Tinutukoy ng pangalawang batas ng thermodynamics ang direksyon ng mga tunay na proseso ng thermal na nagaganap sa isang may hangganang bilis.

Pangalawang simula(pangalawang batas) thermodynamics Mayroon itong ilang formulations . Halimbawa, anumang aksyon, nauugnay sa conversion ng enerhiya(iyon ay, sa paglipat ng enerhiya mula sa isang anyo patungo sa isa pa), ay hindi maaaring mangyari nang walang pagkawala nito sa anyo ng init na nawala sa kapaligiran. Sa mas maraming pangkalahatang pananaw Nangangahulugan ito na ang mga proseso ng pagbabagong-anyo (pagbabagong-anyo) ng enerhiya ay maaaring mangyari nang kusang-loob lamang sa ilalim ng kondisyon na ang enerhiya ay pumasa mula sa isang puro (nakaayos) na anyo tungo sa isang dispersed (disordered) na anyo.

Isa pa kahulugan Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay direktang nauugnay sa Prinsipyo ni Clausius : Ang isang proseso kung saan walang pagbabagong nagaganap maliban sa paglipat ng init mula sa isang mainit na katawan patungo sa isang malamig ay hindi maibabalik, iyon ay, ang init ay hindi maaaring kusang lumipat mula sa isang mas malamig na katawan patungo sa isang mas mainit. Kung saan tulad ng muling pamamahagi ng enerhiya sa system nailalarawan sa pamamagitan ng magnitude , tinawag entropy , na parang function ng estado Ang thermodynamic system (isang function na may kabuuang differential) ay unang ipinakilala sa 1865 taon mismo ni Clausius. Entropy – ito ay isang sukatan ng hindi maibabalik na pagwawaldas ng enerhiya. Kung mas malaki ang dami ng enerhiya na hindi maibabalik bilang init, mas malaki ang entropy.

Kaya, mula sa mga pormulasyon na ito ng pangalawang batas ng thermodynamics maaari nating tapusin na anumang sistema , na ang mga ari-arian ay nagbabago sa paglipas ng panahon, nagsusumikap para sa isang estado ng balanse, kung saan entropy ng system tumatagal ng pinakamataas na halaga. Dahil dito pangalawang batas ng thermodynamics madalas tumawag batas ng pagtaas ng entropy , at ang kanyang sarili entropy (Paano pisikal na bilang o bilang isang pisikal na konsepto) ay isinasaalang-alang bilang isang sukatan ng panloob na karamdaman ng isang physicochemical system .

Sa ibang salita, entropy – function ng estado nailalarawan ang direksyon ng mga kusang proseso sa isang sarado sistemang thermodynamic. Sa isang estado ng balanse, ang entropy ng isang saradong sistema ay umabot sa isang maximum at walang mga macroscopic na proseso ang posible sa naturang sistema. Ang pinakamataas na entropy ay tumutugma sa kumpletong kaguluhan .

Kadalasan, ang paglipat ng isang sistema mula sa isang estado patungo sa isa pa ay hindi nailalarawan sa pamamagitan ng ganap na halaga ng entropy S , at ang pagbabago nito ∆ S , na katumbas ng ratio ng pagbabago sa dami ng init (nakipag-usap sa system o inalis mula dito) sa ganap na temperatura ng system: ∆ S= ∆Q/T J/deg. Ito ang tinatawag na thermodynamic entropy .

Bilang karagdagan, mayroon ang entropy istatistikal na kahulugan. Kapag lumilipat mula sa isang macrostate patungo sa isa pa, ang entropy ng istatistika ay tumataas din, dahil ang gayong paglipat ay palaging sinasamahan ng isang malaking bilang ng mga microstate, at ang estado ng balanse (kung saan ang sistema ay may gawi) ay nailalarawan sa maximum na bilang ng mga microstate.

Kaugnay ng konsepto ng entropy sa thermodynamics, ang konsepto ng oras ay nagkakaroon ng bagong kahulugan. Sa klasikal na mekanika, ang direksyon ng oras ay hindi isinasaalang-alang at ang estado ng isang mekanikal na sistema ay maaaring matukoy kapwa sa nakaraan at sa hinaharap. Sa thermodynamics, lumilitaw ang oras sa anyo ng isang hindi maibabalik na proseso ng pagtaas ng entropy sa isang sistema. Iyon ay, mas malaki ang entropy, mas mahaba ang tagal ng panahon na lumipas ang sistema sa pag-unlad nito.

Bukod sa, upang maunawaan ang pisikal na kahulugan ng entropy dapat isaisip na sa kalikasan mayroong apat na klase ng thermodynamic system :

A) nakahiwalay na mga sistema o sarado(sa panahon ng paglipat ng mga naturang sistema mula sa isang estado patungo sa isa pa, walang paglilipat ng enerhiya, bagay at impormasyon sa mga hangganan ng system);

b) adiabatic system(wala lang init exchange sa kapaligiran);

V) mga saradong sistema(magpalitan ng enerhiya, ngunit hindi mahalaga, sa mga kalapit na sistema) (halimbawa, sasakyang pangkalawakan);

G) bukas na mga sistema(magpalitan ng bagay, enerhiya at impormasyon sa kapaligiran). Sa mga sistemang ito, dahil sa pagdating ng enerhiya mula sa labas, maaaring lumitaw ang mga dissipative na istruktura na may mas mababang entropy.

Para sa mga bukas na sistema, bumababa ang entropy. Pangunahing inaalala ng huli mga sistemang biyolohikal, iyon ay, mga buhay na organismo, na mga open nonequilibrium system. Ang ganitong mga sistema ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga gradient ng konsentrasyon mga kemikal na sangkap, temperatura, presyon at iba pang pisikal at kemikal na dami. Ang paggamit ng mga konsepto ng modernong, iyon ay, nonequilibrium thermodynamics, ay ginagawang posible na ilarawan ang pag-uugali ng bukas, iyon ay, mga tunay na sistema. Ang ganitong mga sistema ay palaging nakikipagpalitan ng enerhiya, bagay at impormasyon sa kanilang kapaligiran. Bukod dito, ang mga naturang metabolic na proseso ay katangian hindi lamang ng mga pisikal o biological na sistema, kundi pati na rin ng mga sistemang sosyo-ekonomiko, kultura, kasaysayan at makatao, dahil ang mga prosesong nagaganap sa mga ito ay, bilang panuntunan, ay hindi maibabalik.

Ang ikatlong batas ng thermodynamics (ikatlong batas ng thermodynamics) ay nauugnay sa konsepto ng "absolute zero". Pisikal na kahulugan Ang batas na ito, na ipinakita sa thermal theorem ng W. Nernst (German physicist), ay binubuo sa pangunahing imposibilidad na maabot ang absolute zero (-273.16ºС), kung saan dapat huminto ang translational thermal motion ng mga molekula, at ang entropy ay titigil sa pagdepende sa ang mga parameter pisikal na kalagayan mga sistema (sa partikular, mula sa mga pagbabago sa thermal energy). Ang theorem ni Nernst ay nalalapat lamang sa thermodynamically equilibrium states ng mga system.

Sa madaling salita, ang teorama ni Nernst ay maaaring ibigay sa sumusunod na pagbabalangkas: kapag lumalapit sa absolute zero, ang entropy increment∆S ay may posibilidad sa isang mahusay na tinukoy na pangwakas na limitasyon, independiyente sa mga halaga na kinuha ng lahat ng mga parameter na nagpapakilala sa estado ng system(halimbawa, dami, presyon, estado ng pagsasama-sama atbp.).

Unawain ang kakanyahan ng teorama ni Nernst posible sa ang sumusunod na halimbawa. Habang bumababa ang temperatura ng gas, magaganap ang condensation nito at bababa ang entropy ng system, dahil ang mga molekula ay inilalagay sa mas maayos na paraan. Sa isang karagdagang pagbaba sa temperatura, ang pagkikristal ng likido ay magaganap, na sinamahan ng isang mas mahusay na kaayusan sa pag-aayos ng mga molekula at, dahil dito, isang mas malaking pagbaba sa entropy. Sa ganap na zero na temperatura, ang lahat ng thermal motion ay huminto, ang kaguluhan ay nawawala, ang bilang ng mga posibleng microstate ay bumababa sa isa, at ang entropy ay lumalapit sa zero.

4. Ang konsepto ng self-organization. Sariling organisasyon sa mga bukas na sistema.

Konsepto " synergetics" ay iminungkahi noong 1973 ng German physicist na si Hermann Haken upang ipahiwatig ang direksyon, tinawag pananaliksik pangkalahatang batas sariling organisasyon – ang phenomenon ng coordinated action ng mga elemento ng isang complex system na walang external control action. Synergetics (isinalin mula sa Greek – joint, coordinated, facilitating) – direksyong siyentipiko nag-aaral koneksyon sa pagitan ng mga elemento ng istraktura(mga subsystem), na nabuo sa mga bukas na sistema (biological, physico-chemical, geological-heographical, atbp.) salamat sa intensive(streaming) pagpapalitan ng bagay, enerhiya at impormasyon sa kapaligiran sa mga di-equilibrium na kondisyon. Sa ganitong mga sistema, ang coordinated na pag-uugali ng mga subsystem ay sinusunod, bilang isang resulta kung saan ang antas ng pagtaas ng order (bumababa ang entropy), iyon ay, ang proseso ng self-organization ay bubuo.

Punto ng balansemayroong isang estado ng kapayapaan at simetrya, A kawalaan ng simetrya nangunguna sa estado ng paggalaw at di-equilibrium .

Makabuluhang kontribusyon sa teorya ng self-organization ng mga system iniambag ng isang Belgian physicist na may pinagmulang Ruso I.R. Prigogine (1917-2003). Ipinakita niya iyon sa dissipative system (mga sistema kung saan nagaganap ang pagwawaldas ng entropy) sa kurso ng hindi maibabalik na mga prosesong hindi balanse, umuutos na mga pormasyon, na tinawag niyang mga dissipative na istruktura.

Sariling organisasyon- Ito ang proseso ng kusang paglitaw ng kaayusan at organisasyon mula sa kaguluhan(gulo) sa mga open nonequilibrium system. Random na paglihis ng mga parameter ng system mula sa equilibrium ( pagbabagu-bago) gumaganap ng napakahalagang papel sa paggana at pagkakaroon ng sistema. Dahil sa paglago ng mga pagbabago kapag sumisipsip ng enerhiya mula sa kapaligiran sistema umaabot sa ilan kritikal na kondisyon At napupunta sa isang bagong steady state Sa higit pa mataas na lebel kahirapan At utos kumpara sa nauna. Ang sistema, na nag-aayos sa sarili sa isang bagong nakatigil na estado, ay binabawasan ang entropy nito; ito, parang, "itinatapon" ang labis nito, na tumataas dahil sa mga panloob na proseso, sa kapaligiran.

Umuusbong mula sa kaguluhan nakaayos na istraktura (pang-akit , o dissipative structure) ay resulta ng kompetisyon set ng lahat ng posibleng estado na naka-embed sa system. Bilang resulta ng kumpetisyon, mayroong isang kusang pagpili ng pinaka-agpang na istraktura sa ilalim ng kasalukuyang mga kondisyon.

Synergetics ay batay sa thermodynamics ng nonequilibrium na mga proseso, ang teorya ng random na mga proseso, ang teorya ng nonlinear oscillations at waves.

Sinusuri ng Synergetics ang paglitaw at pag-unlad ng mga sistema. Makilala tatlong uri ng sistema: 1) sarado, na hindi nagpapalitan ng bagay, enerhiya, o impormasyon sa mga kalapit na sistema (o sa kapaligiran); 2) sarado na nagpapalitan ng enerhiya, ngunit hindi mahalaga, sa mga kalapit na sistema (halimbawa, isang spacecraft); 3) bukas, na nagpapalit ng parehong bagay at enerhiya sa mga kalapit na sistema. Halos lahat ng natural (ekolohikal) na sistema ay bukas na uri.

Pagkakaroon ng mga sistema hindi maisip walang koneksyon. Ang huli ay nahahati sa direkta at kabaligtaran. Diretso tawag nila dito koneksyon , kung saan ang isang elemento ( A) kumikilos sa iba ( SA) nang walang tugon. Sa puna elemento SA tumutugon sa pagkilos ng elemento A. Maaaring positibo o negatibo ang feedback.

