanj in valovanja.

Sinergetika obravnava nastanek in razvoj sistemov. Razlikovati tri vrste sistemov: 1) zaprto, ki s sosednjimi sistemi (ali z okoljem) ne izmenjujejo niti snovi, niti energije, niti informacij; 2) zaprto , ki izmenjujejo energijo s sosednjimi sistemi, ne pa snovi (na primer vesoljska ladja); 3) odprto, ki izmenjujejo tako snov kot energijo s sosednjimi sistemi. Skoraj vsi naravni (ekološki) sistemi so odprtega tipa.

Obstoj sistemov nepredstavljivo brez povezav. Slednji so razdeljeni na neposredne in povratne. Naravnost pokliči to povezava , za katerega en element ( A) deluje na drugega ( IN) brez odgovora. pri povratne informacije element IN odziva na delovanje elementa A. Povratne informacije so pozitivne in negativne.

Povratne informacije vodi do krepitve procesa v eno smer. Primer njegovega delovanja je močvirjenje ozemlja (na primer po krčenju gozdov). Proces se začne dejanje V Ena smer: povečanje vlage - pomanjkanje kisika - upočasnitev razgradnje rastlinskih ostankov - kopičenje šote - nadaljnje stopnjevanje namakanja.

Povratne informacije negativne deluje tako, da kot odgovor na povečanje delovanja elementa A nasprotna sila elementa se poveča B. Takšna povezava omogoča sistemu, da ostane v stanju stabilno dinamično ravnovesje. To je najpogostejši in pomemben pogled povezave v naravnih sistemih. Najprej na njih temeljita stabilnost in stabilnost ekosistemov.

Pomembna lastnost sistemi je nastanek (prevedeno iz angleščine - nastanek, nastanek novega). Ta lastnost je v tem, da lastnosti sistema kot celote niso preprosta vsota lastnosti njegovih sestavnih delov ali elementov, temveč medsebojne povezave različnih povezav sistema določajo njegovo novo kakovost.

Sinergijski pristop k obravnavi sistemov temelji na trije koncepti: neuravnoteženost, odprtost in nelinearnost .

Neravnovesje(nestabilnost) – stanje sistema, pri katerem se spremenijo njegovi makroskopski parametri, to je sestava, struktura, obnašanje.

Odprtost -zmogljivost sistema nenehno izmenjujejo snov, energijo, informacije z okoljem in imajo tako "vire" - cone dopolnjevanja energije iz okolja, kot cone disperzije, "odtok".

Nelinearnost -lastnost sistema ostati v drugačni stacionarna stanja ki ustrezajo različnim dopustnim zakonom obnašanja tega sistema.

IN nelinearni sistemi razvoj poteka po nelinearnih zakonitostih, ki vodijo v multivariantnost izbirnih poti in alternativ za izhod iz stanja nestabilnosti. IN nelinearni sistemi procesi so lahko ostro mejni značaj ko s postopno spremembo zunanjih pogojev opazimo njihov nenaden prehod v drugo kakovost. Hkrati se stare strukture uničijo in preidejo v kakovostno nove strukture.

Obstaja več formulacij drugega zakona termodinamike, od katerih sta dve navedeni spodaj:

· toplota ne more sama prehajati s telesa z nižjo temperaturo na telo z višjo temperaturo(besedilo R. Clausius);

· nemogoč je perpetuum mobile druge vrste, torej takšen periodični proces, katerega edini rezultat bi bila pretvorba toplote v delo zaradi ohlajanja enega telesa (Thomsonova formulacija).

Drugi zakon termodinamike kaže na neenako vrednost dveh oblik prenosa energije - dela in toplote. Ta zakon upošteva dejstvo, da je proces prehoda energije urejenega gibanja telesa kot celote (mehanska energija) v energijo neurejenega gibanja njegovih delcev (toplotna energija) nepovraten. Na primer, mehanska energija med trenjem se pretvori v toploto brez dodatnih procesov. Prehod energije neurejenega gibanja delcev (notranje energije) v delo je možen le, če ga spremlja kakšen dodatni proces. Torej toplotni motor, ki deluje v neposrednem ciklu, opravlja delo samo zaradi toplote, ki jo dovaja grelnik, hkrati pa se del prejete toplote prenese v hladilnik.

Entropija Poleg notranje energije U, ki je enovrednostna funkcija parametrov stanja sistema, se v termodinamiki pogosto uporabljajo tudi druge funkcije stanja ( prosta energija, entalpija in entropija).

koncept entropija leta 1865 uvedel Rudolf Clausius. Ta beseda prihaja iz grščine. entropija in dobesedno pomeni obrat, transformacija. v termodinamiki se ta izraz uporablja za opis transformacij različne vrste energije (mehanske, električne, svetlobne, kemične) v toploto, torej v naključno, kaotično gibanje molekul. To energijo je nemogoče zbrati in jo spremeniti nazaj v oblike, iz katerih je bila sprejeta.

Za določitev mere ireverzibilnega sipanja oz disipacija energije in ta koncept je bil uveden. Entropija S je državna funkcija. Med drugimi termodinamičnimi funkcijami izstopa po tem, da ima statistični, torej verjetnostne narave.

Če se v termodinamičnem sistemu pojavi proces, povezan s prejemom ali sproščanjem toplote, potem to vodi do transformacije entropije sistema, ki se lahko poveča in zmanjša. Med ireverzibilnim ciklom se entropija izoliranega sistema poveča

dS> 0. (3.4)

To pomeni, da pride do ireverzibilne disipacije energije v sistemu.

Če v zaprtem sistemu pride do reverzibilnega procesa, entropija ostane nespremenjena.

dS= 0. (3.5)

Sprememba entropije izoliranega sistema, ki mu je dovedena neskončno majhna količina toplote, je določena z razmerjem:

. (3.6)

To razmerje velja za reverzibilen proces. Za nepovraten proces, ki poteka v zaprtem sistemu, imamo:

dS> .

V odprtem sistemu entropija vedno narašča. Funkcija stanja, katere diferencial je, se imenuje zmanjšana toplota.

Tako se v vseh procesih, ki potekajo v zaprtem sistemu, entropija poveča v ireverzibilnih procesih in ostane nespremenjena v reverzibilnih procesih. Posledično lahko formuli (3.4) in (3.5) združimo in predstavimo kot

dS ³ 0.

to statistični formulacija drugega zakona termodinamike.

Če sistem naredi ravnotežni prehod iz stanja 1 v stanje 2, potem v skladu z enačbo (3.6) , sprememba entropije

D S 1- 2 = S 2 – S 1 = .

Entropija sama nima fizičnega pomena, temveč razlika med entropijami.

Poiščimo spremembo entropije v procesih idealnega plina. Zaradi:

; ;

ali: . (3.7)

To kaže, da sprememba entropije idealnega plina med prehodom iz stanja 1 v stanje 2 ni odvisna od vrste prehodnega procesa 1 → 2.

Iz formule (3.7) sledi, da za izotermično postopek ( T 1 \u003d T 2):

pri izohorično procesu je sprememba entropije enaka

Ker je za adiabatni proces d Q= 0, potem D S= 0, zato reverzibilni adiabatni proces poteka pri konstantni entropiji. Zato se imenuje izentropski proces.

Entropija sistema ima lastnost aditivnosti, kar pomeni, da je entropija sistema enaka vsoti entropij vseh teles, ki so del sistema.

Pomen entropije postane jasnejši, če vključimo statistično fiziko. Povezuje se z entropijo termodinamična verjetnost stanja sistema. Termodinamična verjetnost W stanja sistema je enaka številu vseh možnih mikrorazporeditev delcev po koordinatah in hitrostih, ki določajo to makrostanje: Walways³ 1, tj. termodinamična verjetnost ni verjetnost v matematičnem smislu.

L. Boltzmann (1872) je pokazal, da je entropija sistema enaka produktu Boltzmannove konstante k na logaritmu termodinamične verjetnosti W danega stanja

Zato je entropiji mogoče dati naslednjo statistično razlago: entropija je merilo neurejenosti sistema. Iz formule (3.8) je razvidno: kot več številk mikrostanja, ki izvajajo dano makrostanje, večja je entropija. Najverjetnejše stanje sistema je ravnovesno stanje. Število mikrostanj je največje, zato je največja tudi entropija.

