Termodinamik, bağımsız bir fizik bilimi dalı olarak 19. yüzyılın ilk yarısında ortaya çıktı. Makinelerin çağı doğdu. Sanayi devrimi, ısı motorlarının çalışmasıyla ilgili süreçlerin incelenmesini ve anlaşılmasını gerektirdi. Makine çağının başlangıcında, yalnız mucitler yalnızca sezgiyi ve "dürtme yöntemini" kullanmayı göze alabilirdi. Keşifler ve icatlar için kamu düzeni yoktu, faydalı olabileceği kimsenin aklına bile gelmiyordu. Ancak termal (ve biraz sonra elektrikli) makineler üretimin temeli olduğunda, durum değişti. Bilim adamları nihayet, 19. yüzyılın ortalarına kadar hüküm süren terminolojik karışıklığı yavaş yavaş çözdüler ve neye enerji, hangi kuvvet, hangi dürtü deneceğine karar verdiler.
Termodinamik ne varsayıyor
Yaygın bilgilerle başlayalım. Klasik termodinamik, 19. yüzyıl boyunca art arda tanıtılan birkaç varsayıma (ilkeye) dayanmaktadır. Yani bu hükümler,içinde kanıtlanabilir. Ampirik verilerin genelleştirilmesi sonucu formüle edildiler.
Birinci yasa, enerjinin korunumu yasasının makroskopik sistemlerin (çok sayıda parçacıktan oluşan) davranışının tanımına uygulanmasıdır. Kısaca, şu şekilde formüle edilebilir: Yalıtılmış bir termodinamik sistemin iç enerji stoğu her zaman sabit kalır.
Termodinamiğin ikinci yasasının anlamı, bu tür sistemlerde süreçlerin hangi yönde ilerlediğini belirlemektir.
Üçüncü yasa, entropi gibi bir miktarı doğru bir şekilde belirlemenizi sağlar. Daha detaylı düşünün.
Entropi kavramı
Termodinamiğin ikinci yasasının formülasyonu 1850'de Rudolf Clausius tarafından önerildi: "Isının daha az ısıtılmış bir cisimden daha sıcak bir cisme kendiliğinden aktarılması imkansızdır." Aynı zamanda Clausius, 1824 gibi erken bir tarihte bir ısı motorunun çalışmasına dönüştürülebilen enerji oranının yalnızca ısıtıcı ile buzdolabı arasındaki sıcaklık farkına bağlı olduğunu ortaya koyan Sadi Carnot'un meziyetini vurguladı.
Termodinamiğin ikinci yasasının daha da geliştirilmesinde Clausius, entropi kavramını ortaya koyar - işe dönüşmek için uygun olmayan bir forma geri döndürülemez bir şekilde dönüşen enerji miktarının bir ölçüsü. Clausius bu değeri dS=dQ/T formülüyle ifade etti, burada dS entropideki değişimi belirler. Burada:
dQ - ısı değişimi;
T - mutlak sıcaklık (Kelvin cinsinden ölçülen).
Basit bir örnek: motor çalışırken arabanızın kaputuna dokunun. o açıkçaortamdan daha sıcaktır. Ancak araba motoru, kaputu veya radyatördeki suyu ısıtmak için tasarlanmamıştır. Benzinin kimyasal enerjisini termal enerjiye ve ardından mekanik enerjiye dönüştürerek faydalı işler yapar - mili döndürür. Ancak üretilen ısının çoğu boşa harcanır, çünkü ondan hiçbir yararlı iş çıkarılamaz ve egzoz borusundan dışarı fırlayan şey kesinlikle benzin değildir. Bu durumda, termal enerji kaybolur, ancak kaybolmaz, dağılır (dağılır). Sıcak bir kaput elbette soğur ve motordaki her silindir döngüsü ona tekrar ısı ekler. Böylece sistem termodinamik dengeye ulaşma eğilimindedir.