Positibong feedback humahantong sa pagtindi ng proseso sa isang direksyon. Ang isang halimbawa ng pagkilos nito ay ang waterlogging ng isang lugar (halimbawa, pagkatapos ng deforestation). Proseso nagsisimula kumilos V isang direksyon: tumaas na kahalumigmigan – pagkaubos ng oxygen – mas mabagal na pagkabulok ng mga nalalabi ng halaman – akumulasyon ng pit – higit pang tumaas na waterlogging.

Feedback negatibong feedback kumikilos sa paraang bilang tugon sa tumaas na pagkilos ng elemento A ang tapat na direksyon na puwersa ng elemento ay tumataas B. Ang koneksyon na ito ay nagpapahintulot sa system na manatili sa estado matatag na dynamic na ekwilibriyo. Ito ang pinakakaraniwan at mahalagang pananaw koneksyon sa mga natural na sistema. Ang mga ito ay pangunahing batayan para sa pagpapanatili at katatagan ng mga ecosystem.

Mahalagang ari-arian mga sistema ay paglitaw (isinalin mula sa Ingles - paglitaw, hitsura ng isang bagay na bago). Ang pag-aari na ito ay nakasalalay sa katotohanan na ang mga katangian ng system sa kabuuan ay hindi isang simpleng kabuuan ng mga katangian ng mga bahagi o elemento ng bumubuo nito, ngunit ang mga interrelasyon ng iba't ibang mga link ng system ay tumutukoy sa bagong kalidad nito.

Ang synergetic na diskarte sa pagsasaalang-alang ng mga sistema ay batay sa tatlong konsepto: kawalan ng balanse, pagiging bukas At nonlinearity .

Disequilibrium(katatagan) – estado ng sistema, kung saan nangyayari ang pagbabago sa mga macroscopic na parameter nito, iyon ay, komposisyon, istraktura, pag-uugali.

Pagkabukas -kakayahan ng sistema patuloy na nakikipagpalitan ng bagay, enerhiya, impormasyon sa kapaligiran at may parehong "mga mapagkukunan" - mga zone ng muling pagdadagdag ng enerhiya mula sa kapaligiran, at mga zone ng dissipation, "lubog".

Nonlinearity -ari-arian ng sistema manatili sa iba nakatigil na estado, naaayon sa iba't ibang tinatanggap na batas ng pag-uugali ng sistemang ito.

SA nonlinear system nagpapatuloy ang pag-unlad ayon sa mga hindi linear na batas, na humahantong sa isang multivariate na pagpili ng mga landas at mga alternatibo para sa pag-alis sa estado ng kawalang-tatag. SA nonlinear system maaaring magsuot ng mga proseso matalim na threshold ng character kapag, na may unti-unting pagbabago sa mga panlabas na kondisyon, ang isang biglaang paglipat sa isa pang kalidad ay sinusunod. Kasabay nito, ang mga lumang istraktura ay nawasak, lumilipat sa qualitatively bagong mga istraktura.

Mayroong ilang mga pormulasyon ng pangalawang batas ng thermodynamics, dalawa sa mga ito ay ibinigay sa ibaba:

· ang init ay hindi maaaring mag-isa na lumipat mula sa isang katawan na may mas mababang temperatura patungo sa isang katawan na may mas mataas na temperatura(pagbabalangkas ni R. Clausius);

· Ang isang walang hanggang motion machine ng pangalawang uri ay imposible, iyon ay, tulad ng isang pana-panahong proseso, ang tanging resulta kung saan ay ang conversion ng init sa trabaho dahil sa paglamig ng isang katawan (pagbabalangkas ni Thomson).

Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay nagpapahiwatig ng hindi pagkakapantay-pantay ng dalawang anyo ng paglipat ng enerhiya - trabaho at init. Isinasaalang-alang ng batas na ito ang katotohanan na ang proseso ng paglipat ng enerhiya ng iniutos na paggalaw ng isang katawan bilang isang buo (mechanical energy) sa enerhiya ng hindi maayos na paggalaw ng mga particle nito (thermal energy) ay hindi maibabalik. Halimbawa, ang mekanikal na enerhiya sa panahon ng alitan ay na-convert sa init nang walang anumang karagdagang mga proseso. Ang paglipat ng enerhiya ng hindi maayos na paggalaw ng butil (panloob na enerhiya) sa trabaho ay posible lamang kung ito ay sinamahan ng ilang karagdagang proseso. Kaya, ang isang heat engine na tumatakbo sa isang direktang cycle ay gumagawa lamang ng trabaho dahil sa init na ibinibigay mula sa heater, ngunit sa parehong oras bahagi ng natanggap na init ay inilipat sa refrigerator.

Entropy. Bilang karagdagan sa panloob na enerhiya U, na isang natatanging function ng mga parameter ng estado ng system; ang iba pang mga function ng estado ay malawakang ginagamit sa thermodynamics ( libreng enerhiya, enthalpy At entropy).

Konsepto entropy ipinakilala noong 1865 ni Rudolf Clausius. Ang salitang ito ay nagmula sa Griyego. entropia at literal na ibig sabihin lumiko, pagbabagong-anyo. sa thermodynamics, ang terminong ito ay ginagamit upang ilarawan ang mga pagbabagong-anyo iba't ibang uri enerhiya (mekanikal, elektrikal, ilaw, kemikal) sa thermal, iyon ay, sa random, magulong paggalaw ng mga molekula. Imposibleng kolektahin ang enerhiya na ito at ibalik ito sa mga species kung saan ito nakuha.

Para sa pagtukoy mga sukat ng hindi maibabalik na pagkakalat o pagwawaldas enerhiya at ang konseptong ito ay ipinakilala. Entropy S ay isang tungkulin ng estado. Namumukod-tangi ito sa iba pang mga thermodynamic function dahil mayroon ito istatistika, iyon ay, probabilistikong kalikasan.

Kung ang isang proseso na kinasasangkutan ng pagtanggap o pagpapalabas ng init ay nangyayari sa isang thermodynamic system, ito ay humahantong sa isang pagbabago ng entropy ng system, na maaaring tumaas o bumaba. Sa panahon ng hindi maibabalik na cycle, ang entropy ng isang nakahiwalay na sistema ay tumataas

dS> 0. (3.4)

Nangangahulugan ito na ang hindi maibabalik na pagwawaldas ng enerhiya ay nangyayari sa system.

Kung ang isang nababaligtad na proseso ay nangyari sa isang saradong sistema, ang entropy ay nananatiling hindi nagbabago

dS= 0. (3.5)

Ang pagbabago sa entropy ng isang nakahiwalay na sistema kung saan ang isang napakaliit na halaga ng init ay ibinibigay ay tinutukoy ng kaugnayan:

. (3.6)

Ang ugnayang ito ay may bisa para sa isang nababagong proseso. Para sa isang hindi maibabalik na proseso na nagaganap sa isang saradong sistema, mayroon kaming:

dS> .

Sa isang bukas na sistema, palaging tumataas ang entropy. Ang pag-andar ng estado na ang pagkakaiba ay tinatawag nabawasan ang init.

Kaya, sa lahat ng mga prosesong nagaganap sa isang saradong sistema, ang entropy ay tumataas sa panahon ng hindi maibabalik na mga proseso at nananatiling hindi nagbabago sa panahon ng mga nababalik na proseso. Dahil dito, ang mga pormula (3.4) at (3.5) ay maaaring pagsamahin at ipakita sa anyo

dS ³ 0.

Ito istatistika pagbabalangkas ng pangalawang batas ng thermodynamics.

Kung ang sistema ay gumawa ng isang equilibrium transition mula sa estado 1 hanggang sa estado 2, pagkatapos ay ayon sa equation (3.6) , pagbabago ng entropy

D S 1- 2 = S 2 – S 1 = .

Hindi entropy mismo ang may pisikal na kahulugan, ngunit ang pagkakaiba sa pagitan ng mga entropi.

Hanapin natin ang pagbabago sa entropy sa mga ideal na proseso ng gas. Dahil ang:

; ;

o: . (3.7)

Ipinapakita nito na ang pagbabago sa entropy ng isang perpektong gas sa panahon ng paglipat mula sa estado 1 hanggang estado 2 ay hindi nakasalalay sa uri ng proseso ng paglipat 1® 2.

Mula sa formula (3.7) sumusunod na kapag isothermal proseso ( T 1 = T 2):

Sa isochoric proseso, ang pagbabago sa entropy ay katumbas ng

Dahil para sa isang adiabatic na naproseso Q= 0, pagkatapos ay uD S= 0, samakatuwid, ang isang nababaligtad na proseso ng adiabatic ay nangyayari sa patuloy na entropy. Kaya pala siya ang tawag nila proseso ng isentropic.

Ang entropy ng isang sistema ay may pag-aari ng additivity, na nangangahulugan na ang entropy ng system ay katumbas ng kabuuan ng mga entropi ng lahat ng katawan na kasama sa system.

Ang kahulugan ng entropy ay nagiging mas malinaw kung isasama natin ang statistical physics. Sa loob nito, ang entropy ay nauugnay sa thermodynamic na posibilidad ng estado ng system. Ang thermodynamic probability W ng estado ng system ay katumbas ng bilang ng lahat ng posibleng microdistribution ng mga particle kasama ang mga coordinate at velocities, na tumutukoy sa isang ibinigay na macrostate: Walways³ 1, iyon ay thermodynamic probability ay hindi probabilidad sa mathematical sense.

L. Boltzmann (1872) ay nagpakita na ang entropy ng isang sistema ay katumbas ng produkto ng Boltzmann's constant. k sa pamamagitan ng logarithm ng thermodynamic probability W ng isang naibigay na estado

Dahil dito, maaaring ibigay ang entropy ng sumusunod na interpretasyong istatistika: Ang entropy ay isang sukatan ng kaguluhan ng isang sistema. Mula sa formula (3.8) ito ay malinaw: kaysa mas malaking bilang mga microstate na nagpapatupad ng isang ibinigay na macrostate, mas malaki ang entropy. Ang pinaka-malamang na estado ng sistema ay isang estado ng balanse. Ang bilang ng mga microstate ay maximum, samakatuwid, ang entropy ay maximum.

Dahil ang lahat ng mga tunay na proseso ay hindi maibabalik, maaari itong maipagtalo ang lahat ng mga proseso sa isang saradong sistema ay humantong sa isang pagtaas sa entropy - ang prinsipyo ng pagtaas ng entropy.

Sa interpretasyong istatistika entropy, nangangahulugan ito na ang mga proseso sa isang saradong sistema ay gumagalaw sa direksyon mula sa hindi gaanong malamang na mga estado patungo sa mas malamang na mga estado hanggang sa ang posibilidad ng mga estado ay maging pinakamataas.

Ipaliwanag natin gamit ang isang halimbawa. Isipin natin ang isang sisidlan na hinati ng isang partisyon sa dalawang pantay na bahagi A At B. Sa bahagi A may gas, at sa B- vacuum. Kung gumawa ka ng isang butas sa pagkahati, ang gas ay agad na magsisimulang palawakin "mag-isa" at pagkaraan ng ilang oras ay pantay na ipapamahagi sa buong dami ng sisidlan, at ito ay malamang estado ng sistema. Malamang magkakaroon ng estado kung kailan karamihan ng ang mga molekula ng gas ay biglang kusang pinupuno ang isa sa mga kalahati ng sisidlan. Maaari kang maghintay para sa hindi pangkaraniwang bagay na ito hangga't gusto mo, ngunit ang gas mismo ay hindi muling buuin sa mga bahagi. A. Upang gawin ito, kailangan mong gumawa ng ilang trabaho sa gas: halimbawa, ilipat ang kanang dingding ng isang bahagi tulad ng isang piston B. Kaya, ang anumang pisikal na sistema ay may posibilidad na lumipat mula sa isang mas malamang na estado patungo sa isang mas malamang na estado. Ang estado ng balanse ng sistema ay mas malamang.