Ker so vsi resnični procesi nepovratni, lahko trdimo, da vsi procesi v zaprtem sistemu vodijo do povečanja entropije – princip naraščanja entropije.

pri statistična interpretacija entropije, to pomeni, da procesi v zaprtem sistemu potekajo v smeri od manj verjetnih stanj k bolj verjetnim stanjem, dokler verjetnost stanj ne postane največja.

Razložimo s primerom. Predstavljajte si posodo, ki je s pregrado razdeljena na dva enaka dela A in B. Delno A obstaja plin in B- vakuum. Če naredite luknjo v predelni steni, se bo plin takoj začel širiti "sam" in čez nekaj časa bo enakomerno porazdeljen po celotni prostornini posode, kar bo najverjetneje stanje sistema. najmanj verjetno bo stanje, ko večina molekule plina nenadoma spontano napolnijo eno od polovic posode. Ta pojav lahko pričakujemo poljubno dolgo, vendar se sam plin delno ne bo ponovno zbral A. Če želite to narediti, morate nekaj delati na plinu: na primer, kako premakniti bat, da premaknete desno steno dela B. Tako se vsak fizični sistem nagiba k prehodu iz manj verjetnega stanja v bolj verjetno. Bolj verjetno je ravnovesno stanje sistema.

Z uporabo koncepta entropije in neenakosti R. Clausiusa, drugi zakon termodinamike lahko formuliramo kot zakon naraščajoče entropije zaprtega sistema v ireverzibilnih procesih:

vsak ireverzibilni proces v zaprtem sistemu se zgodi tako, da je večja verjetnost, da bo sistem prešel v stanje z višjo entropijo in dosegel maksimum v ravnotežnem stanju. Ali drugače:

v procesih, ki potekajo v zaprtih sistemih, se entropija ne zmanjša.

Opozoriti je treba, da pogovarjamo se samo o zaprtih sistemih.

Drugi zakon termodinamike je torej statistični zakon. Izraža potrebne zakone kaotičnega gibanja veliko število delci, ki tvorijo izoliran sistem. Vendar so statistične metode uporabne le v primeru velikega števila delcev v sistemu. Za majhno število delcev (5-10) ta pristop ni uporaben. V tem primeru verjetnost, da vsi delci ostanejo v eni polovici prostornine, ni več enaka nič, ali drugače povedano, tak dogodek se lahko uresniči.

Toplotna smrt vesolja. R. Clausius, ki je vesolje obravnaval kot zaprt sistem in nanj uporabil drugi zakon termodinamike, je vse reduciral na izjavo, da mora entropija vesolja doseči svoj maksimum. To pomeni, da se morajo vse oblike gibanja spremeniti v toplotno gibanje, zaradi česar se bo temperatura vseh teles v vesolju čez čas izenačila, prišlo bo do popolnega toplotnega ravnovesja in vsi procesi se bodo preprosto ustavili: toplotna smrt vesolja bo prišel.

Osnovna enačba termodinamike . Ta enačba združuje formule za prvi in drugi zakon termodinamike:

d Q = dU + p dV, (3.9)

Enačbo (3.9), ki izraža drugi zakon termodinamike, nadomestimo z enačbo (3.10):

Tako je osnovna enačba termodinamike.

Na koncu še enkrat ugotavljamo, da če prvi zakon termodinamike vsebuje energijsko bilanco procesa, potem drugi zakon kaže njegovo možno smer.

Tretji zakon termodinamike

V procesu preučevanja spremembe entropije je bil ugotovljen še en zakon termodinamike kemične reakcije leta 1906 V. Nernst. Nosi ime Nernstov izrek ali tretji zakon termodinamike in je povezan z obnašanjem toplotne kapacitete snovi pri temperaturah absolutne ničle.

Nernstov izrek navaja, da ko se približuje absolutni ničli, se tudi entropija sistema nagiba k ničli, ne glede na to, kakšne vrednosti imajo vsi drugi parametri stanja sistema:

Ker entropija , in temperaturo T teži k nič, mora tudi toplotna kapaciteta snovi težiti k nič in hitreje kot T. to pomeni nedosegljivost temperature absolutne ničle s končnim zaporedjem termodinamičnih procesov, to je končnim številom operacij - ciklov hladilnega stroja (druga formulacija tretjega zakona termodinamike).

pravi plini

Van der Waalsova enačba

Sprememba stanja redčenih plinov pri dovolj visoke temperature in nizki pritiski opisujejo zakoni idealnega plina. Ko pa se tlak poveča in temperatura realnega plina zniža, opazimo znatna odstopanja od teh zakonov zaradi bistvenih razlik med obnašanjem realnih plinov in obnašanjem, ki ga pripisujemo delcem idealnega plina.

Enačba stanja za realne pline mora upoštevati:

končna vrednost intrinzične prostornine molekul;

· medsebojna privlačnost molekule med seboj.

Da bi to naredil, je J. van der Waals predlagal, da se v enačbo stanja ne vključi prostornina posode, kot v enačbi Clapeyron-Mendeleev ( pV = RT), in prostornino mola plina, ki ga ne zasedajo molekule, to je vrednost ( V m -b), Kje V m je molska prostornina. Da bi upošteval sile privlačnosti med molekulami, je J. van der Waals uvedel popravek tlaka, vključenega v enačbo stanja.

S popravki, povezanimi z upoštevanjem lastne prostornine molekul (odbojne sile) in privlačnih sil v enačbi Clapeyron-Mendeleev, dobimo enačba stanja za realni mol plina kot:

to van der Waalsova enačba, v katerem so konstante A in b imajo drugačen pomen za različne pline.

Laboratorijsko delo

§6 Entropija

Običajno vsak proces, v katerem sistem prehaja iz enega stanja v drugo, poteka tako, da je nemogoče izvesti ta proces v nasprotni smeri, tako da gre sistem skozi ista vmesna stanja brez sprememb v okoliških telesih. To je posledica dejstva, da se del energije pri tem razprši, na primer zaradi trenja, sevanja ipd. Skoraj vsi procesi v naravi so nepovratni. Pri vsakem procesu se nekaj energije izgubi. Za karakterizacijo disipacije energije je uveden koncept entropije. ( Vrednost entropije označuje toplotno stanje sistema in določa verjetnost izvajanja tega stanja telesa. Bolj kot je dano stanje verjetno, večja je entropija.) Vse naravni procesi spremlja povečanje entropije. Entropija ostane konstantna le v primeru idealiziranega reverzibilnega procesa, ki poteka v zaprtem sistemu, to je v sistemu, v katerem ni izmenjave energije s telesi, ki so zunaj tega sistema.

Entropija in njen termodinamični pomen:

Entropija- to je takšna funkcija stanja sistema, katere neskončno majhna sprememba v reverzibilnem procesu je enaka razmerju med neskončno majhno količino toplote, vnesene v tem procesu, in temperaturo, pri kateri je bila vnesena.

V končnem reverzibilnem procesu lahko spremembo entropije izračunamo z uporabo formule:

kjer je integral vzet iz začetnega stanja 1 sistema v končno stanje 2.

Ker je entropija funkcija stanja, je lastnost integralaje njegova neodvisnost od oblike konture (poti), po kateri se izračuna, zato je integral določen le z začetnim in končnim stanjem sistema.

V katerem koli reverzibilnem procesu spremembe je entropija enaka 0

(1)

To dokazuje termodinamikaSsistem, ki naredi nepovraten cikel, se poveča

Δ S> 0 (2)

Izraza (1) in (2) veljata samo za zaprte sisteme, če sistem izmenjuje toploto z zunanje okolje, potem jeSse lahko obnaša kakorkoli.

Relaciji (1) in (2) lahko predstavimo kot Clausiusovo neenakost

∆S ≥ 0

tiste. entropija zaprtega sistema se lahko poveča (v primeru ireverzibilnih procesov) ali pa ostane konstantna (v primeru reverzibilnih procesov).