Entropinin özellikleri
Clausius, termodinamiğin ikinci yasası için genel prensibi dS ≧ 0 formülünden türetmiştir. Fiziksel anlamı entropinin "azalmaması" olarak tanımlanabilir: tersinir işlemlerde değişmez, tersinmez işlemlerde artar.
Bütün gerçek süreçlerin geri döndürülemez olduğuna dikkat edilmelidir. "Azalamayan" terimi, yalnızca teorik olarak mümkün idealize edilmiş bir versiyonun fenomenin değerlendirilmesine dahil edildiği gerçeğini yansıtır. Yani, herhangi bir spontan süreçte mevcut olmayan enerji miktarı artar.
Mutlak sıfıra ulaşma imkanı
Max Planck, termodinamiğin gelişimine ciddi bir katkı yaptı. İkinci yasanın istatistiksel yorumu üzerinde çalışmaya ek olarak, termodinamiğin üçüncü yasasını önermede aktif rol aldı. İlk formülasyon W alter Nernst'e aittir ve 1906'ya atıfta bulunur. Nernst teoremiMutlak sıfıra eğilimli bir sıcaklıkta bir denge sisteminin davranışı. Termodinamiğin birinci ve ikinci yasaları, verilen koşullar altında entropinin ne olacağını bulmayı imkansız kılıyor.
T=0 K olduğunda, enerji sıfır olduğunda, sistemin parçacıkları kaotik termal hareketi durdurur ve düzenli bir yapı, termodinamik olasılığı bire eşit olan bir kristal oluşturur. Bu, entropinin de ortadan kalktığı anlamına gelir (aşağıda bunun neden olduğunu öğreneceğiz). Gerçekte, bunu biraz daha erken yapar, yani herhangi bir termodinamik sistemin, herhangi bir cismin mutlak sıfıra soğutulması imkansızdır. Sıcaklık keyfi olarak bu noktaya yaklaşacak ama ulaşamayacak.
Perpetuum mobile: hayır, gerçekten isteseniz bile
Clausius, termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarını şu şekilde genelleştirdi ve formüle etti: herhangi bir kapalı sistemin toplam enerjisi her zaman sabit kalır ve toplam entropi zamanla artar.
Bu ifadenin ilk kısmı, birinci tür sürekli hareket makinesine - harici bir kaynaktan enerji akışı olmadan çalışan bir cihaza - yasak getiriyor. İkinci kısım, ikinci türden sürekli hareket makinesini de yasaklar. Böyle bir makine, sistemin enerjisini, korunum yasasını ihlal etmeden, entropi telafisi olmadan işe aktaracaktır. Bir denge sisteminden ısıyı dışarı pompalamak, örneğin, su moleküllerinin termal hareketinin enerjisi nedeniyle omlet kızartmak veya çelik dökmek, böylece soğutmak mümkün olacaktır.
Termodinamiğin ikinci ve üçüncü yasaları, ikinci tür bir sürekli hareket makinesini yasaklar.
Ne yazık ki doğadan hiçbir şey elde edilemez, sadece bedavaya değil, komisyon da ödemeniz gerekir.
Isı Ölümü
Bilimde sadece genel halk arasında değil, bilim adamlarının kendi aralarında da entropi kadar bu kadar çok belirsiz duyguya neden olan çok az kavram vardır. Fizikçiler ve her şeyden önce Clausius'un kendisi, hemen hemen, önce Dünya'ya, sonra da tüm Evrene (neden olmasın, çünkü aynı zamanda bir termodinamik sistem olarak da kabul edilebilir) azalmama yasasını tahmin ettiler. Sonuç olarak, birçok teknik uygulamada hesaplamaların önemli bir unsuru olan fiziksel bir nicelik, parlak ve nazik bir dünyayı yok eden bir tür evrensel Kötülüğün somutlaşmışı olarak algılanmaya başlandı.