Gamit ang konsepto ng entropy at hindi pagkakapantay-pantay ni R. Clausius, pangalawang batas ng thermodynamics ay maaaring mabalangkas bilang batas ng pagtaas ng entropy ng isang saradong sistema sa panahon ng hindi maibabalik na mga proseso:

anumang hindi maibabalik na proseso sa isang saradong sistema ay nangyayari sa paraang ang sistema ay mas malamang na pumasok sa isang estado na may mas mataas na entropy, na umaabot sa isang maximum sa isang estado ng ekwilibriyo. Kung hindi:

sa mga prosesong nagaganap sa mga saradong sistema, hindi bumababa ang entropy.

Dapat ito ay nabanggit na pinag-uusapan natin tungkol lamang sa mga closed system.

Kaya, ang pangalawang batas ng thermodynamics ay isang istatistikal na batas. Ito ay nagpapahayag ng mga kinakailangang pattern ng magulong kilusan Malaking numero mga particle na bahagi ng isang nakahiwalay na sistema. Gayunpaman, ang mga pamamaraan ng istatistika ay naaangkop lamang sa kaso ng isang malaking bilang ng mga particle sa system. Para sa isang maliit na bilang ng mga particle (5-10) ang diskarte na ito ay hindi naaangkop. Sa kasong ito, ang posibilidad ng lahat ng mga particle na nasa kalahati ng volume ay hindi na zero, o sa madaling salita, maaaring mangyari ang ganoong kaganapan.

Init Kamatayan ng Uniberso. R. Clausius, na isinasaalang-alang ang Uniberso bilang isang saradong sistema, at inilapat ang pangalawang batas ng thermodynamics dito, binawasan ang lahat sa pahayag na ang entropy ng Uniberso ay dapat maabot ang pinakamataas nito. Nangangahulugan ito na ang lahat ng mga anyo ng paggalaw ay dapat na maging thermal motion, bilang isang resulta kung saan ang temperatura ng lahat ng mga katawan sa Uniberso ay magiging pantay sa paglipas ng panahon, ang kumpletong thermal equilibrium ay magaganap, at ang lahat ng mga proseso ay hihinto lamang: ang thermal death ng Ang uniberso ay magaganap.

Pangunahing equation ng thermodynamics . Pinagsasama ng equation na ito ang mga formula ng una at pangalawang batas ng thermodynamics:

d Q = dU + p dV, (3.9)

Palitan natin ang equation (3.9), na nagpapahayag ng pangalawang batas ng thermodynamics, sa pagkakapantay-pantay (3.10):

Iyon na iyon pangunahing equation ng thermodynamics.

Sa konklusyon, napansin namin muli na kung ang unang batas ng thermodynamics ay naglalaman ng balanse ng enerhiya ng proseso, kung gayon ang pangalawang batas ay nagpapakita ng posibleng direksyon nito.

Ikatlong batas ng thermodynamics

Ang isa pang batas ng thermodynamics ay itinatag sa proseso ng pag-aaral ng mga pagbabago sa entropy mga reaksiyong kemikal noong 1906 ni V. Nernstom. Ang tawag dito Nernst's theorem o ikatlong batas ng thermodynamics at nauugnay sa pag-uugali ng kapasidad ng init ng mga sangkap sa ganap na zero na temperatura.

Ang teorama ni Nernst nagsasaad na kapag lumalapit sa absolute zero, ang entropy ng system ay nagiging zero din, anuman ang halaga ng lahat ng iba pang mga parameter ng estado ng system:

Mula noong entropy , at ang temperatura T may posibilidad na zero, ang kapasidad ng init ng sangkap ay dapat ding maging zero, at mas mabilis kaysa T. ito ay nagpapahiwatig hindi maabot ng ganap na zero na temperatura na may isang may hangganan na pagkakasunud-sunod ng mga proseso ng thermodynamic, iyon ay, isang may hangganan na bilang ng mga operasyon - mga operating cycle ng refrigeration machine (ang pangalawang pagbabalangkas ng ikatlong batas ng thermodynamics).

Mga totoong gas

Van der Waals equation

Mga pagbabago sa estado ng mga rarefied na gas sa sapat mataas na temperatura At mababang presyon inilarawan ng mga ideal na batas ng gas. Gayunpaman, habang tumataas ang presyon at bumababa ang temperatura ng isang tunay na gas, ang mga makabuluhang paglihis mula sa mga batas na ito ay sinusunod, dahil sa mga makabuluhang pagkakaiba sa pagitan ng pag-uugali ng mga tunay na gas at ang pag-uugali na iniuugnay sa mga particle ng isang perpektong gas.

Ang equation ng estado ng mga tunay na gas ay dapat isaalang-alang:

· huling halaga ng sariling dami ng mga molekula;

· atraksyon sa isa't isa mga molekula sa bawat isa.

Para dito, iminungkahi ni J. van der Waals na isama sa equation ng estado hindi ang dami ng sisidlan, tulad ng sa Clapeyron-Mendeleev equation ( pV = RT), at ang dami ng isang nunal ng gas na hindi inookupahan ng mga molekula, iyon ay, ang halaga ( V m - b), Saan V m - dami ng molar. Upang isaalang-alang ang mga puwersa ng pagkahumaling sa pagitan ng mga molekula, ipinakilala ni J. van der Waals ang isang pagwawasto sa presyon na kasama sa equation ng estado.

Sa pamamagitan ng pagpapasok ng mga pagwawasto na may kaugnayan sa pagsasaalang-alang sa intrinsic volume ng mga molekula (repulsive forces) at mga kaakit-akit na pwersa sa Clapeyron-Mendeleev equation, nakuha namin equation ng estado ng isang nunal ng totoong gas bilang:

Ito van der Waals equation, kung saan ang mga constants A At b mayroon magkaibang kahulugan para sa iba't ibang gas.

Gawain sa laboratoryo

§6 Entropy

Karaniwan, ang anumang proseso kung saan ang isang sistema ay dumadaan mula sa isang estado patungo sa isa pa ay nagpapatuloy sa paraang imposibleng isagawa ang prosesong ito sa kabaligtaran na direksyon upang ang sistema ay dumaan sa parehong mga intermediate na estado nang walang anumang mga pagbabagong nagaganap sa mga nakapalibot na katawan. . Ito ay dahil sa ang katunayan na sa proseso bahagi ng enerhiya ay nawala, halimbawa, dahil sa alitan, radiation, atbp Kaya. Halos lahat ng mga proseso sa kalikasan ay hindi maibabalik. Sa anumang proseso, may nawawalang enerhiya. Upang makilala ang pagwawaldas ng enerhiya, ipinakilala ang konsepto ng entropy. ( Nailalarawan ang halaga ng entropy ang thermal state ng system at tinutukoy ang posibilidad ng pagpapatupad ng isang naibigay na estado ng katawan. Kung mas malamang ang isang naibigay na estado ay, mas malaki ang entropy.) Lahat natural na proseso sinamahan ng pagtaas ng entropy. Ang entropy ay nananatiling pare-pareho lamang sa kaso ng isang perpektong nababaligtad na proseso na nagaganap sa isang saradong sistema, iyon ay, sa isang sistema kung saan walang pagpapalitan ng enerhiya sa mga katawan na nasa labas ng sistemang ito.

Entropy at ang termodinamikong kahulugan nito:

Entropy- ito ay isang function ng estado ng system, ang infinitesimal na pagbabago kung saan sa isang reversible na proseso ay katumbas ng ratio ng infinitesimal na halaga ng init na ipinakilala sa prosesong ito sa temperatura kung saan ito ipinakilala.

Sa isang panghuling mababalik na proseso, ang pagbabago sa entropy ay maaaring kalkulahin gamit ang formula:

kung saan ang integral ay kinuha mula sa inisyal na estado 1 ng system hanggang sa huling estado 2.

Dahil ang entropy ay isang function ng estado, kung gayon ang pag-aari ng integralay ang pagsasarili nito mula sa hugis ng contour (landas) kung saan ito kinakalkula; samakatuwid, ang integral ay tinutukoy lamang ng mga inisyal at panghuling estado ng system.

Sa anumang nababaligtad na proseso, ang pagbabago sa entropy ay 0

(1)

Sa thermodynamics napatunayan naSsistemang sumasailalim sa isang hindi maibabalik na cycle ay tumataas

Δ S> 0 (2)

Ang mga ekspresyong (1) at (2) ay nauugnay lamang sa mga saradong sistema, ngunit kung ang sistema ay nagpapalitan ng init panlabas na kapaligiran, saka siyaSmaaaring kumilos sa anumang paraan.

Ang mga relasyon (1) at (2) ay maaaring katawanin bilang hindi pagkakapantay-pantay ni Clausius

ΔS ≥ 0

mga. ang entropy ng isang saradong sistema ay maaaring tumaas (sa kaso ng mga hindi maibabalik na proseso) o manatiling pare-pareho (sa kaso ng mga nababagong proseso).

Kung ang sistema ay gumawa ng isang equilibrium transition mula sa estado 1 hanggang sa estado 2, pagkatapos ay ang entropy ay nagbabago

saan dU At δAay isinulat para sa isang tiyak na proseso. Ayon sa formula na ito ΔStinutukoy hanggang sa isang additive constant. Hindi entropy mismo ang may pisikal na kahulugan, ngunit ang pagkakaiba sa mga entropi. Hanapin natin ang pagbabago sa entropy sa mga ideal na proseso ng gas.

mga. mga pagbabago sa entropyS Δ S 1→2 ng isang perpektong gas sa panahon ng paglipat nito mula sa estado 1 hanggang sa estado 2 ay hindi nakasalalay sa uri ng proseso.

kasi para sa isang adiabatic na proseso δQ = 0, pagkatapos ay Δ S= 0 => S= const , iyon ay, ang isang adiabatic na reversible na proseso ay nangyayari sa pare-parehong entropy. Iyon ang dahilan kung bakit ito ay tinatawag na isentropic.

Sa isang isothermal na proseso (T= const; T 1 = T 2 : )

Sa isang prosesong isochoric (V= const; V 1 = V 2 ; )

Ang entropy ay may pag-aari ng additivity: ang entropy ng isang sistema ay katumbas ng kabuuan ng mga entropi ng mga katawan na kasama sa system.S = S 1 + S 2 + S 3 + ... Ang pagkakaiba ng husay sa pagitan ng thermal motion ng mga molekula at iba pang anyo ng paggalaw ay ang randomness at kaguluhan nito. Samakatuwid, upang makilala ang thermal motion, kinakailangan upang ipakilala ang isang quantitative measure ng antas ng molecular disorder. Kung isasaalang-alang natin ang anumang ibinigay na macroscopic na estado ng isang katawan na may ilang mga average na halaga ng mga parameter, kung gayon ito ay isang bagay maliban sa isang tuluy-tuloy na pagbabago ng malapit na microstates na naiiba sa bawat isa sa pamamahagi ng mga molekula sa iba't ibang parte dami at enerhiya na ipinamahagi sa pagitan ng mga molekula. Ang bilang ng mga patuloy na nagbabagong microstate na ito ay nagpapakilala sa antas ng kaguluhan ng macroscopic na estado ng buong system,way tinatawag na thermodynamic probability ng isang naibigay na microstate. Thermodynamic na posibilidadwAng estado ng isang sistema ay ang bilang ng mga paraan kung saan maaaring maisakatuparan ang isang ibinigay na estado ng isang macroscopic system, o ang bilang ng mga microstate na nagpapatupad ng isang partikular na microstate (w≥ 1, at probabilidad sa matematika ≤ 1 ).