Če sistem naredi ravnotežni prehod iz stanja 1 v stanje 2, se entropija spremeni

Kje dU in δAnapisano za določen postopek. Po tej formuli je ΔSse določi do aditivne konstante. Entropija sama nima fizičnega pomena, temveč razlika entropij. Poiščimo spremembo entropije v procesih idealnega plina.

tiste. spremembe entropijeS Δ S 1→2 idealnega plina med njegovim prehodom iz stanja 1 v stanje 2 ni odvisna od vrste procesa.

Ker za adiabatni proces δQ = 0, potem je ∆ S= 0 => S= konst , to je adiabatni reverzibilni proces poteka pri konstantni entropiji. Zato se imenuje izentropski.

V izotermnem procesu (T= const ; T 1 = T 2 : )

V izohornem procesu (V= const ; V 1 = V 2 ; )

Entropija ima lastnost aditivnosti: entropija sistema je enaka vsoti entropij teles, vključenih v sistem.S = S 1 + S 2 + S 3 + ... Kvalitativna razlika med toplotnim gibanjem molekul in drugimi oblikami gibanja je njegova naključnost, neurejenost. Zato je za karakterizacijo toplotnega gibanja potrebno uvesti kvantitativno merilo stopnje molekularne motnje. Če upoštevamo katero koli dano makroskopsko stanje telesa z določenimi povprečnimi vrednostmi parametrov, potem je to nekaj drugega kot neprekinjeno spreminjanje tesnih mikrostanj, ki se med seboj razlikujejo po porazdelitvi molekul v različne dele volumen in porazdeljena energija med molekulami. Število teh nenehno spreminjajočih se mikrostanj označuje stopnjo neurejenosti makroskopskega stanja celotnega sistema,wse imenuje termodinamična verjetnost danega mikrostanja. Termodinamična verjetnostwsistemska stanja so število načinov, na katere je mogoče realizirati dano stanje makroskopskega sistema, ali število mikrostanj, ki izvajajo dano mikrostanje (w≥ 1 in matematična verjetnost ≤ 1 ).

Dogovorili smo se, da za merilo nepričakovanosti dogodka vzamemo logaritem njegove verjetnosti, vzet s predznakom minus: nepričakovanost stanja je enaka =-

Po Boltzmannu entropijaSsistemi in termodinamična verjetnost so povezani na naslednji način:

Kje - Boltzmannova konstanta (). Tako je entropija določena z logaritmom števila stanj, s katerimi se dano mikrostanje lahko realizira. Entropijo lahko obravnavamo kot merilo verjetnosti stanja t/d sistema. Boltzmannova formula nam omogoča, da damo entropiji naslednjo statistično razlago. Entropija je merilo neurejenosti sistema. Večje kot je število mikrostanj, ki realizirajo dano mikrostanje, večja je entropija. V ravnotežnem stanju sistema - najverjetnejšem stanju sistema - je število mikrostanj največje, največja pa je tudi entropija.

Ker realni procesi so ireverzibilni, potem lahko trdimo, da vsi procesi v zaprtem sistemu vodijo do povečanja njegove entropije - princip naraščajoče entropije. V statistični interpretaciji entropije to pomeni, da gredo procesi v zaprtem sistemu v smeri povečevanja števila mikrostanj, torej od manj verjetnih stanj k bolj verjetnim, dokler verjetnost stanja ne postane največja.

§7 Drugi zakon termodinamike

Prvi zakon termodinamike, ki izraža zakon o ohranitvi energije in transformaciji energije, ne omogoča določitve smeri toka t/d procesov. Poleg tega si je mogoče zamisliti niz procesov, ki si ne nasprotujejojazzačetek m/d, v katerih je shranjena energija, v naravi pa se ne realizirajo. Možne formulacije drugega začetka t/d:

1) zakon povečanja entropije zaprtega sistema med ireverzibilnimi procesi: vsak nepovraten proces v zaprtem sistemu se zgodi tako, da se entropija sistema poveča ΔS≥ 0 (nepovraten proces) 2) ΔS≥ 0 (S= 0 za reverzibilno in ΔS≥ 0 za nepovraten proces)

V procesih, ki potekajo v zaprtem sistemu, se entropija ne zmanjša.

2) Iz Boltzmannove formule S = , torej povečanje entropije pomeni prehod sistema iz manj verjetnega stanja v bolj verjetno.

3) Po Kelvinu: ni mogoč krožni proces, katerega edini rezultat je pretvorba toplote, prejete od grelnika, v njemu enakovredno delo.

4) Po Clausiusu: ni mogoč krožni proces, katerega edini rezultat je prenos toplote z manj segretega telesa na bolj segreto.

Za opis sistemov t/d pri 0 K se uporablja Nernst-Planckov izrek (tretji zakon t/d): entropija vseh teles v ravnovesju teži k ničli, ko se temperatura približuje 0 K

Iz izreka Nernst-Planck temu slediC p= C v = 0 pri 0 TO

§8 Toplotni in hladilni stroji.

Carnotov cikel in njegova učinkovitost

Iz formulacije drugega zakona t / d po Kelvinu sledi, da večni stroj druge vrste ni mogoč. (Večni motor je občasno delujoč motor, ki deluje tako, da ohlaja en vir toplote.)

Termostat- to je t / d sistem, ki lahko izmenjuje toploto s telesi brez spreminjanja temperature.

Načelo delovanja toplotnega stroja: iz termostata s temperaturo T 1 - grelec, količina toplote se odvzame na cikelQ 1 , in termostat s temperaturo T 2 (T 2 < T 1) - hladilnik, količina toplote, prenesene na cikelQ 2 , med opravljanjem dela A = Q 1 - Q 2

Krožni proces ali cikel je proces, v katerem se sistem po prehodu skozi vrsto stanj vrne v prvotno stanje. Na diagramu stanja je cikel predstavljen z zaprto krivuljo. Cikel, ki idealen plin, lahko razdelimo na procese ekspanzije (1-2) in stiskanja (2-1), delo ekspanzije je pozitivno A 1-2 > 0, kerV 2 > V 1 , je kompresijsko delo negativno A 1-2 < 0, т.к. V 2 < V 1 . Zato je delo, ki ga opravi plin na cikel, določeno s površino, ki jo pokriva zaprta krivulja 1-2-1. Če je v ciklu opravljeno pozitivno delo (cikel je v smeri urinega kazalca), potem se cikel imenuje direktni, če je obratni cikel (cikel poteka v nasprotni smeri urinega kazalca).

neposredni cikel uporabljajo se v toplotnih motorjih - občasno delujoči motorji, ki opravljajo delo zaradi toplote, prejete od zunaj. Povratni cikel se uporablja v hladilnih strojih - občasno delujočih napravah, v katerih se zaradi dela zunanjih sil toplota prenese na telo z višjo temperaturo.

Zaradi krožnega procesa se sistem vrne v prvotno stanje in je zato skupna sprememba notranje energije enaka nič. PotemІ zagon t/d za krožni postopek

Q= Δ U+ A= A,

To pomeni, da je opravljeno delo na cikel enako količini toplote, prejete od zunaj, vendar

Q= Q 1 - Q 2

Q 1 - količina toplota, ki jo prejme sistem,

Q 2 - količina toplote, ki jo oddaja sistem.

Toplotna učinkovitost za krožni proces je enaka razmerju med delom, ki ga opravi sistem, in količino toplote, dovedene v sistem:

Za η = 1 je pogojQ 2 = 0, tj. toplotni stroj mora imeti en vir toploteQ 1 , vendar je to v nasprotju z drugim zakonom t/d.

V hladilnem stroju se uporablja obraten proces kot v toplotnem stroju.

Iz termostata s temperaturo T 2 se odvzame količina toploteQ 2 in prenese na termostat s temperaturoT 1 , količina toploteQ 1 .

Q= Q 2 - Q 1 < 0, следовательно A< 0.

Brez dela je nemogoče odvzeti toploto manj segretemu telesu in jo dati bolj vročemu.

Na podlagi drugega zakona t/d je Carnot izpeljal izrek.