Bilim adamları arasında da bu tür görüşler var: Termodinamiğin ikinci yasasına göre entropi geri döndürülemez bir şekilde büyüdüğünden, er ya da geç Evrenin tüm enerjisi dağınık bir forma dönüşecek ve “ısı ölümü” gelecektir. Mutlu olacak ne var? Örneğin Clausius, bulgularını yayınlamak için birkaç yıl tereddüt etti. Tabii ki, "ısı ölümü" hipotezi hemen birçok itirazı beraberinde getirdi. Şu anda bile doğruluğu konusunda ciddi şüpheler var.
Sıralayıcı Daemon
1867'de, gazların moleküler-kinetik teorisinin yazarlarından biri olan James Maxwell, çok görsel (kurgusal da olsa) bir deneyde, termodinamiğin ikinci yasasının görünen paradoksunu gösterdi. Deneyim şu şekilde özetlenebilir.
Gazlı bir kap olsun. İçindeki moleküller rastgele hareket eder, hızları birkaçfarklıdır, ancak ortalama kinetik enerji gemi boyunca aynıdır. Şimdi bölmeli gemiyi iki izole parçaya ayırıyoruz. Moleküllerin kabın her iki yarısındaki ortalama hızı aynı kalacaktır. Bölme, daha hızlı, "sıcak" moleküllerin bir kısma ve daha yavaş "soğuk" moleküllerin diğerine geçmesine izin veren küçük bir şeytan tarafından korunur. Sonuç olarak, gaz ilk yarıda ısınacak ve ikinci yarıda soğuyacak, yani sistem termodinamik denge durumundan bir sıcaklık potansiyel farkına geçecektir, bu da entropide bir azalma anlamına gelir.
Bütün sorun, deneyde sistemin bu geçişi kendiliğinden yapmamasıdır. Bölmenin açılıp kapandığı için dışarıdan enerji alır veya sistem mutlaka enerjisini bir kapı bekçisinin görevlerine harcayan bir şeytan içerir. İblisin entropisindeki artış, gazındaki azalmayı fazlasıyla karşılayacaktır.
Asi Moleküller
Bir bardak su alın ve masanın üzerine bırakın. Bardağa bakmak gerekli değildir, bir süre sonra geri dönüp içindeki suyun durumunu kontrol etmek yeterlidir. Sayısının azaldığını göreceğiz. Bardağı uzun süre bırakırsanız, tamamı buharlaşacağından içinde hiç su bulunmayacaktır. Sürecin en başında, tüm su molekülleri, camın duvarları tarafından sınırlandırılan belirli bir alan bölgesindeydi. Deneyin sonunda, odaya dağıldılar. Bir odanın hacminde, moleküllerin konumlarını herhangi bir müdahale olmaksızın değiştirme şansı çok daha fazladır.sistemin durumu için sonuçlar. Onları lehimli bir "kollektif"te toplamamızın ve sağlık yararları olan su içmek için bir bardağa geri götürmemizin hiçbir yolu yok.
Bu, sistemin daha yüksek bir entropi durumuna evrimleştiği anlamına gelir. Termodinamiğin ikinci yasasına göre, entropi veya sistem parçacıklarının (bu durumda su molekülleri) dağılma süreci geri döndürülemez. Neden böyle?
Clausius bu soruyu cevaplamadı ve Ludwig Boltzmann'dan önce kimse cevap veremedi.
Makro ve mikro durumlar
1872'de bu bilim adamı, termodinamiğin ikinci yasasının istatistiksel yorumunu bilime tanıttı. Sonuçta, termodinamiğin uğraştığı makroskopik sistemler, davranışları istatistiksel yasalara uyan çok sayıda elementten oluşur.
Su moleküllerine geri dönelim. Odanın etrafında rastgele uçarak farklı pozisyonlar alabilirler, hızlarında bazı farklılıklar olabilir (moleküller sürekli olarak birbirleriyle ve havadaki diğer parçacıklarla çarpışırlar). Bir molekül sisteminin durumunun her bir varyantına mikrostat denir ve bu tür çok sayıda varyant vardır. Seçeneklerin büyük çoğunluğunu uygularken, sistemin makro durumu hiçbir şekilde değişmez.