Bilang sukatan ng sorpresa ng isang kaganapan, napagkasunduan na kunin ang logarithm ng probabilidad nito, na kinuha gamit ang minus sign: ang sorpresa ng estado ay katumbas ng =-

Ayon kay Boltzmann, entropySAng mga system at thermodynamic na posibilidad ay nauugnay sa isa't isa tulad ng sumusunod:

saan - Boltzmann pare-pareho (). Kaya, ang entropy ay tinutukoy ng logarithm ng bilang ng mga estado sa tulong kung saan ang isang naibigay na microstate ay maaaring maisakatuparan. Ang entropy ay maaaring ituring bilang isang sukatan ng posibilidad ng estado ng t/d system. Binibigyang-daan tayo ng formula ng Boltzmann na bigyan ng entropy ang sumusunod na interpretasyong istatistika. Ang entropy ay isang sukatan ng kaguluhan ng isang sistema. Sa katunayan, mas malaki ang bilang ng mga microstate na napagtatanto ang isang naibigay na microstate, mas malaki ang entropy. Sa estado ng equilibrium ng system - ang pinaka-malamang na estado ng system - ang bilang ng mga microstate ay maximum, at ang entropy ay maximum din.

kasi ang mga tunay na proseso ay hindi maibabalik, kung gayon maaari itong mapagtatalunan na ang lahat ng mga proseso sa isang saradong sistema ay humantong sa isang pagtaas sa entropy nito - ang prinsipyo ng pagtaas ng entropy. Sa istatistikal na interpretasyon ng entropy, nangangahulugan ito na ang mga proseso sa isang saradong sistema ay nagpapatuloy sa direksyon ng pagtaas ng bilang ng mga microstate, sa madaling salita, mula sa hindi gaanong posibleng mga estado hanggang sa mas malamang, hanggang sa ang posibilidad ng estado ay maging maximum.

§7 Pangalawang batas ng thermodynamics

Ang unang batas ng thermodynamics, na nagpapahayag ng batas ng konserbasyon ng enerhiya at pagbabagong-anyo ng enerhiya, ay hindi nagpapahintulot sa amin na itatag ang direksyon ng daloy ng mga proseso ng t/d. Bilang karagdagan, maaari mong isipin ang maraming mga proseso na hindi sumasalungatakosa simula t/d, kung saan ang enerhiya ay natipid, ngunit sa likas na katangian ay hindi nila napagtanto. Mga posibleng formulation ng pangalawang simula t/d:

1) ang batas ng pagtaas ng entropy ng isang saradong sistema sa panahon ng hindi maibabalik na mga proseso: anumang hindi maibabalik na proseso sa isang saradong sistema ay nangyayari sa paraang ang entropy ng system ay tumataas ΔS≥ 0 (hindi maibabalik na proseso) 2) ΔS≥ 0 (S= 0 para sa nababaligtad at ΔS≥ 0 para sa isang hindi maibabalik na proseso)

Sa mga prosesong nagaganap sa isang saradong sistema, hindi bumababa ang entropy.

2) Mula sa formula ni Boltzmann S = , samakatuwid, ang pagtaas ng entropy ay nangangahulugan ng paglipat ng sistema mula sa isang mas malamang na estado patungo sa isang mas malamang.

3) Ayon kay Kelvin: ang isang pabilog na proseso ay hindi posible, ang tanging resulta nito ay ang pag-convert ng init na natanggap mula sa pampainit sa trabaho na katumbas nito.

4) Ayon kay Clausius: ang isang pabilog na proseso ay hindi posible, ang tanging resulta nito ay ang paglipat ng init mula sa isang hindi gaanong pinainit na katawan patungo sa isang mas pinainit.

Upang ilarawan ang mga t/d system sa 0 K, ang Nernst-Planck theorem (ikatlong batas ng t/d) ay ginagamit: ang entropy ng lahat ng katawan sa isang estado ng equilibrium ay may posibilidad na zero habang ang temperatura ay lumalapit sa 0 K

Mula sa teorama Sinusundan iyon ng Nernst-PlanckC p = C v = 0 sa 0 SA

§8 Mga makinang pampainit at pagpapalamig.

Carnot cycle at ang kahusayan nito

Mula sa pagbabalangkas ng ikalawang batas ng t/d ayon kay Kelvin ay sumusunod na ang isang panghabang-buhay na makina ng paggalaw ng pangalawang uri ay imposible. (Ang perpetual motion machine ay isang pana-panahong nagpapatakbo ng makina na gumaganap ng trabaho sa pamamagitan ng pagpapalamig ng isang pinagmumulan ng init.)

Thermostat ay isang t/d system na maaaring makipagpalitan ng init sa mga katawan nang hindi nagbabago ang temperatura.

Prinsipyo ng pagpapatakbo ng isang heat engine: mula sa isang termostat na may temperatura T 1 - pampainit, ang dami ng init ay inalis sa bawat cycleQ 1 , at ang termostat na may temperatura T 2 (T 2 < T 1) - sa refrigerator, ang dami ng init ay inililipat bawat cycleQ 2 , habang tapos na ang trabaho A = Q 1 - Q 2

Paikot na proseso o cycle ay isang proseso kung saan ang isang sistema, na dumaan sa isang serye ng mga estado, ay bumalik sa orihinal nitong estado. Sa isang state diagram, ang isang cycle ay inilalarawan bilang isang closed curve. Ginawa ang cycle perpektong gas, ay maaaring nahahati sa mga proseso ng pagpapalawak (1-2) at compression (2-1), ang gawain ng pagpapalawak ay positibo A 1-2 > 0, dahilV 2 > V 1 , negatibo ang compression work A 1-2 < 0, т.к. V 2 < V 1 . Dahil dito, ang gawaing ginagawa ng gas bawat cycle ay tinutukoy ng lugar na sakop ng closed curve 1-2-1. Kung ang positibong gawain ay ginagawa sa panahon ng isang cycle (clockwise cycle), kung gayon ang cycle ay tinatawag na forward, kung ito ay isang reverse cycle (ang cycle ay nangyayari sa isang counterclockwise na direksyon).

Direktang ikot ginagamit sa mga heat engine - pana-panahong nagpapatakbo ng mga makina na gumaganap ng trabaho gamit ang init na natanggap mula sa labas. Ang reverse cycle ay ginagamit sa mga makina ng pagpapalamig - pana-panahong nagpapatakbo ng mga pag-install kung saan, dahil sa gawain ng mga panlabas na puwersa, ang init ay inililipat sa isang katawan na may mas mataas na temperatura.

Bilang resulta ng pabilog na proseso, ang sistema ay bumalik sa orihinal nitong estado at, samakatuwid, ang kabuuang pagbabago sa panloob na enerhiya ay zero. PagkataposІ simulan ang t/d para sa pabilog na proseso

Q= Δ U+ A= A,

Iyon ay, ang gawaing ginawa sa bawat cycle ay katumbas ng dami ng init na natanggap mula sa labas, ngunit

Q= Q 1 - Q 2

Q 1 - dami init na natanggap ng system,

Q 2 - dami init na ibinibigay ng system.

Thermal na kahusayan para sa isang pabilog na proseso ay katumbas ng ratio ng gawaing ginawa ng system sa dami ng init na ibinibigay sa system:

Para sa η = 1, dapat matugunan ang kundisyonQ 2 = 0, ibig sabihin. ang isang heat engine ay dapat magkaroon ng isang heat sourceQ 1 , ngunit ito ay sumasalungat sa pangalawang batas ng t/d.

Ang reverse na proseso na nangyayari sa isang heat engine ay ginagamit sa isang refrigeration machine.

Mula sa termostat na may temperatura T 2 ang dami ng init ay inaalisQ 2 at ipinapadala sa termostat na may temperaturaT 1 , dami ng initQ 1 .

Q= Q 2 - Q 1 < 0, следовательно A< 0.

Kung hindi gumagawa ng trabaho, imposibleng kumuha ng init mula sa isang hindi gaanong pinainit na katawan at ibigay ito sa isang mas pinainit.

Batay sa ikalawang batas ng t/d, nakuha ni Carnot ang isang teorama.

Carnot's theorem: mula sa lahat ng pana-panahong nagpapatakbo ng mga heat engine na may parehong temperatura ng pampainit ( T 1) at mga refrigerator ( T 2), pinakamataas na kahusayan. may mga reversible machine. Kahusayan nababaligtad na mga makina na may katumbas T 1 at T 2 ay pantay at hindi nakasalalay sa likas na katangian ng gumaganang likido.

Ang gumaganang katawan ay isang katawan na nagsasagawa ng pabilog na proseso at nakikipagpalitan ng enerhiya sa ibang mga katawan.

Ang Carnot cycle ay isang reversible, pinaka-ekonomikong cycle, na binubuo ng 2 isotherms at 2 adiabats.

1-2 isothermal expansion sa T 1 pampainit; ang init ay ibinibigay sa gasQ 1 at tapos na ang trabaho

2-3 - adiabat. pagpapalawak, gumagana ang gasA 2-3 >0 sa mga panlabas na katawan.

3-4 isothermal compression sa T 2 refrigerator; inaalis ang initQ 2 at tapos na ang trabaho;

4-1-adiabatic compression, ginagawa ang trabaho sa gas A 4-1 <0 внешними телами.

Sa isang isothermal na prosesoU= const, kaya Q 1 = A 12

Sa panahon ng adiabatic expansionQ 2-3 = 0, at gawaing gas A 23 nagagawa ng panloob na enerhiya A 23 = - U

Dami ng initQ 2 , na ibinigay ng gas sa refrigerator sa panahon ng isothermal compression ay katumbas ng gawain ng compression A 3-4

Trabaho ng adiabatic compression

Gawaing ginawa bilang resulta ng isang pabilog na proseso

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

at katumbas ng lugar ng curve 1-2-3-4-1.

Thermal na kahusayan Ikot ng Carnot

Mula sa adiabatic equation para sa mga proseso 2-3 at 3-4 nakuha namin

Pagkatapos

mga. kahusayan Ang Carnot cycle ay tinutukoy lamang ng mga temperatura ng heater at refrigerator. Upang madagdagan ang kahusayan kailangang dagdagan ang pagkakaiba T 1 - T 2 .

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

Sa ilustrasyon sa kaliwa: protesta ng mga Kristiyanong konserbatibo laban sa ikalawang batas ng thermodynamics. Mga inskripsiyon sa mga poster: ang salitang "entropy" ay na-cross out; "Hindi ko tinatanggap ang mga pangunahing prinsipyo ng agham at pagboto."

ANG IKALAWANG BATAS NG THERMODYNAMICS AT MGA TANONG NG PAGLIKHA

Noong unang bahagi ng 2000s, isang grupo ng mga Kristiyanong konserbatibo ang nagtipun-tipon sa mga hagdan ng Kapitolyo (Kansas, USA) upang hilingin ang pagpawi ng isang pangunahing siyentipikong prinsipyo - ang pangalawang batas ng thermodynamics (tingnan ang larawan sa kaliwa). Ang dahilan nito ay ang kanilang pananalig na ang pisikal na batas na ito ay sumasalungat sa kanilang pananampalataya sa Lumikha, dahil hinuhulaan nito ang thermal kamatayan ng Uniberso. Sinabi ng mga picketer na ayaw nilang mamuhay sa isang mundong patungo sa ganoong kinabukasan at ituro ito sa kanilang mga anak. Nangunguna sa kampanya laban sa ikalawang batas ng thermodynamics ay walang iba kundi isang senador ng estado ng Kansas, na naniniwala na ang batas ay "nagbabanta sa pagkaunawa ng ating mga anak sa uniberso bilang isang mundong nilikha ng isang mabait at mapagmahal na Diyos."

Ito ay kabalintunaan, ngunit sa parehong USA, isa pang kilusang Kristiyano - mga creationist, na pinamumunuan ni Duane Gish, presidente ng Institute for Creation Research - sa kabaligtaran, hindi lamang isaalang-alang ang pangalawang batas ng thermodynamics na siyentipiko, ngunit masigasig din itong umapela dito upang patunayan na ang mundo ay nilikha ng Diyos. Ang isa sa kanilang pangunahing argumento ay ang buhay ay hindi maaaring kusang bumangon, dahil ang lahat ng bagay sa paligid ay madaling kapitan ng kusang pagkawasak sa halip na paglikha.

Sa pagtingin sa gayong kapansin-pansing kontradiksyon sa pagitan ng dalawang kilusang Kristiyano, isang lohikal na tanong ang lumitaw - alin sa kanila ang tama? At may tama ba?

Sa artikulong ito titingnan natin kung saan posible at kung saan imposibleng ilapat ang pangalawang batas ng thermodynamics at kung paano ito nauugnay sa mga isyu ng pananampalataya sa Lumikha.

ANO ANG IKALAWANG BATAS NG THERMODYNAMICS

Thermodynamics ay isang sangay ng pisika na nag-aaral ng mga relasyon at pagbabago ng init at iba pang anyo ng enerhiya. Ito ay batay sa ilang pangunahing mga prinsipyo na tinatawag na mga prinsipyo (kung minsan ang mga batas) ng thermodynamics. Kabilang sa mga ito, ang pinakatanyag ay marahil ang pangalawang prinsipyo.