Carnotov izrek: vseh periodično delujočih toplotnih motorjev z enakimi temperaturami grelnika ( T 1) in hladilniki ( T 2), največja učinkovitost. imajo reverzibilne stroje. K.P.D. reverzibilni stroji za enako T 1 in T 2 sta enaka in nista odvisna od narave delovne tekočine.

Delovno telo je telo, ki opravlja krožni proces in izmenjuje energijo z drugimi telesi.

Carnotov cikel je najbolj ekonomičen reverzibilni cikel, sestavljen iz 2 izoterm in 2 adiabatov.

1-2-izotermna ekspanzija pri T 1 grelec; plinu se dovaja toplotaQ 1 in delo je opravljeno

2-3 - adiabat. ekspanzija, plin delujeA 2-3 >0 nad zunanjimi telesi.

3-4 izotermna kompresija pri T 2 hladilnika; toplota se odvzameQ 2 in delo je opravljeno;

4-1-adiabatna kompresija, delo poteka na plinu A 4-1 <0 внешними телами.

V izotermnem procesuU= const, torej Q 1 = A 12

Z adiabatnim raztezanjemQ 2-3 = 0 in plinsko delo A 23 narejeno z notranjo energijo A 23 = - U

Količina toploteQ 2 , ki ga plin oddaja hladilniku med izotermično kompresijo, je enak kompresijskemu delu A 3-4

Delo adiabatne kompresije

Delo poteka v krožnem procesu

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

in je enaka površini krivulje 1-2-3-4-1.

Toplotna učinkovitost Carnotov cikel

Iz adiabatne enačbe za procesa 2-3 in 3-4 dobimo

Potem

tiste. učinkovitost Carnotov cikel določata samo temperatura grelnika in hladilnika. Za povečanje učinkovitosti treba povečati razliko T 1 - T 2 .

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

Na sliki na levi: protest krščanskih konservativcev proti drugemu zakonu termodinamike. Napisi na plakatih: prečrtana beseda "entropija"; "Ne sprejemam osnovnih načel znanosti in glasujem."

DRUGI IZVOR TERMODINAMIKE IN VPRAŠANJA KREACIJE

V zgodnjih 2000-ih se je skupina konservativnih kristjanov zbrala na stopnicah Kapitola (Kansas, ZDA), da bi zahtevala odpravo temeljnega znanstvenega načela - drugega zakona termodinamike (glej sliko na levi). Razlog za to je bilo njihovo prepričanje, da je ta fizikalni zakon v nasprotju z njihovo vero v Stvarnika, saj napoveduje toplotno smrt vesolja. Piketarji so dejali, da ne želijo živeti v svetu, ki se giblje v takšno prihodnost, in tega učiti svoje otroke. Kampanjo proti drugemu zakonu termodinamike vodi nihče drug kot državni senator iz Kansasa, ki meni, da ta zakon "ogroža razumevanje vesolja naših otrok kot sveta, ki ga je ustvaril dobrohotni in ljubeči Bog."

Paradoksalno je, da v istih ZDA druga krščanska smer - kreacionisti, ki jih vodi Duane Gish, predsednik Inštituta za raziskovanje kreacije - nasprotno ne le menijo, da je drugi zakon termodinamike znanstven, ampak tudi vneto pozivajo k dokazovanju da je svet ustvaril Bog. Eden od njihovih glavnih argumentov je, da življenje ne more nastati spontano, saj je vse okoli nagnjeno k spontanemu uničenju, ne ustvarjanju.

Glede na tako osupljivo protislovje med tema dvema krščanskima trendoma se postavlja naravno vprašanje - kateri od njiju ima prav? In ima kdo prav?

V tem članku razmislili bomo, kje je mogoče in kje nemogoče uporabiti drugi zakon termodinamike in kako je povezan z vprašanji vere v Stvarnika.

KAJ JE DRUGI IZVOR TERMODINAMIKE

Termodinamika je veja fizike, ki proučuje razmerja in transformacije toplote in drugih oblik energije. Temelji na več temeljnih načelih, imenovanih načela (včasih zakoni) termodinamike. Med njimi je morda najbolj znan drugi začetek.

Če naredimo majhen pregled vseh principov termodinamike, potem so na kratko naslednji:

Prvi začetek predstavlja zakon o ohranitvi energije, ki se uporablja za termodinamične sisteme. Njeno bistvo je, da je toplota posebna oblika energije in jo je treba upoštevati v zakonu o ohranjanju in transformaciji energije.

Drugi začetek nalaga omejitve glede smeri termodinamičnih procesov, prepoveduje spontani prenos toplote z manj segretih teles na bolj segreta. Pomeni tudi, da je nemogoče pretvoriti toploto v delo s 100% učinkovitostjo (izgube v okolje so neizogibne). Prav tako onemogoča ustvarjanje večnega gibalca na njegovi osnovi.

Tretji štart pravi, da je nemogoče spraviti temperaturo katerega koli fizičnega telesa na absolutno ničlo v končnem času, torej absolutna ničla je nedosegljiva.

Ničelni (ali običajni) začetek včasih imenovano načelo, po katerem izoliran sistem, ne glede na začetno stanje, sčasoma pride v stanje termodinamičnega ravnovesja in ne more samostojno izstopiti iz njega. Termodinamično ravnotežje je stanje, v katerem ni prenosa toplote iz enega dela sistema v drugega. (Opredelitev izoliranega sistema je podana spodaj.)

Drugi zakon termodinamike ima poleg zgoraj navedenega še druge formulacije. Okoli enega izmed njih se vrti vsa polemika o ustvarjanju, ki smo jo omenili. Ta formulacija je povezana s konceptom entropije, s katerim se bomo morali seznaniti.

Entropija(po eni izmed definicij) je pokazatelj neurejenosti oziroma naključnosti sistema. Preprosto povedano, več kot vlada v sistemu, večja je njegova entropija. Pri termodinamičnih sistemih je entropija tem večja, čim bolj kaotično je gibanje materialnih delcev, ki sestavljajo sistem (na primer molekul).

Sčasoma so znanstveniki ugotovili, da je entropija širši pojem in da se lahko uporablja ne le za termodinamične sisteme. Na splošno ima vsak sistem določeno mero kaosa, ki se lahko spremeni – poveča ali zmanjša. V tem primeru je primerno govoriti o entropiji. Tukaj je nekaj primerov:

· Kozarec vode.Če je voda zmrznila in se spremenila v led, so njene molekule povezane v kristalno mrežo. To ustreza večjemu redu (manj entropije) kot stanju, ko se je voda stopila in se molekule gibljejo naključno. Vendar pa voda, ko se stopi, še vedno ohrani določeno obliko - kozarec, v katerem se nahaja. Če voda izhlapi, se molekule gibljejo še intenzivneje in zasedejo ves prostor, ki jim je na voljo, ter se gibljejo še bolj kaotično. Tako se entropija še poveča.

· Solarni sistem. Tudi v njej je mogoče opaziti red in nered. Planeti se gibljejo po svojih orbitah tako natančno, da lahko astronomi predvidijo njihov položaj v danem trenutku tisočletja naprej. Vendar pa je v sončnem sistemu več asteroidnih pasov, ki se gibljejo bolj kaotično - trčijo, se zlomijo, včasih padejo na druge planete. Po predpostavkah kozmologov je bil sprva celoten sončni sistem (razen samega Sonca) napolnjen s takšnimi asteroidi, iz katerih so kasneje nastali trdni planeti, ti asteroidi pa so se premikali še bolj kaotično kot zdaj. Če je to res, potem je bila entropija sončnega sistema (razen samega Sonca) prvotno večja.

· Galaxy. Galaksija je sestavljena iz zvezd, ki se gibljejo okoli njenega središča. Toda tudi tu je nekaj nereda: zvezde včasih trčijo, spreminjajo smer gibanja in zaradi medsebojnega vplivanja orbit njihove orbite niso idealne, spreminjajo se nekoliko kaotično. Torej v tem sistemu entropija ni enaka nič.