Hiçbir şey sınırsız değildir, ancak bir şey pek olası değildir
Ünlü S=k lnW ilişkisi, bir termodinamik sistemin (W) belirli bir makro durumunun, S entropisi ile ifade edilebileceği olası yolların sayısını birbirine bağlar. W değerine termodinamik olasılık denir. Bu formülün son hali Max Planck tarafından verilmiştir. Enerji ve sıcaklık arasındaki ilişkiyi karakterize eden son derece küçük bir değer olan k katsayısı (1.38×10−23 J/K), Planck, bilim adamının onuruna Boltzmann sabiti adını verdi. ilki termodinamiğin başlangıcının istatistiksel bir yorumunu önermek.
W'nin her zaman 1, 2, 3, …N doğal bir sayı olduğu açıktır (kesirli sayıda yol yoktur). O zaman logaritma W ve dolayısıyla entropi negatif olamaz. Sistem için mümkün olan tek mikro durum ile entropi sıfıra eşit olur. Bardağımıza dönersek, bu varsayım şu şekilde temsil edilebilir: odanın etrafında rastgele dolaşan su molekülleri bardağa geri döndü. Aynı zamanda, her biri yolunu tam olarak tekrarladı ve ayrılmadan önce bulunduğu bardakta aynı yeri aldı. Entropinin sıfıra eşit olduğu bu seçeneğin uygulanmasını hiçbir şey yasaklamaz. Böyle kaybolan küçük bir olasılığın uygulanmasını beklemek buna değmez. Bu sadece teorik olarak yapılabileceklere bir örnek.
Evde her şey karışık…
Yani moleküller odanın etrafında farklı şekillerde rastgele uçuyor. Düzenlerinde düzenlilik yok, sistemde düzen yok, mikro durum seçeneklerini ne kadar değiştirirseniz değiştirin, anlaşılır bir yapı izlenemez. Bardakta da durum aynıydı ama sınırlı alan nedeniyle moleküller konumlarını o kadar aktif bir şekilde değiştirmediler.
Sistemin en kaotik, düzensiz durumuolası maksimum entropisine karşılık gelir. Bardaktaki su, düşük entropi durumuna bir örnektir. Odaya eşit olarak dağılmış kaostan ona geçiş neredeyse imkansız.
Hepimiz için daha anlaşılır bir örnek verelim - evdeki pisliği temizlemek. Her şeyi yerli yerine oturtmak için de enerji harcamak zorundayız. Bu çalışma sürecinde ısınırız (yani donmayız). Entropinin faydalı olabileceği ortaya çıktı. Bu durumda. Daha da fazlasını söyleyebiliriz: entropi ve onun aracılığıyla (enerjiyle birlikte) termodinamiğin ikinci yasası evreni yönetir. Tersinir süreçlere bir kez daha bakalım. Entropi olmasaydı dünya böyle görünürdü: gelişme yok, galaksiler, yıldızlar, gezegenler yok. Hayat yok…
"Isı ölümü" hakkında biraz daha bilgi. İyi haberler var. İstatistiksel teoriye göre, "yasak" süreçler aslında olası olmadığından, termodinamik olarak denge sisteminde dalgalanmalar ortaya çıkar - termodinamiğin ikinci yasasının kendiliğinden ihlalleri. İsteğe bağlı olarak büyük olabilirler. Termodinamik sisteme yerçekimi dahil edildiğinde, parçacıkların dağılımı artık kaotik olarak tekdüze olmayacak ve maksimum entropi durumuna ulaşılmayacaktır. Ayrıca Evren değişmez, sabit, durağan değildir. Bu nedenle, "ısı ölümü" sorusunun formülasyonu anlamsızdır.