Kung gagawa tayo ng maikling pangkalahatang-ideya ng lahat ng mga prinsipyo ng thermodynamics, kung gayon sa madaling sabi ang mga ito ay ang mga sumusunod:

Unang simula kumakatawan sa batas ng konserbasyon ng enerhiya bilang inilapat sa mga thermodynamic system. Ang kakanyahan nito ay ang init ay isang espesyal na anyo ng enerhiya at dapat isaalang-alang sa batas ng konserbasyon at pagbabago ng enerhiya.

Pangalawang simula nagpapataw ng mga paghihigpit sa direksyon ng mga proseso ng thermodynamic, na nagbabawal sa kusang paglipat ng init mula sa hindi gaanong pinainit na mga katawan sa mas pinainit. Ito rin ay sumusunod mula dito na imposibleng i-convert ang init sa trabaho na may isang daang porsyento na kahusayan (ang mga pagkalugi sa kapaligiran ay hindi maiiwasan). Ginagawa nitong imposible na lumikha ng isang walang hanggang motion machine batay dito.

Pangatlong simula nagsasaad na imposibleng dalhin ang temperatura ng anumang pisikal na katawan sa absolute zero sa isang takdang panahon, ibig sabihin, ang absolute zero ay hindi matamo.

Zero (o karaniwang) simula minsan tinutukoy bilang ang prinsipyo ayon sa kung saan ang isang nakahiwalay na sistema, anuman ang paunang estado, sa kalaunan ay dumating sa isang estado ng thermodynamic equilibrium at hindi ito maaaring iwanan nang mag-isa. Ang thermodynamic equilibrium ay isang estado kung saan walang paglipat ng init mula sa isang bahagi ng system patungo sa isa pa. (Ang kahulugan ng isang nakahiwalay na sistema ay ibinigay sa ibaba.)

Ang pangalawang batas ng thermodynamics, bilang karagdagan sa ibinigay sa itaas, ay may iba pang mga pormulasyon. Ang lahat ng mga debate tungkol sa paglikha na aming nabanggit ay umiikot sa isa sa kanila. Ang pagbabalangkas na ito ay nauugnay sa konsepto ng entropy, na kailangan nating maging pamilyar.

Entropy(ayon sa isang kahulugan) ay isang tagapagpahiwatig ng kaguluhan, o kaguluhan, ng isang sistema. Sa madaling salita, mas maraming kaguluhan ang naghahari sa isang sistema, mas mataas ang entropy nito. Para sa mga thermodynamic system, mas mataas ang entropy, mas magulo ang paggalaw ng mga materyal na particle na bumubuo sa system (halimbawa, mga molekula).

Sa paglipas ng panahon, napagtanto ng mga siyentipiko na ang entropy ay isang mas malawak na konsepto at maaaring ilapat hindi lamang sa mga thermodynamic system. Sa pangkalahatan, ang anumang sistema ay may tiyak na dami ng kaguluhan, na maaaring magbago - tumaas o bumaba. Sa kasong ito, angkop na pag-usapan ang tungkol sa entropy. Narito ang ilang halimbawa:

· Baso ng tubig. Kung ang tubig ay nag-freeze at nagiging yelo, ang mga molekula nito ay konektado sa isang kristal na sala-sala. Ito ay tumutugma sa mas malaking pagkakasunud-sunod (mas kaunting entropy) kaysa sa estado kapag ang tubig ay natunaw at ang mga molekula ay gumagalaw nang sapalaran. Gayunpaman, sa pagkatunaw, ang tubig ay nagpapanatili pa rin ng ilang anyo - ang baso kung saan ito matatagpuan. Kung ang tubig ay sumingaw, ang mga molekula ay gumagalaw nang mas matindi at sumasakop sa buong volume na ibinigay sa kanila, na gumagalaw nang mas magulo. Kaya, ang entropy ay tumataas pa.

· Sistemang solar. Maaari mo ring obserbahan ang parehong kaayusan at kaguluhan dito. Ang mga planeta ay gumagalaw sa kanilang mga orbit nang may katumpakan na maaaring mahulaan ng mga astronomo ang kanilang posisyon sa anumang naibigay na oras libu-libong taon nang maaga. Gayunpaman, mayroong ilang mga asteroid belt sa solar system na gumagalaw nang mas magulo - sila ay nagbanggaan, naghihiwalay, at kung minsan ay nahuhulog sa ibang mga planeta. Ayon sa mga cosmologist, sa simula ang buong solar system (maliban sa Araw mismo) ay napuno ng mga naturang asteroid, kung saan nabuo ang mga solidong planeta, at ang mga asteroid na ito ay gumagalaw nang mas magulo kaysa ngayon. Kung ito ay totoo, kung gayon ang entropy ng solar system (maliban sa Araw mismo) ay orihinal na mas mataas.

· Galaxy. Ang kalawakan ay binubuo ng mga bituin na gumagalaw sa gitna nito. Ngunit kahit dito mayroong isang tiyak na dami ng kaguluhan: ang mga bituin kung minsan ay nagbabanggaan, binabago ang direksyon ng paggalaw, at dahil sa magkaparehong impluwensya ang kanilang mga orbit ay hindi perpekto, nagbabago sa isang medyo magulong paraan. Kaya sa sistemang ito ang entropy ay hindi zero.

· Kwarto ng mga bata. Ang mga may maliliit na bata ay madalas na kailangang obserbahan ang pagtaas ng entropy sa kanilang sariling mga mata. Pagkatapos nilang maglinis, maayos na ang apartment. Gayunpaman, ang ilang oras (at kung minsan ay mas kaunti) ng isa o dalawang bata na nananatili doon sa isang estado ng pagpupuyat ay sapat na para ang entropy ng apartment na ito ay tumaas nang malaki...

Kung ang huling halimbawa ay nagpangiti sa iyo, malamang na naiintindihan mo kung ano ang entropy.

Pagbabalik sa ikalawang batas ng thermodynamics, tandaan natin na, tulad ng sinabi natin, mayroon itong isa pang pormulasyon na nauugnay sa konsepto ng entropy. Parang ganito: sa isang nakahiwalay na sistema, hindi maaaring bumaba ang entropy. Sa madaling salita, sa anumang sistema na ganap na naputol mula sa nakapaligid na mundo, ang kaguluhan ay hindi maaaring kusang bumaba: maaari lamang itong tumaas o, sa matinding mga kaso, manatili sa parehong antas.

Kung maglalagay ka ng ice cube sa isang mainit at nakakandadong kwarto, matutunaw ito pagkaraan ng ilang oras. Gayunpaman, ang nagreresultang puddle ng tubig sa silid na ito ay hindi na kailanman mababalik sa isang ice cube. Magbukas ng bote ng pabango doon at kakalat ang amoy sa buong silid. Ngunit wala nang makakabalik dito sa bote. Magsindi ng kandila doon at ito ay masusunog, ngunit walang makakapagpabalik sa usok na maging kandila. Ang lahat ng mga prosesong ito ay nailalarawan sa pamamagitan ng direksyon at hindi maibabalik. Ang dahilan para sa gayong hindi maibabalik na mga proseso na nagaganap hindi lamang sa silid na ito, ngunit sa buong Uniberso ay tiyak na nakasalalay sa pangalawang batas ng thermodynamics.

ANO ANG IKALAWANG BATAS NG THERMODYNAMICS NA INI-APIL?

Gayunpaman, ang batas na ito, para sa lahat ng maliwanag na pagiging simple nito, ay isa sa pinakamahirap at madalas na hindi maunawaan na mga batas ng klasikal na pisika. Ang katotohanan ay sa pagbabalangkas nito mayroong isang salita na kung minsan ay binibigyan ng hindi sapat na pansin - ito ang salitang "nakahiwalay". Ayon sa pangalawang batas ng thermodynamics, ang entropy (chaos) ay hindi maaaring bumaba lamang sa mga nakahiwalay na sistema. Ito ang batas. Gayunpaman, sa ibang mga sistema ito ay hindi na isang batas, at ang entropy sa mga ito ay maaaring tumaas o bumaba.

Ano ang isang nakahiwalay na sistema? Tingnan natin kung anong mga uri ng mga sistema ang karaniwang umiiral mula sa punto ng view ng thermodynamics:

· Bukas. Ito ang mga sistemang nagpapalit ng bagay (at posibleng enerhiya) sa labas ng mundo. Halimbawa: isang kotse (kumokonsumo ng gasolina, hangin, gumagawa ng init).

· sarado. Ito ang mga sistema na hindi nakikipagpalitan ng bagay sa labas ng mundo, ngunit maaaring makipagpalitan ng enerhiya dito. Halimbawa: sasakyang pangalangaang (sealed, ngunit sumisipsip ng solar energy gamit ang mga solar panel).

· Nakahiwalay (sarado). Ang mga ito ay mga sistema na hindi nakikipagpalitan ng alinman sa bagay o enerhiya sa labas ng mundo. Halimbawa: thermos (naka-sealed at nagpapanatili ng init).

Tulad ng aming nabanggit, ang pangalawang batas ng thermodynamics ay nalalapat lamang sa pangatlo ng mga nakalistang uri ng mga sistema.

Upang ilarawan, alalahanin natin ang isang sistema na binubuo ng isang nakakandadong mainit na silid at isang piraso ng yelo na natunaw habang nasa loob nito. Sa perpektong kaso, ito ay tumutugma sa isang nakahiwalay na sistema, at tumaas ang entropy nito. Gayunpaman, ngayon isipin natin na napakalamig sa labas, at binuksan namin ang bintana. Ang sistema ay naging bukas: ang malamig na hangin ay nagsimulang dumaloy sa silid, ang temperatura sa silid ay bumaba sa ibaba ng zero, at ang aming piraso ng yelo, na dati ay naging puddle, ay muling nagyelo.

Sa totoong buhay, ang isang naka-lock na silid ay hindi isang insulated system, dahil sa katunayan, ang salamin at kahit na mga brick ay nagpapahintulot sa init na dumaan. At ang init, gaya ng nabanggit natin sa itaas, ay isa ring anyo ng enerhiya. Samakatuwid, ang isang naka-lock na silid ay hindi aktwal na isang nakahiwalay na silid, ngunit isang saradong sistema. Mahigpit man nating isara ang lahat ng bintana at pinto, unti-unti pa ring lalabas ang init sa silid, magye-freeze at magiging yelo rin ang ating lusak.

Ang isa pang katulad na halimbawa ay isang silid na may freezer. Habang ang freezer ay naka-off, ang temperatura nito ay kapareho ng temperatura ng silid. Ngunit sa sandaling i-on mo ito, magsisimula itong lumamig, at ang entropy ng system ay magsisimulang bumaba. Nagiging posible ito dahil ang naturang sistema ay naging sarado, iyon ay, kumokonsumo ito ng enerhiya mula sa kapaligiran (sa kasong ito, elektrikal).

Kapansin-pansin na sa unang kaso (isang silid na may isang piraso ng yelo), ang sistema ay naglabas ng enerhiya sa kapaligiran, at sa pangalawa (isang silid na may freezer), sa kabaligtaran, natanggap ito. Gayunpaman, ang entropy ng parehong mga sistema ay nabawasan. Nangangahulugan ito na upang ang pangalawang batas ng thermodynamics ay tumigil sa pagkilos bilang isang hindi nababagong batas, sa pangkalahatang kaso ay hindi ang direksyon ng paglipat ng enerhiya ang mahalaga, ngunit ang pagkakaroon ng mismong katotohanan ng naturang paglipat sa pagitan ng system at sa labas ng mundo.

MGA HALIMBAWA NG PAGBABA NG ENTROPY SA NON-LIVING NATURE. Ang mga halimbawa ng mga sistemang tinalakay sa itaas ay nilikha ng tao. Mayroon bang anumang mga halimbawa ng pagbaba ng entropy sa walang buhay na kalikasan, nang walang partisipasyon ng isip? Oo, hangga't gusto mo.