· Otroška soba. Tisti, ki imajo majhne otroke, povečanje entropije pogosto opazujejo na lastne oči. Ko opravijo čiščenje, v stanovanju zavlada sorazmeren red. Vendar pa je nekaj ur (in včasih manj) enega ali dveh otrok, ki ostanejo tam v stanju budnosti, dovolj, da se entropija tega stanovanja znatno poveča ...

Če vas je zadnji primer nasmejal, potem ste verjetno razumeli, kaj je entropija.

Če se vrnemo k drugemu zakonu termodinamike, se spomnimo, da ima, kot smo rekli, še eno formulacijo, ki je povezana s konceptom entropije. Sliši se takole: entropija se v izoliranem sistemu ne more zmanjšati. Z drugimi besedami, v nobenem sistemu, ki je popolnoma odrezan od okoliškega sveta, se motnja ne more spontano zmanjšati: lahko se le poveča ali v skrajnem primeru ostane na enaki ravni.

Če postavite kocko ledu v toplo zaklenjeno sobo, se bo čez nekaj časa stopila. Vendar pa vodni bazen, ki nastane v tej sobi, nikoli ne bo sam od sebe razpadel nazaj v ledeno kocko. Tam odprite stekleničko parfuma in vonj se bo razširil po sobi. Toda nič ga ne bo prisililo, da se vrne nazaj k viali. Tam prižgite svečo in dogorela bo, a nič ne bo povzročilo, da se dim spet spremeni v svečo. Vsi ti procesi so usmerjeni in nepovratni. Razlog za takšno nepovratnost procesov, ki se dogajajo ne samo v tej sobi, ampak v celotnem vesolju, je ravno v drugem zakonu termodinamike.

ZA KAJ VELJA DRUGI IZVOR TERMODINAMIKE?

Vendar pa je ta zakon kljub vsej svoji navidezni preprostosti eden najtežjih in pogosto napačno razumljenih zakonov klasične fizike. Dejstvo je, da v njegovem besedilu obstaja ena beseda, ki se ji včasih posveča premalo pozornosti - beseda "izoliran". Po drugem zakonu termodinamike se entropija (kaos) ne more zmanjšati samo v izoliranih sistemih. To je zakon. Vendar pa v drugih sistemih to ni več zakon in entropija v njih se lahko poveča ali zmanjša.

Kaj je izoliran sistem? Poglejmo, kakšne vrste sistemov z vidika termodinamike na splošno obstajajo:

· Odprto. To so sistemi, ki izmenjujejo snov (in morda tudi energijo) z zunanjim svetom. Primer: avto (porablja bencin, zrak, proizvaja toploto).

· Zaprto. To so sistemi, ki z okoliškim svetom ne izmenjujejo snovi, lahko pa z njim izmenjujejo energijo. Primer: vesoljsko plovilo (zaprto, vendar absorbira sončno energijo s sončnimi paneli).

· Izolirano (zaprto). To so sistemi, ki z zunanjim svetom ne izmenjujejo ne snovi ne energije. Primer: termovka (zaprta in zadržuje toploto).

Kot smo že omenili, je drugi zakon termodinamike uporaben le za tretjo od naštetih vrst sistemov.

Za ponazoritev se spomnimo sistema, sestavljenega iz zaklenjene tople sobe in kosa ledu, ki se je v njej stopil. V idealnem primeru je to ustrezalo izoliranemu sistemu in njegova entropija se je v tem primeru povečala. Vendar si zdaj predstavljajmo, da je zunaj zelo mrzlo in smo odprli okno. Sistem je postal odprt: v prostor je začel vdirati hladen zrak, temperatura v prostoru je padla pod ničlo in naš kos ledu, ki se je pred tem spremenil v lužo, je ponovno zmrznil.

V resničnem življenju tudi zaklenjena soba ni izoliran sistem, saj dejansko steklo in celo opeke prepuščajo toploto. In toplota je, kot smo omenili zgoraj, tudi oblika energije. Zato zaklenjena soba v resnici ni izoliran, ampak zaprt sistem. Tudi če dobro zatesnimo vsa okna in vrata, bo toplota vseeno postopoma zapustila prostor, zmrznila in tudi naša mlaka se bo spremenila v led.

Drug podoben primer je zamrzovalna soba. Dokler je zamrzovalnik izklopljen, je njegova temperatura enaka sobni temperaturi. A takoj, ko ga priključite v omrežje, se začne ohlajati, entropija sistema pa se začne zmanjševati. To postane možno, ker je tak sistem postal zaprt, torej porablja energijo iz okolja (v tem primeru električno).

Omeniti velja, da je v prvem primeru (soba s kosom ledu) sistem oddal energijo okolju, v drugem primeru (soba z zamrzovalnikom) pa jo je, nasprotno, prejel. Vendar se je entropija obeh sistemov zmanjšala. To pomeni, da za to, da drugi zakon termodinamike preneha delovati kot nespremenljiv zakon, v splošnem primeru ni pomembna smer prenosa energije, temveč samo dejstvo prenosa med sistemom in okoliški svet.

PRIMERI UPADA ENTROPIJE V NEŽIVI NARAVI. Zgoraj obravnavane primere sistemov je ustvaril človek. Ali obstajajo primeri zmanjšanja entropije v neživi naravi brez sodelovanja uma? Da, kolikor želite.

	Snežinke. Med nastajanjem se naključno gibajoče se molekule vodne pare združijo v urejen kristal. V tem primeru pride do ohlajanja, to pomeni, da se energija sprosti v okolje, atomi pa zavzamejo položaj, ki je zanje energijsko ugodnejši. Kristalna mreža snežinke ustreza večjemu redu kot naključno premikajoče se molekule pare.
	Kristali soli. Podoben proces opazimo v izkušnjah, ki se jih mnogi morda spominjajo iz šolskih dni. Vrvica se spusti v kozarec s koncentrirano raztopino soli (na primer namizna sol ali bakrov sulfat) in kmalu naključno raztopljene molekule soli tvorijo čudovite bizarne figure.
	Fulguriti. Fulgurit je figura, ki nastane iz peska, ko strela udari v tla. Pri tem procesu pride do absorpcije energije (električnega toka strele), kar ima za posledico taljenje peska, ki se nato strdi v trdno figuro, ki ustreza večjemu redu kot naključno raztresen pesek.
	Duckweed na ribniku. Običajno vodna leča, ki raste na površini ribnika, če je je dovolj, ponavadi zasede celotno površino ribnika. Poskusite vodno lečo potisniti z rokami in čez minuto se bo vrnila na svoje mesto. Ko pa zapiha veter (včasih komaj zaznaven), se vodna leča nabere v enem delu ribnika in je tam v »stisnjenem« stanju. Entropija se v tem primeru zmanjša zaradi absorpcije vetrne energije.
	Tvorba dušikovih spojin. Vsako leto se v atmosferi sveta pojavi približno 16 milijonov neviht, med katerimi je na desetine in stotine strele. Med bliskanjem strele preproste sestavine ozračja - dušik, kisik in vlaga - tvorijo kompleksnejše dušikove spojine, potrebne za rast rastlin. Zmanjšanje entropije v tem primeru nastane zaradi absorpcije energije električnih razelektritev strele.
	Reakcija Butlerova. Ta kemični proces je znan tudi kot avtokatalitična sinteza. V njem kompleksno strukturirane molekule sladkorja v določenem okolju rastejo same od sebe in v geometrijski progresiji ustvarjajo svojo vrsto. To je posledica kemijskih lastnosti takšnih molekul. Urejanje kemijske strukture in s tem zmanjšanje kaosa pri reakciji Butlerova nastane tudi zaradi izmenjave energije z okoljem.
	Vulkani. Kaotično premikajoče se molekule magme, ki izbruhnejo na površje, se strdijo v kristalno mrežo in tvorijo vulkanske gore in kamnine kompleksne oblike. Če magmo obravnavamo kot termodinamični sistem, se njena entropija zmanjša zaradi sproščanja toplotne energije v okolje.
	Tvorba ozona. Energijsko najugodnejše stanje za molekule kisika je O 2 . Vendar pa se pod vplivom trdega kozmičnega sevanja ogromno molekul pretvori v ozon (O 3) in se lahko v njem zadržijo precej dolgo. Ta proces se neprekinjeno nadaljuje ves čas, ko je v zemeljski atmosferi prisoten prosti kisik.
	Luknja v pesku. Vsi vedo, kako umazana je naša voda v rekah: vsebuje smeti, alge in še kaj, in vse to je mešano. Toda ob obali je majhna luknja v pesku in voda se vanjo ne zliva, ampak pronica. Hkrati se filtrira: enakomerno onesnažena voda se deli na čisto in še bolj umazano. Entropija se očitno zmanjša, to pa se zgodi zaradi sile težnosti, ki zaradi razlike v nivojih povzroči, da voda pronica iz reke v luknjo.
	Luža. Da, da, preprosta luža, ki ostane po dežju, tudi ponazarja, da se lahko entropija spontano zmanjša! Po drugem zakonu termodinamike toplota ne more spontano prehajati z manj segretih teles na bolj segreta. Temperatura vode v mlaki pa je stalno nekaj stopinj nižja od temperature tal in okoliškega zraka (to lahko preverite doma s krožničkom vode in termometrom; delovanje higrometra, sestavljenega iz suhih in mokrih žarnic, prav tako temelji na tem principu). Zakaj? Kajti luža izhlapi, medtem ko se hitrejše molekule odtrgajo od njene površine in uidejo, počasnejše pa ostanejo. Ker je temperatura povezana s hitrostjo gibanja molekul, se izkaže, da se mlaka nenehno samoohlaja glede na toplejše okolje. Luža je torej odprt sistem, saj z okoljem ne izmenjuje le energije, ampak tudi snov, procesi v njej pa očitno potekajo v nasprotni smeri, kot jo kaže drugi zakon termodinamike.