	Mga snowflake. Sa panahon ng kanilang pagbuo, ang mga molekula ng singaw ng tubig ay nagsasama-sama sa isang nakaayos na kristal. Sa kasong ito, nangyayari ang paglamig, iyon ay, ang enerhiya ay inilabas sa kapaligiran, at ang mga atomo ay sumasakop sa isang posisyon na mas energetically kanais-nais para sa kanila. Ang kristal na sala-sala ng isang snowflake ay tumutugma sa mas malaking pagkakasunud-sunod kaysa sa magulong gumagalaw na mga molekula ng singaw.
	Mga kristal ng asin. Ang isang katulad na proseso ay naobserbahan sa isang karanasan na maaaring matandaan ng marami mula sa kanilang mga taon ng pag-aaral. Ang isang thread ay ibinababa sa isang baso na may isang puro solusyon ng asin (halimbawa, table salt o tansong sulpate), at sa lalong madaling panahon ang chaotically dissolved na mga molekula ng asin ay bumubuo ng magagandang figure ng kakaibang hugis.
	Mga Fulgurite. Ang Fulgurite ay isang hugis na nabuo mula sa buhangin kapag tumama ang kidlat sa lupa. Sa prosesong ito, ang enerhiya (kidlat na electric current) ay nasisipsip, na humahantong sa pagkatunaw ng buhangin, na kasunod na solidifies sa isang solid figure, na tumutugma sa higit na pagkakasunud-sunod kaysa sa chaotically nakakalat na buhangin.
	Duckweed sa pond. Karaniwan, ang duckweed na lumalaki sa ibabaw ng isang lawa, kung mayroong sapat na ito, ay may posibilidad na sakupin ang buong lugar ng lawa. Subukang itulak ang duckweed gamit ang iyong mga kamay, at sa isang minuto ay babalik ito sa lugar nito. Gayunpaman, kapag umihip ang hangin (minsan ay halos hindi napapansin), ang duckweed ay nag-iipon sa isang bahagi ng lawa at naroroon sa isang "naka-compress" na estado. Bumababa ang entropy dahil sa pagsipsip ng enerhiya ng hangin.
	Ang pagbuo ng mga nitrogenous compound. Bawat taon, humigit-kumulang 16 na milyong bagyo ang nangyayari sa kapaligiran ng mundo, kung saan ang bawat isa ay may sampu at daan-daang mga kidlat. Sa panahon ng kidlat, ang mga simpleng bahagi ng atmospera - nitrogen, oxygen at moisture - ay nabuo sa mas kumplikadong mga compound ng nitrogen na kinakailangan para sa paglago ng halaman. Ang pagbaba sa entropy sa kasong ito ay nangyayari dahil sa pagsipsip ng enerhiya ng mga electrical lightning discharges.
	Reaksyon ni Butlerov. Ang prosesong kemikal na ito ay kilala rin bilang autocatalytic synthesis. Sa loob nito, ang mga kumplikadong nakabalangkas na molekula ng asukal sa isang tiyak na kapaligiran ay lumalaki nang mag-isa, na nagbibigay ng kanilang sariling uri sa geometric na pag-unlad. Ito ay dahil sa mga kemikal na katangian ng naturang mga molekula. Ang pag-order ng istraktura ng kemikal, at, samakatuwid, ang pagbawas ng kaguluhan, sa reaksyon ng Butlerov ay nangyayari rin dahil sa pagpapalitan ng enerhiya sa kapaligiran.
	Mga bulkan. Magulong gumagalaw na mga molekula ng magma, lumalabas sa ibabaw, tumigas sa isang kristal na sala-sala at bumubuo ng mga bulkan na bundok at mga bato na may kumplikadong hugis. Kung isasaalang-alang natin ang magma bilang isang thermodynamic system, bumababa ang entropy nito dahil sa paglabas ng thermal energy sa kapaligiran.
	pagbuo ng ozone. Ang pinaka-energetically kanais-nais na estado para sa mga molekula ng oxygen ay O 2 . Gayunpaman, sa ilalim ng impluwensya ng hard cosmic radiation, isang malaking bilang ng mga molekula ang na-convert sa ozone (O 3) at maaaring manatili dito sa loob ng mahabang panahon. Ang prosesong ito ay patuloy na nagpapatuloy hangga't may libreng oxygen sa atmospera ng mundo.
	Butas sa buhangin. Alam ng lahat kung gaano kadumi ang tubig sa ating mga ilog: naglalaman ito ng mga basura, algae, at kung anu-ano pa, at lahat ito ay halo-halong. Ngunit sa tabi ng baybayin ay may isang maliit na butas sa buhangin, at ang tubig ay hindi bumubuhos dito, ngunit tumatagos. Kasabay nito, ito ay sinasala: ang pare-parehong maruming tubig ay nahahati sa malinis at mas maruming tubig. Malinaw na bumababa ang entropy, at nangyayari ito dahil sa puwersa ng grabidad, na, dahil sa pagkakaiba ng mga antas, pinipilit ang tubig na tumagos mula sa ilog patungo sa butas.
	Puddle. Oo, oo, ang isang simpleng puddle na natitira pagkatapos ng ulan ay naglalarawan din na ang entropy ay maaaring kusang bumaba! Ayon sa ikalawang batas ng thermodynamics, ang init ay hindi maaaring kusang lumipat mula sa hindi gaanong pinainit patungo sa mas mainit na mga katawan. Gayunpaman, ang temperatura ng tubig sa puddle ay patuloy na pinapanatili ng ilang degree na mas mababa kaysa sa temperatura ng lupa at nakapaligid na hangin (maaari mong suriin ito sa bahay gamit ang isang platito ng tubig at isang thermometer; isang hygrometer, na binubuo ng isang tuyo at isang wet thermometer, ay batay din sa prinsipyong ito). Bakit? Dahil ang puddle ay sumingaw, na may mas mabilis na mga molekula na humihiwalay mula sa ibabaw nito at sumingaw, habang ang mga mas mabagal ay nananatili. Dahil ang temperatura ay nauugnay sa bilis ng paggalaw ng molekular, lumalabas na ang puddle ay patuloy na nagpapalamig sa sarili na may kaugnayan sa mas mainit na kapaligiran. Ang puddle, samakatuwid, ay isang bukas na sistema, dahil ito ay nagpapalitan hindi lamang ng enerhiya, kundi pati na rin ang bagay sa kapaligiran, at ang mga proseso sa loob nito ay malinaw na napupunta sa direksyon na kabaligtaran sa ipinahiwatig ng pangalawang batas ng thermodynamics.

Kung ikaw ay matalino at gumugugol ng kaunting oras, maaari mong tandaan at isulat ang libu-libong katulad na mga halimbawa. Mahalagang tandaan na sa marami sa mga nakalistang kaso, ang pagbaba sa entropy ay hindi isang nakahiwalay na aksidente, ngunit isang pattern - ang ugali patungo dito ay likas sa mismong pagtatayo ng mga naturang sistema. Samakatuwid, ito ay nangyayari sa tuwing may angkop na mga kundisyon, at maaaring magpatuloy sa napakahabang panahon - hangga't umiiral ang mga kundisyong ito. Ang lahat ng mga halimbawang ito ay hindi nangangailangan ng pagkakaroon ng mga kumplikadong mekanismo na nagpapababa ng entropy, o ang interbensyon ng isip.

Siyempre, kung ang sistema ay hindi nakahiwalay, kung gayon hindi kinakailangan na bumaba ang entropy dito. Sa halip, sa kabaligtaran, ito ay isang pagtaas sa entropy, iyon ay, isang pagtaas ng kaguluhan, na nangyayari nang kusang mas madalas. Sa anumang kaso, nakasanayan na namin ang katotohanan na ang anumang bagay na naiwan nang walang pangangasiwa o pangangalaga, bilang panuntunan, ay lumalala at hindi na magagamit, sa halip na mapabuti. Maaaring sabihin ng isa na ito ay isang tiyak na pangunahing pag-aari ng materyal na mundo - ang pagnanais para sa kusang pagkasira, ang pangkalahatang ugali upang madagdagan ang entropy.

Gayunpaman, ipinakita ng subtitle na ito na ang pangkalahatang ugali na ito ay isang batas lamang sa mga nakahiwalay na sistema. Sa iba pang mga sistema, ang pagtaas ng entropy ay hindi isang batas - ang lahat ay nakasalalay sa mga katangian ng isang partikular na sistema at ang mga kondisyon kung saan ito matatagpuan. Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay hindi maaaring ilapat sa kanila sa pamamagitan ng kahulugan. Kahit na tumaas ang entropy sa isa sa mga bukas o saradong sistema, hindi ito katuparan ng pangalawang batas ng thermodynamics, ngunit isang pagpapakita lamang ng pangkalahatang ugali na tumaas ang entropy, na katangian ng materyal na mundo sa kabuuan, ngunit ito ay malayo sa ganap.

ANG IKALAWANG BATAS NG THERMODYNAMICS AT ATING UNIVERSE

Kapag ang isang masigasig na tagamasid ay tumitingin sa mabituing kalangitan, gayundin kapag ang isang bihasang astronomo ay tumitingin dito sa pamamagitan ng isang teleskopyo, pareho nilang mamamasid hindi lamang ang kagandahan nito, kundi pati na rin ang kamangha-manghang kaayusan na naghahari sa macrocosm na ito.

Gayunpaman, magagamit ba ang kaayusang ito upang patunayan na nilikha ng Diyos ang sansinukob? Tama bang gamitin ang linyang ito ng pangangatwiran: dahil ang Uniberso ay hindi nahulog sa kaguluhan alinsunod sa ikalawang batas ng thermodynamics, ito ba ay nagpapatunay na ito ay kontrolado ng Diyos?

Marahil ay nasanay ka na sa pag-iisip na oo. Ngunit sa katunayan, salungat sa popular na paniniwala, hindi. Mas tiyak, sa bagay na ito, posible at kinakailangan na gumamit ng bahagyang magkakaibang ebidensya, ngunit hindi ang pangalawang batas ng thermodynamics.

Una, hindi pa napatunayan na ang Uniberso ay isang nakahiwalay na sistema. Bagaman, siyempre, ang kabaligtaran ay hindi pa napatunayan, gayunpaman, hindi pa posible na malinaw na sabihin na ang pangalawang batas ng thermodynamics ay maaaring mailapat dito sa kabuuan.

Ngunit sabihin natin na ang paghihiwalay ng Uniberso bilang isang sistema ay mapapatunayan sa hinaharap (ito ay lubos na posible). Ano ngayon?

Pangalawa, ang pangalawang batas ng thermodynamics ay hindi nagsasabi kung ano ang eksaktong maghahari sa isang partikular na sistema - kaayusan o kaguluhan. Sinasabi ng pangalawang batas kung saang direksyon magbabago ang kaayusan o kaguluhan na ito - sa isang nakahiwalay na sistema, tataas ang kaguluhan. At sa anong direksyon nagbabago ang kaayusan sa Uniberso? Kung pinag-uusapan natin ang Uniberso sa kabuuan, ang kaguluhan ay tumataas dito (pati na rin ang entropy). Mahalaga dito na huwag malito ang Uniberso sa mga indibidwal na bituin, kalawakan o kanilang mga kumpol. Ang mga indibidwal na kalawakan (tulad ng ating Milky Way) ay maaaring maging napaka-stable na mga istraktura at mukhang hindi man lang bumababa sa loob ng milyun-milyong taon. Ngunit ang mga ito ay hindi nakahiwalay na mga sistema: sila ay patuloy na nagpapalabas ng enerhiya (tulad ng liwanag at init) sa nakapalibot na espasyo. Ang mga bituin ay nasusunog at patuloy na naglalabas ng materya ("solar wind") sa interstellar space. Dahil dito, ang tuluy-tuloy na proseso ng pagbabago ng structured matter ng mga bituin at mga kalawakan sa chaotically scattered na enerhiya at gas ay nangyayari sa Uniberso. Ano ito kung hindi isang pagtaas sa entropy?

Ang mga proseso ng pagkasira na ito, siyempre, ay nangyayari sa napakabagal na bilis, kaya parang hindi natin nararamdaman ang mga ito. Ngunit kung napagmasdan natin ang mga ito sa isang napakabilis na bilis - sabihin, isang trilyong beses na mas mabilis, kung gayon ang isang napaka-dramatikong larawan ng pagsilang at pagkamatay ng mga bituin ay magbubukas sa harap ng ating mga mata. Ito ay nagkakahalaga ng pag-alala na ang unang henerasyon ng mga bituin na umiral mula sa simula ng Uniberso ay namatay na. Ayon sa mga cosmologist, ang ating planeta ay binubuo ng mga labi ng pag-iral at pagsabog ng isang dating nasunog na bituin; Bilang resulta ng naturang mga pagsabog, ang lahat ng mabibigat na elemento ng kemikal ay nabuo.

Samakatuwid, kung isasaalang-alang natin ang Uniberso bilang isang nakahiwalay na sistema, kung gayon ang pangalawang batas ng thermodynamics ay karaniwang nasiyahan dito, kapwa sa nakaraan at ngayon. Ito ay isa sa mga batas na itinatag ng Diyos, at samakatuwid ito ay gumagana sa Uniberso sa parehong paraan tulad ng iba pang mga pisikal na batas.

Sa kabila ng sinabi sa itaas, maraming mga kamangha-manghang bagay sa Uniberso na nauugnay sa kaayusan na naghahari dito, ngunit hindi ito dahil sa pangalawang batas ng thermodynamics, ngunit sa iba pang mga kadahilanan.

Kaya naman, sinuri ng magasing Newsweek (isyu na may petsang Nobyembre 09, 1998) kung anong mga konklusyon ang hahantong sa atin ng mga natuklasan tungkol sa paglikha ng Uniberso. Sinabi nito na ang mga katotohanan ay "ipinapakita ang pinagmulan ng enerhiya at galaw ex nihilo, iyon ay, mula sa wala, sa pamamagitan ng napakalaking pagsabog ng liwanag at enerhiya, na sa halip ay tumutugma sa paglalarawan ng [aklat sa Bibliya] na Genesis." Pansinin kung paano ipinaliwanag ng magasing Newsweek ang pagkakatulad ng pagsilang ng Uniberso sa paglalarawan ng Bibliya sa pangyayaring ito.

Isinulat ng magasing ito: “Ang mga puwersang inilabas ay - at nananatiling - nakakagulat (mahimalang?) balanse: kung ang Big Bang ay naging medyo hindi gaanong marahas, ang paglawak ng Uniberso ay magpapatuloy nang mas mabagal, at sa lalong madaling panahon (sa ilang milyong taon o sa loob ng ilang minuto - sa anumang kaso sa lalong madaling panahon ) mababaligtad ang proseso at magaganap ang pagbagsak. Kung ang pagsabog ay naging medyo malakas, ang Uniberso ay maaaring maging isang napakabihirang "likidong sabaw" at ang pagbuo ng mga bituin ay imposible. Ang mga pagkakataon ng ating pag-iral ay literal na maliit sa astronomiya. Ang ratio ng materya at enerhiya sa dami ng espasyo sa Big Bang ay dapat nanatili sa loob ng isang quadrillionth ng isang porsyento ng perpektong ratio."

Iminungkahi ng Newsweek na mayroong isang taong kumokontrol sa paglikha ng Uniberso, na nakakaalam: “Alisin ang kahit isang antas (tulad ng nabanggit sa itaas, ang margin ng error ay isang quadrillionth ng isang porsyento), ... at ang resulta ay hindi lamang hindi pagkakasundo. , ngunit walang hanggang entropy at yelo."

Inamin ng astrophysicist na si Alan Lightman: “Na ang Uniberso ay nilikha nang napakaorganisado ay isang misteryo [sa mga siyentipiko].” Idinagdag niya na "anumang teorya ng kosmolohikal na naghahangad ng tagumpay ay sa kalaunan ay kailangang ipaliwanag ang misteryo ng entropy na ito": kung bakit ang uniberso ay hindi nahulog sa kaguluhan. Malinaw, ang mababang posibilidad ng tamang pag-unlad ng mga kaganapan ay hindi maaaring isang aksidente. (Sipi sa Gumising!, 6/22/99, p. 7.)

ANG IKALAWANG BATAS NG THERMODYNAMICS AT ANG PINAGMULAN NG BUHAY

Tulad ng nabanggit sa itaas, ang mga teorya ay popular sa mga creationist na ang pangalawang batas ng thermodynamics ay nagpapatunay ng imposibilidad ng kusang paglitaw ng buhay mula sa walang buhay na bagay. Bumalik sa huling bahagi ng 1970s - unang bahagi ng 1980s, ang Institute for Creation Research ay naglathala ng isang libro sa paksang ito at kahit na sinubukang makipag-ugnayan sa USSR Academy of Sciences sa isyung ito (ang sulat ay hindi matagumpay).

Gayunpaman, tulad ng nakita natin sa itaas, ang pangalawang batas ng thermodynamics ay nalalapat lamang sa mga nakahiwalay na sistema. Gayunpaman, ang Earth ay hindi isang nakahiwalay na sistema, dahil patuloy itong tumatanggap ng enerhiya mula sa Araw at, sa kabaligtaran, inilalabas ito sa kalawakan. At ang isang buhay na organismo (kahit, halimbawa, isang buhay na selula), bilang karagdagan, ay nakikipagpalitan sa kapaligiran at bagay. Samakatuwid, ang pangalawang batas ng thermodynamics ay hindi nalalapat sa isyung ito sa pamamagitan ng kahulugan.

Nabanggit din sa itaas na ang materyal na mundo ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang tiyak na pangkalahatang ugali patungo sa pagtaas ng entropy, dahil sa kung saan ang mga bagay ay mas madalas na nawasak at nagkakaroon ng kaguluhan kaysa nilikha. Gayunpaman, tulad ng nabanggit namin, hindi ito batas. Bukod dito, kung humiwalay tayo sa macroworld na nakasanayan na natin at bumulusok sa microworld - ang mundo ng mga atomo at molekula (at dito na dapat magsisimula ang buhay), makikita natin na mas madaling baligtarin. ang mga proseso ng pagtaas ng entropy dito. Minsan ang isang bulag, hindi nakokontrol na impluwensya ay sapat na para magsimulang bumaba ang entropy ng system. Ang ating planeta ay tiyak na puno ng mga halimbawa ng gayong mga impluwensya: solar radiation sa atmospera, init ng bulkan sa sahig ng karagatan, hangin sa ibabaw ng lupa, at iba pa. At bilang isang resulta, maraming mga proseso ang dumadaloy sa kabaligtaran, "hindi kanais-nais" na direksyon para sa kanila, o ang kabaligtaran na direksyon ay nagiging "kapaki-pakinabang" para sa kanila (halimbawa, tingnan sa itaas sa subtitle na "Mga halimbawa ng pagbaba ng entropy sa walang buhay na kalikasan"). Samakatuwid, kahit na ang aming pangkalahatang ugali sa pagtaas ng entropy ay hindi mailalapat sa paglitaw ng buhay bilang isang uri ng ganap na panuntunan: napakaraming mga pagbubukod dito.

Siyempre, hindi ito nangangahulugan na dahil ang pangalawang batas ng thermodynamics ay hindi nagbabawal sa kusang henerasyon ng buhay, kung gayon ang buhay ay maaaring lumitaw nang mag-isa. Mayroong maraming iba pang mga bagay na ginagawang imposible o lubhang malabong mangyari ang ganitong proseso, ngunit hindi na ito nauugnay sa thermodynamics at sa pangalawang batas nito.

Halimbawa, nakuha ng mga siyentipiko ang ilang uri ng mga amino acid sa ilalim ng mga artipisyal na kondisyon, na ginagaya ang dapat na mga kondisyon ng pangunahing kapaligiran ng Earth. Ang mga amino acid ay isang uri ng mga bloke ng pagbuo ng buhay: sa mga nabubuhay na organismo sila ay ginagamit upang bumuo ng mga protina (protina). Gayunpaman, ang mga protina na kinakailangan para sa buhay ay binubuo ng daan-daan, at kung minsan ay libu-libong mga amino acid, na konektado sa isang mahigpit na pagkakasunud-sunod at nakaayos sa isang espesyal na paraan sa isang espesyal na hugis (tingnan ang figure sa kanan). Kung pagsasamahin mo ang mga amino acid sa isang random na pagkakasunud-sunod, ang posibilidad na lumikha lamang ng isang medyo simpleng functional na protina ay magiging bale-wala - napakaliit na ang kaganapang ito ay hindi mangyayari. Ipagpalagay na ang kanilang random na paglitaw ay halos kapareho ng paghahanap ng ilang parang brick na mga bato sa mga bundok at iginiit na ang isang bahay na bato na nakatayo sa malapit ay nabuo mula sa parehong mga bato nang sapalaran sa ilalim ng impluwensya ng mga natural na proseso.

Sa kabilang banda, para sa pagkakaroon ng buhay, ang mga protina lamang ay hindi rin sapat: hindi gaanong kumplikadong mga molekula ng DNA at RNA ang kinakailangan, ang random na paglitaw nito ay hindi rin kapani-paniwala. Ang DNA ay mahalagang isang higanteng kamalig ng nakabalangkas na impormasyon na kinakailangan upang makagawa ng mga protina. Ito ay pinaglilingkuran ng isang buong complex ng mga protina at RNA, na kinokopya at itinatama ang impormasyong ito at ginagamit ito "para sa mga layunin ng produksyon." Ang lahat ng ito ay isang solong sistema, ang mga bahagi na kung saan ay indibidwal na walang kahulugan, at wala sa alinman ang maaaring alisin mula dito. Ang isa ay dapat lamang magsimulang magsaliksik nang mas malalim sa istruktura ng sistemang ito at sa mga prinsipyo ng pagpapatakbo nito upang maunawaan na ang isang Brilliant Designer ay nagtrabaho sa paglikha nito.

ANG IKALAWANG BATAS NG THERMODYNAMICS AT PANANAMPALATAYA SA LUMIKHA

Ang pangalawang batas ba ng thermodynamics ay tugma sa pananampalataya sa Lumikha sa pangkalahatan? Hindi lamang sa katotohanan na siya ay umiiral, ngunit sa katotohanan na nilikha niya ang Uniberso at buhay sa Earth ( Genesis 1:1–27; Apocalipsis 4:11 ); na ipinangako niya na ang Lupa ay mananatili magpakailanman (Awit 103:5), na nangangahulugan na ang Araw at ang Uniberso ay magiging walang hanggan sa isang anyo o iba pa; na ang mga tao ay mabubuhay magpakailanman sa langit sa lupa at hindi kailanman mamamatay ( Awit 36:29; Mateo 25:46; Apocalipsis 21:3, 4 )?

Ligtas nating masasabi na ang paniniwala sa pangalawang batas ng thermodynamics ay ganap na katugma sa paniniwala sa Lumikha at sa kanyang mga pangako. At ang dahilan nito ay nakasalalay sa pagbabalangkas ng batas na ito mismo: "sa isang nakahiwalay na sistema, ang entropy ay hindi maaaring bumaba." Ang anumang nakahiwalay na sistema ay nananatiling nakahiwalay lamang hangga't walang nakikialam sa gawain nito, kabilang ang Lumikha. Ngunit sa sandaling siya ay mamagitan at idirekta ang bahagi ng kanyang hindi mauubos na puwersa papunta dito, ang sistema ay titigil sa paghihiwalay, at ang pangalawang batas ng thermodynamics ay titigil sa paggana dito. Ang parehong ay maaaring masabi tungkol sa mas pangkalahatang ugali patungo sa pagtaas ng entropy, na tinalakay natin sa itaas. Oo, maliwanag na halos lahat ng bagay na umiiral sa ating paligid - mula sa mga atomo hanggang sa Uniberso - ay may tendensiya sa pagkawasak at pagkasira sa paglipas ng panahon. Ngunit ang Lumikha ay may kinakailangang lakas at karunungan upang ihinto ang anumang proseso ng pagkasira at kahit na baligtarin ang mga ito kapag sa tingin niya ay kinakailangan.

Anong mga proseso ang karaniwang ipinakikita ng mga tao na ginagawang imposible ang buhay na walang hanggan?