Če ste pametni in porabite malo časa, se lahko spomnite in zapišete na tisoče podobnih primerov. Pomembno je omeniti, da v mnogih od naštetih primerov zmanjšanje entropije ni osamljena nesreča, ampak pravilnost - nagnjenost k temu je neločljivo povezana s samo konstrukcijo takih sistemov. Tako se zgodi vsakič, ko se pojavijo pravi pogoji, in lahko traja zelo dolgo – dokler ti pogoji obstajajo. Vsi ti primeri ne zahtevajo zapletenih mehanizmov, ki zmanjšujejo entropijo, niti posredovanja uma.

Seveda, če sistem ni izoliran, potem sploh ni nujno, da se entropija v njem zmanjša. Prej, nasprotno, pogosteje spontano pride do povečanja entropije, torej do povečanja kaosa. Kakorkoli že, navajeni smo, da se vsaka stvar, ki je nenadzorovana ali oskrbovana, praviloma pokvari in postane neuporabna in se ne izboljša. Lahko celo rečemo, da je to neka temeljna lastnost materialnega sveta - želja po spontani degradaciji, splošna težnja k povečanju entropije.

Vendar je ta podnaslov pokazal, da ta splošni trend velja samo za izolirane sisteme. V drugih sistemih povečanje entropije ni zakon - vse je odvisno od lastnosti določenega sistema in pogojev, v katerih se nahaja. Drugega zakona termodinamike zanje po definiciji ni mogoče uporabiti. Tudi če se v katerem od odprtih ali zaprtih sistemov entropija poveča, potem to ni izpolnjevanje drugega zakona termodinamike, temveč le manifestacija splošne težnje k povečanju entropije, značilne za materialni svet kot celoto, ampak daleč od absolutnega.

DRUGI IZVOR TERMODINAMIKE IN NAŠEGA VESOLJA

Ko navdušeni opazovalec gleda zvezdnato nebo, pa tudi ko ga skozi teleskop opazuje izkušen astronom, lahko oba opazita ne le njegovo lepoto, ampak tudi neverjeten red, ki vlada v tem makrokozmosu.

Ali se lahko s tem vrstnim redom dokaže, da je Bog ustvaril vesolje? Ali bi bilo pravilno razmišljati takole: ker Vesolje ni padlo v kaos v skladu z drugim zakonom termodinamike, ali to dokazuje, da ga nadzoruje Bog?

Morda ste navajeni misliti da. Toda v resnici, v nasprotju s splošnim prepričanjem, ne. Natančneje, v zvezi s tem je mogoče in potrebno uporabiti nekoliko drugačne dokaze, ne pa drugega zakona termodinamike.

Prvič dokler se ne dokaže, da je vesolje izoliran sistem. Čeprav seveda nasprotno ni bilo dokazano, je vseeno nemogoče nedvoumno trditi, da je drugi zakon termodinamike na splošno mogoče uporabiti zanj.

Toda, recimo, izolacija vesolja kot sistema bo dokazana v prihodnosti (to je povsem mogoče). Kaj potem?

Drugič, drugi zakon termodinamike ne pove, kaj točno bo vladalo v določenem sistemu - red ali kaos. Drugi zakon pove, v katero smer se bo ta red oziroma nered spremenil – v izoliranem sistemu se bo kaos povečal. In v katero smer se spreminja red v vesolju? Če govorimo o vesolju kot celoti, potem se v njem povečuje kaos (pa tudi entropija). Pri tem je pomembno, da vesolja ne zamenjujemo s posameznimi zvezdami, galaksijami ali njihovimi jatami. Posamezne galaksije (kot je naša Rimska cesta) so lahko zelo stabilne strukture in se zdi, da se več milijonov let sploh ne razgradijo. Vendar niso izolirani sistemi: nenehno sevajo energijo (kot sta svetloba in toplota) v okoliški prostor. Zvezde izgorevajo in nenehno oddajajo snov (»sončni veter«) v medzvezdni prostor. Zaradi tega je vesolje podvrženo neprekinjenemu procesu transformacije strukturirane snovi zvezd in galaksij v kaotično razpršeno energijo in plin. In kaj je to, če ne povečanje entropije?

Ti procesi razgradnje seveda potekajo zelo počasi, zato se zdi, da jih ne čutimo. A če bi jih lahko opazovali zelo pospešeno – recimo trilijonkrat hitreje, potem bi se pred našimi očmi odvijala zelo dramatična slika rojstva in umiranja zvezd. Spomnimo se, da je prva generacija zvezd, ki je obstajala od začetka vesolja, že umrla. Po mnenju kozmologov je naš planet sestavljen iz ostankov obstoja in eksplozije nekoč zgorele zvezde; kot posledica takih eksplozij nastanejo vsi težki kemični elementi.

Če torej vesolje obravnavamo kot izoliran sistem, potem je drugi zakon termodinamike v njem kot celoti izpolnjen, tako v preteklosti kot danes. To je eden od zakonov, ki jih je postavil Bog, zato deluje v vesolju na enak način kot drugi fizikalni zakoni.

Kljub zgoraj navedenemu je v vesolju veliko presenetljivih stvari, povezanih z redom, ki vlada v njem, le da to ni posledica drugega zakona termodinamike, temveč drugih razlogov.

Torej, v reviji "Newsweek" (številka 11/09/98) je bilo obravnavano, do kakšnih zaključkov nas vodijo odkritja o nastanku vesolja. Pisalo je, da dejstva "pričajo o izvoru energije in gibanja ex nihilo, to je iz nič, s kolosalno eksplozijo svetlobe in energije, kar bolj ustreza opisu [svetopisemske knjige] Geneze." Bodite pozorni na to, kako je revija Newsweek razložila podobnost rojstva vesolja s svetopisemskim opisom tega dogodka.

Revija piše: »Sproščene sile so bile – in so še vedno – presenetljivo (čudovito?) uravnotežene: če bi bil veliki pok malo manj močan, bi bilo širjenje vesolja počasnejše in kmalu (čez nekaj milijonov let ali v nekaj minutah – v vsakem primeru kmalu ) bi se proces obrnil in prišlo bi do kolapsa. Če bi bil pok malo močnejši, bi se vesolje lahko spremenilo v preveč redko "tekočo juho" in nastajanje zvezd bi bilo onemogočeno. Možnosti našega obstoja so bile dobesedno astronomsko majhne. Razmerje med snovjo in energijo ter prostornino prostora ob velikem poku bi moralo ostati znotraj enega kvadrilijona enega odstotka idealnega razmerja.