· Sa ilang bilyong taon, sisikat ang Araw. Mangyayari sana ito kung hindi kailanman nakialam ang Lumikha sa kanyang gawain. Gayunpaman, siya ang Lumikha ng Uniberso at may napakalaking enerhiya, sapat upang panatilihing nagniningas ang Araw magpakailanman. Halimbawa, maaari nitong, sa pamamagitan ng paggasta ng enerhiya, baligtarin ang mga reaksyong nuklear na nagaganap sa Araw, na parang nagpapagasolina sa loob ng ilang bilyong taon, at palitan din ang dami ng bagay na nawawala ng Araw sa anyo ng solar wind.

· Maaga o huli, ang Earth ay babangga sa isang asteroid o black hole. Gaano man kaliit ang posibilidad na mangyari ito, ito ay umiiral, na nangangahulugan na sa paglipas ng kawalang-hanggan ito ay tiyak na magiging isang katotohanan. Gayunpaman, ang Diyos ay maaaring, gamit ang kanyang kapangyarihan, protektahan ang Earth mula sa anumang pinsala nang maaga, sa pamamagitan lamang ng pagpigil sa gayong mapanganib na mga bagay mula sa paglapit sa ating planeta.

· Ang buwan ay lilipad palayo sa Lupa, at ang lupa ay magiging hindi matitirahan. Pinapatatag ng buwan ang pagtabingi ng axis ng mundo, salamat sa kung saan ang klima dito ay pinapanatili nang higit pa o hindi gaanong pare-pareho. Ang Buwan ay unti-unting lumalayo sa Earth, dahil sa kung saan sa hinaharap ang pagtabingi ng axis nito ay maaaring magbago at ang klima ay maaaring maging hindi mabata. Ngunit ang Diyos, siyempre, ay may kinakailangang kapangyarihan upang pigilan ang gayong mapanirang mga pagbabago at panatilihin ang Buwan sa orbit nito kung saan sa tingin Niya ay angkop.

Walang alinlangan na ang mga bagay sa materyal na mundo ay may posibilidad na tumanda, bumaba at masira. Ngunit dapat nating tandaan na ang Diyos mismo ang lumikha ng mundo sa ganitong paraan. At nangangahulugan iyon na bahagi ito ng kanyang plano. Ang mundo ay hindi nilayon na umiral magpakailanman hiwalay sa Diyos. Sa kabaligtaran, ito ay nilikha upang umiral magpakailanman sa ilalim ng kontrol ng Diyos. At dahil ang Diyos ay may parehong karunungan at kapangyarihan upang likhain ang mundo, wala tayong dahilan upang mag-alinlangan na siya ay may parehong kapangyarihan at karunungan upang pangalagaan ang kanyang nilikha nang walang hanggan, na pinapanatili ang lahat ng bagay dito sa ilalim ng kanyang kontrol.

Ang mga sumusunod na talata sa Bibliya ay tumitiyak sa atin na ang Araw, Buwan, Lupa at mga tao ay mananatili magpakailanman:
· « Matatakot sila sa iyo hangga't umiiral ang araw at buwan - mula sa henerasyon hanggang sa henerasyon» ( Awit 72:5 )
· « [Ang lupa] ay hindi mayayanig magpakailanman, magpakailanman» (Awit 103:5)
· « Mamanahin ng mga matuwid ang lupa at maninirahan dito magpakailanman» ( Awit 36:29 )

Samakatuwid, walang pumipigil sa atin na sabay-sabay na maniwala sa pangalawang batas ng thermodynamics at ituring ito bilang isang tamang prinsipyong siyentipiko, at kasabay nito ang pagiging malalim na mga taong relihiyoso at naghihintay sa katuparan ng lahat ng mga pangako ng Diyos na nakatala sa Bibliya.

GAMITIN ANG MGA MATAPAT NA PANGANGATWIRANG

Kaya, kung ikaw ay isang mananampalataya, alin sa mga relihiyosong grupo na binanggit sa simula ng artikulo ang idaragdag mo sa iyong boses? Sa mga kalahok sa inilarawan sa itaas na demonstrasyon ng mga konserbatibong Kristiyano na humihiling ng pagpawi ng ikalawang batas ng thermodynamics? O sa mga creationist na gumagamit ng batas na ito bilang ebidensya ng paglikha ng buhay ng Diyos? Hindi ako para sa sinuman.

Karamihan sa mga mananampalataya ay may posibilidad na ipagtanggol ang kanilang pananampalataya sa isang paraan o iba pa, at ang ilan ay gumagamit ng data ng agham upang gawin ito, na higit na nagpapatunay sa pagkakaroon ng Lumikha. Gayunpaman, mahalagang tandaan natin ang isang seryosong prinsipyo sa Bibliya: “kami... nais na maging matapat sa lahat ng bagay” (Hebreo 13:18). Samakatuwid, siyempre, mali na gumamit ng anumang maling argumento upang patunayan ang pagkakaroon ng Diyos.

Tulad ng nakita natin mula sa artikulong ito, ang pangalawang batas ng thermodynamics ay hindi maaaring gamitin bilang patunay ng pagkakaroon ng Diyos, tulad ng pag-iral o hindi pag-iral ng Diyos ay hindi nagpapatunay o nagpapabulaan sa pangalawang batas ng thermodynamics. Ang pangalawang prinsipyo ay hindi direktang nauugnay sa tanong ng pagkakaroon ng Lumikha, tulad ng karamihan sa iba pang mga pisikal na batas (halimbawa, ang batas ng unibersal na grabitasyon, ang batas ng konserbasyon ng momentum, batas ni Archimedes o lahat ng iba pang mga prinsipyo ng thermodynamics).

Ang mga nilikha ng Diyos ay nagbibigay sa atin ng malaking bilang ng kapani-paniwalang katibayan, gayundin ng di-tuwirang katibayan ng pagkakaroon ng Lumikha. Samakatuwid, kung ang alinman sa mga pahayag na ginamit namin dati bilang ebidensya ay naging hindi tama, hindi ka dapat matakot na talikuran ito upang gumamit lamang ng matapat na mga argumento upang ipagtanggol ang iyong pananampalataya.

Ang pagpapahayag ng batas ng konserbasyon at pagbabagong-anyo ng enerhiya, hindi ito nagpapahintulot sa amin na itatag ang direksyon ng mga prosesong thermodynamic. Bilang karagdagan, posible na isipin ang maraming mga proseso na hindi sumasalungat sa unang prinsipyo, kung saan ang enerhiya ay natipid, ngunit sa likas na katangian ay hindi ito nangyayari. Ang paglitaw ng ikalawang batas ng thermodynamics—ang pangangailangang sagutin ang tanong kung aling mga proseso sa kalikasan ang posible at alin ang hindi—ay tumutukoy sa direksyon ng pag-unlad ng mga proseso.

Gamit ang konsepto ng entropy at ang Clausius inequality, pangalawang batas ng thermodynamics ay maaaring bumalangkas bilang batas ng pagtaas ng entropy ng isang saradong sistema sa panahon ng hindi maibabalik na mga proseso: anumang hindi maibabalik na proseso sa isang saradong sistema ay nangyayari sa paraan na ang entropy ng sistema ay tumataas.

Maaari tayong magbigay ng mas maigsi na pagbabalangkas ng pangalawang batas ng thermodynamics:

Sa mga prosesong nagaganap sa isang saradong sistema, hindi bumababa ang entropy. Mahalaga dito na pinag-uusapan natin ang tungkol sa mga saradong sistema, dahil sa mga bukas na sistema ang entropy ay maaaring kumilos sa anumang paraan (pagbaba, pagtaas, mananatiling pare-pareho). Bilang karagdagan, napapansin naming muli na ang entropy ay nananatiling pare-pareho sa isang saradong sistema lamang sa panahon ng mga nababalikang proseso. Sa panahon ng hindi maibabalik na mga proseso sa isang saradong sistema, palaging tumataas ang entropy.

Ang pormula ng Boltzmann ay nagbibigay-daan sa amin na ipaliwanag ang pagtaas ng entropy na nai-postulate ng pangalawang batas ng thermodynamics sa isang saradong sistema sa panahon ng hindi maibabalik na mga proseso: pagtaas ng entropy nangangahulugan ng paglipat ng system mula sa mas malamang hanggang sa mas malamang kundisyon. Kaya, pinahihintulutan tayo ng pormula ni Boltzmann na magbigay ng istatistikal na interpretasyon ng pangalawang batas ng thermodynamics. Ito, bilang isang istatistikal na batas, ay naglalarawan ng mga pattern ng magulong paggalaw ng isang malaking bilang ng mga particle na bumubuo sa isang saradong sistema.

Ipahiwatig natin ang dalawa pang pormulasyon ng pangalawang batas ng thermodynamics:

1) ayon kay Kelvin: imposible ang isang pabilog na proseso, ang tanging resulta nito ay ang pag-convert ng init na natanggap mula sa pampainit sa trabaho na katumbas nito;

2) ayon kay Clausius : Ang isang pabilog na proseso ay imposible, ang tanging resulta nito ay ang paglipat ng init mula sa isang hindi gaanong pinainit na katawan patungo sa isang mas pinainit.

Posibleng patunayan nang simple (iiwan namin ito sa mambabasa) ang pagkakapareho ng mga pormulasyon ng Kelvin at Clausius. Bilang karagdagan, ipinapakita na kung ang isang haka-haka na proseso ay isinasagawa sa isang saradong sistema na sumasalungat sa pangalawang batas ng thermodynamics sa pagbabalangkas ng Clausius, kung gayon ito ay sinamahan ng isang pagbawas sa entropy. Pinatutunayan din nito ang pagkakapareho ng pormulasyon ni Clausius (at samakatuwid ay Kelvin) at ang pagbabalangkas ng istatistika, ayon sa kung saan ang entropy ng isang saradong sistema ay hindi maaaring bumaba.

Sa kalagitnaan ng ika-19 na siglo. bumangon ang problema ng tinatawag na thermal death ng Universe . Isinasaalang-alang ang Uniberso bilang isang saradong sistema at inilalapat ang pangalawang batas ng thermodynamics dito, binawasan ni Clausius ang nilalaman nito sa pahayag na ang entropy ng Uniberso ay dapat maabot ang pinakamataas nito. Nangangahulugan ito na sa paglipas ng panahon, ang lahat ng mga anyo ng paggalaw ay dapat na maging thermal motion.

Ang paglipat ng init mula sa mainit na katawan hanggang sa malamig ay hahantong sa katotohanan na ang temperatura ng lahat ng mga katawan sa Uniberso ay magiging pantay, i.e. magaganap ang kumpletong thermal equilibrium at titigil ang lahat ng proseso sa Uniberso - magaganap ang thermal death ng Universe. Ang kamalian ng konklusyon tungkol sa pagkamatay ng init ay nakasalalay sa katotohanan na walang saysay na ilapat ang pangalawang batas ng thermodynamics sa mga bukas na sistema, halimbawa, sa walang limitasyong at walang katapusang pagbuo ng sistema tulad ng Uniberso. Itinuro din ni F. Engels ang hindi pagkakapare-pareho ng konklusyon tungkol sa heat death sa kanyang akdang "Dialectics of Nature".

Ang unang dalawang batas ng thermodynamics ay nagbibigay ng hindi sapat na impormasyon tungkol sa pag-uugali ng mga thermodynamic system sa zero Kelvin. Sila ay kinukumpleto ikatlong batas ng thermodynamics, o Ang teorama ni Nernst(W. F. G. Nernst (1864-1941) - German physicist at physical chemist) - Plank: ang entropy ng lahat ng katawan sa isang estado ng ekwilibriyo ay may posibilidad na maging zero habang ang temperatura ay lumalapit sa zero Kelvin:

Dahil ang entropy ay tinutukoy hanggang sa isang additive constant, ito ay maginhawa upang kunin ang pare-parehong ito na katumbas ng zero (tandaan, gayunpaman, na ito ay isang arbitrary na palagay, dahil ang entropy sa pamamagitan ng likas na katangian nito kakanyahan palaging tinutukoy hanggang sa isang additive constant). Mula sa Nernst-Planck theorem sumusunod na ang mga kapasidad ng init S p At C V sa 0K sila ay katumbas ng zero.

Pangalawang batas ng thermodynamics ng mga hindi maibabalik na proseso. Ensiklopedya ng paaralan