Newsweek je predlagal, da je obstajal Nekdo, ki je nadzoroval nastanek vesolja, ki je vedel: »odstranite celo eno stopinjo (kot je omenjeno zgoraj, je bila meja napake ena kvadrilijoninka enega odstotka), ... in rezultat ne bi bil samo disharmonija , ampak večna entropija in led.

Astrofizik Alan Lightman je priznal: "Dejstvo, da je bilo vesolje ustvarjeno na tako visoko organiziran način, je skrivnost [za znanstvenike]." Dodal je, da bo "vsaka kozmološka teorija, ki trdi, da je uspešna, sčasoma morala pojasniti to entropijsko skrivnost": zakaj vesolje ni zapadlo v kaos. Očitno tako majhna verjetnost pravilnega razvoja dogodkov ne more biti nesreča. (Citirano v Prebudite se!, številka 22.6.99, str. 7.)

DRUGI IZVOR TERMODINAMIKE IN IZVOR ŽIVLJENJA

Kot že omenjeno, so med kreacionisti priljubljene teorije, da drugi zakon termodinamike dokazuje nemožnost spontanega nastanka življenja iz nežive snovi. Že v poznih sedemdesetih in zgodnjih osemdesetih letih prejšnjega stoletja je Inštitut za raziskovanje kreacije izdal knjigo o tej temi in celo poskušal dopisovati z Akademijo znanosti ZSSR o tem vprašanju (dopisovanje je bilo neuspešno).

Vendar, kot smo videli zgoraj, drugi zakon termodinamike deluje samo v izoliranih sistemih. Vendar Zemlja ni izoliran sistem, saj nenehno prejema energijo od Sonca in jo nasprotno oddaja vesolju. In živ organizem (tudi na primer živa celica) se poleg tega izmenjuje z okoljem in snovjo. Zato drugi zakon termodinamike po definiciji ne velja za to vprašanje.

Zgoraj je bilo tudi omenjeno, da ima materialni svet neko splošno težnjo k povečanju entropije, zaradi česar se stvari pogosteje uničijo in zapadejo v kaos, kot pa se ustvarijo. Vendar, kot smo ugotovili, to ni zakon. Še več, če se odtrgamo od makrokozmosa, ki ga poznamo, in se potopimo v mikrokozmos - svet atomov in molekul (namreč, iz njega se je, kot se domneva, začelo življenje), potem bomo videli, da je veliko lažje obrniti procese naraščanja entropije v njej. Včasih je v njem dovolj en slep, nekontroliran udarec, da začne entropija sistema upadati. Naš planet je vsekakor poln primerov takšnih vplivov: sončno sevanje v ozračju, vulkanska toplota na dnu oceana, veter na površju zemlje itd. In kot posledica njih številni procesi že tečejo v nasprotno, zanje »neugodno« smer ali pa postane nasprotna smer zanje »ugodna« (glej primere zgoraj v podnaslovu »Primeri zmanjševanja entropije v neživi naravi«). Zato niti naše splošne težnje po povečanju entropije ne moremo uporabiti za nastanek življenja kot absolutno pravilo: pri tem je preveč izjem.

Navedeno seveda ne pomeni, da bi življenje lahko nastalo samo od sebe, ker drugi zakon termodinamike ne prepoveduje spontanega nastanka življenja. Obstaja še marsikaj, zaradi česar je takšen proces nemogoč ali zelo malo verjeten, a niso več povezane s termodinamiko in njenim drugim zakonom.

Na primer, znanstvenikom je v umetnih pogojih uspelo pridobiti več vrst aminokislin s posnemanjem pričakovanih pogojev primarne atmosfere Zemlje. Aminokisline so nekakšni gradniki življenja: v živih organizmih so iz njih zgrajene beljakovine (proteini). Vendar pa so beljakovine, potrebne za življenje, sestavljene iz več sto, včasih pa tudi na tisoče aminokislin, povezanih v strogem zaporedju in položenih na poseben način v posebno obliko (glej sliko na desni). Če povežete aminokisline v naključnem vrstnem redu, potem bo verjetnost, da ustvarite samo eno relativno preprosto funkcionalno beljakovino, zanemarljiva - tako majhna, da se ta dogodek ne bo nikoli zgodil. Priznati njihovo naključno pojavljanje je približno enako, kot če bi v gorah našli več opekam podobnih kamnov, trditi, da je kamnita hiša, ki stoji v bližini, nastala naključno iz istih kamnov pod vplivom naravnih procesov.

Po drugi strani pa za obstoj življenja tudi same beljakovine niso dovolj: potrebne so nič manj kompleksne molekule DNK in RNK, katerih naključno pojavljanje je prav tako neverjetno. DNK je v bistvu ogromno skladišče strukturiranih informacij, ki so potrebne za izdelavo beljakovin. Služi ji cel kompleks beljakovin in RNA, ki kopirajo in popravljajo te informacije ter jih uporabljajo "za proizvodne namene". Vse to je enoten sistem, katerega komponente ločeno nimajo smisla in nobene od njih ni mogoče odstraniti iz njega. Samo začeti se je treba poglobiti v strukturo tega sistema in načela njegovega delovanja, da bi razumeli, da je briljantni oblikovalec delal na njegovem ustvarjanju.

DRUGI IZVOR TERMODINAMIKE IN VERA V STVARNIKA

Ali je drugi zakon termodinamike združljiv z vero v Stvarnika na splošno? Ne le z dejstvom, da obstaja, ampak z dejstvom, da je ustvaril vesolje in življenje na Zemlji (Geneza 1:1–27; Razodetje 4:11); da je obljubil, da bo zemlja obstajala večno (Psalm 103:5), kar pomeni, da bosta tako Sonce kot Vesolje v takšni ali drugačni obliki večna; da bodo ljudje večno živeli v nebesih na zemlji in ne bodo nikoli umrli (Psalm 36:29; Matej 25:46; Razodetje 21:3, 4)?

Mirno lahko rečemo, da je vera v drugi zakon termodinamike popolnoma združljiva z vero v Stvarnika in njegove obljube. In razlog za to je v sami formulaciji tega zakona: "v izoliranem sistemu se entropija ne more zmanjšati." Vsak izoliran sistem ostane izoliran le toliko časa, dokler se nihče ne vmešava v njegovo delo, vključno s Stvarnikom. A takoj, ko posreduje in vanj pošlje del svoje neusahljive sile, bo sistem prenehal biti izoliran in v njem bo prenehal delovati drugi zakon termodinamike. Enako lahko rečemo za bolj splošno težnjo k povečanju entropije, o kateri smo govorili zgoraj. Da, očitno je, da je skoraj vse, kar obstaja okoli nas - od atomov do vesolja - nagnjeno k uničenju in degradaciji skozi čas. Toda Stvarnik ima potrebno moč in modrost, da ustavi kakršne koli degradacijske procese in jih celo obrne, ko meni, da je to potrebno.

Katere procese ljudje običajno predstavljajo kot tiste, ki onemogočajo večno življenje?

· Čez nekaj milijard let bo sonce ugasnilo. To bi se zgodilo, če se Stvarnik nikoli ne bi vmešal v njegovo delo. Vendar je on Stvarnik vesolja in ima gromozansko energijo, dovolj, da Sonce gori večno. Na primer, s porabo energije lahko obrne jedrske reakcije, ki potekajo na Soncu, kot da bi ga napolnil z gorivom za več milijard let, in tudi dopolni količine snovi, ki jih Sonce izgubi v obliki sončnega vetra.

· Prej ali slej bo Zemlja trčila v asteroid ali črno luknjo. Ne glede na to, kako majhna je verjetnost za to, obstaja in bi se torej v večnosti zagotovo uresničila. Vendar pa lahko Bog s svojo močjo vnaprej zaščiti Zemljo pred kakršno koli škodo in preprosto prepreči, da bi se tako nevarni predmeti približali našemu planetu.

· Luna bo odletela z Zemlje in Zemlja bo postala nenaseljiva. Luna stabilizira nagib zemeljske osi, zaradi česar se podnebje na njej ohranja bolj ali manj konstantno. Luna se postopoma oddaljuje od Zemlje, zaradi česar bi se lahko v prihodnosti spremenil nagib osi in podnebje postalo nevzdržno. Toda Bog ima seveda potrebno moč, da prepreči takšne katastrofalne spremembe in obdrži Luno v njeni orbiti, kjer se mu zdi primerno.

Nobenega dvoma ni, da so stvari v materialnem svetu nagnjene k staranju, degradaciji in uničenju. Vendar se moramo spomniti, da je sam Bog ustvaril svet na ta način. In tako je bil to del njegovega načrta. Svet ni bil zasnovan tako, da bi večno obstajal ločeno od Boga. Nasprotno, ustvarjen je bil, da bi večno obstajal pod Božjim nadzorom. In ker je imel Bog tako modrost kot moč, da je ustvaril svet, nimamo razloga dvomiti, da ima enako moč in modrost, da za vedno skrbi za svoje stvarstvo in drži vse v njem pod svojim nadzorom.

Naslednje svetopisemske vrstice nam zagotavljajo, da bodo Sonce, Luna, Zemlja in ljudje obstajali večno:
· « Bali se te bodo, dokler bosta sonce in luna – iz roda v rod» (Psalm 72:5)
· « [Zemlja] se ne bo tresla za vedno, za vedno» (Psalm 103:5)
· « Pravični bodo podedovali zemljo in živeli na njej večno» (Psalm 37:29)

Zato nam nič ne preprečuje, da bi hkrati verjeli v drugi zakon termodinamike in ga imeli za pravilno znanstveno načelo ter bili hkrati globoko verni ljudje in čakali na izpolnitev vseh Božjih obljub, zapisanih v Svetem pismu.

UPORABLJAJTE ISKRENE ARGUMENTE

Torej, če ste vernik, kateri od verskih skupin, omenjenih na začetku članka, bi dodali svoj glas? Udeležencem zgoraj opisanih demonstracij krščanskih konservativcev, ki zahtevajo odpravo drugega zakona termodinamike? Ali kreacionistom, ki uporabljajo ta zakon kot dokaz, da je Bog ustvaril življenje? Jaz sem za nikogar.

Večina vernikov svojo vero tako ali drugače brani, nekateri pa za to uporabljajo podatke znanosti, ki v veliki meri potrjujejo obstoj Stvarnika. Vendar je pomembno, da se spomnimo enega resnega svetopisemskega načela: »v vsem hočemo biti pošteni« (Hebrejcem 13:18). Zato bi bilo seveda napačno uporabljati kakršne koli napačne argumente za dokazovanje obstoja Boga.

Kot smo videli iz tega članka, drugega zakona termodinamike ni mogoče uporabiti kot dokaz obstoja Boga, tako kot obstoj ali neobstoj Boga ne dokazuje ali ovrže drugega zakona termodinamike. Drugi zakon preprosto ni neposredno povezan z vprašanjem obstoja Stvarnika, kot tudi velika večina drugih fizikalnih zakonov (na primer zakon univerzalne gravitacije, zakon o ohranitvi gibalne količine, Arhimedov zakon, ali vsa druga načela termodinamike).

Božje stvaritve nam ponujajo veliko število prepričljivih dokazov, pa tudi posrednih dokazov o obstoju Stvarnika. Če se torej katera od trditev, ki smo jih prej uporabili kot dokaz, izkaže za napačno, se je ne smete bati zavrniti, da bi za obrambo svoje vere uporabili le poštene argumente.

Izraža zakon ohranjanja in transformacije energije, ne omogoča določitve smeri toka termodinamičnih procesov. Poleg tega si lahko predstavljamo številne procese, ki niso v nasprotju s prvim zakonom, pri katerih se energija ohranja, vendar se v naravi ne izvajajo. Pojav drugega zakona termodinamike - potreba po odgovoru na vprašanje, kateri procesi so v naravi možni in kateri ne - določa smer, v kateri se procesi razvijajo.

Z uporabo pojma entropije in Clausiusove neenakosti, drugi zakon termodinamike lahko formuliramo kot zakon povečanja entropije zaprtega sistema med ireverzibilnimi procesi: vsak ireverzibilen proces v zaprtem sistemu se zgodi tako, da se entropija sistema poveča.

Lahko damo bolj jedrnato formulacijo drugega zakona termodinamike:

V procesih, ki potekajo v zaprtem sistemu, se entropija ne zmanjša. Pri tem je bistveno, da govorimo o zaprtih sistemih, saj se lahko v odprtih sistemih entropija poljubno obnaša (zmanjša, poveča, ostane konstantna). Poleg tega še enkrat ugotavljamo, da entropija ostane konstantna v zaprtem sistemu samo za reverzibilne procese. Pri ireverzibilnih procesih v zaprtem sistemu se entropija vedno poveča.

Boltzmannova formula omogoča razlago povečanja entropije v zaprtem sistemu, ki ga predpostavlja drugi zakon termodinamike med ireverzibilnimi procesi: povečanje entropije pomeni prehod sistema od manj verjetnega k bolj verjetnemu države. Tako nam Boltzmannova formula omogoča statistično razlago drugega zakona termodinamike. Ker je statistični zakon, opisuje pravilnosti kaotičnega gibanja velikega števila delcev, ki sestavljajo zaprt sistem.

Naj navedemo še dve formulaciji drugega zakona termodinamike:

1) po Kelvinu: krožni proces je nemogoč, katerega edini rezultat je pretvorba toplote, prejete od grelnika, v delo, ki mu je enakovredno;

2) po Clausiusu : nemogoč je krožni proces, katerega edini rezultat je prenos toplote z manj segretega telesa na bolj segreto.

Dokaj enostavno je dokazati (prepuščamo bralcu) enakovrednost Kelvinovih in Clausiusovih formulacij. Poleg tega je prikazano, da če se v zaprtem sistemu izvaja namišljen proces, ki je v nasprotju z drugim zakonom termodinamike v Clausiusovi formulaciji, ga spremlja zmanjšanje entropije. To dokazuje tudi enakovrednost Clausiusove (in posledično Kelvinove) formulacije in statistične formulacije, po kateri se entropija zaprtega sistema ne more zmanjševati.

Sredi XIX stoletja. pojavil se je problem tako imenovane toplotne smrti vesolja . Ker je vesolje obravnaval kot zaprt sistem in zanj uporabil drugi zakon termodinamike, je Clausius njegovo vsebino skrčil na izjavo, da mora entropija vesolja doseči svoj maksimum. To pomeni, da se morajo sčasoma vse oblike gibanja spremeniti v termične.

Prenos toplote z vročih teles na hladna bo pripeljal do dejstva, da bo temperatura vseh teles v vesolju postala enaka, tj. nastopilo bo popolno toplotno ravnovesje in vsi procesi v vesolju se bodo ustavili – nastopila bo toplotna smrt vesolja. Napačen sklep o toplotni smrti je v tem, da drugega zakona termodinamike nima smisla uporabljati za nezaprte sisteme, na primer za tako neomejen in neskončno razvijajoč se sistem, kot je vesolje. Na nedoslednost sklepa o toplotni smrti je opozoril tudi F. Engels v svojem delu "Dialektika narave".

Prva dva zakona termodinamike ne zagotavljata dovolj informacij o obnašanju termodinamičnih sistemov pri ničelni Kelvini. Dopolnjujejo se tretji zakon termodinamike, oz Nernstov izrek(V. F. G. Nernst (1864-1941) - nemški fizik in fizikokemik) - deska: entropija vseh teles v ravnovesju teži k ničli, ko se temperatura približa nič Kelvinov:

Ker je entropija definirana do aditivne konstante, je priročno vzeti to konstanto enako nič (vendar upoštevajte, da je to poljubna predpostavka, saj je entropija po svoji naravi entitete vedno določena do aditivne konstante). Iz Nernst-Planckovega izreka sledi, da toplotne kapacitete C str in C V pri 0K so nič.

Drugi zakon termodinamike ireverzibilnih procesov. Šolska enciklopedija