Thermodynamica als een onafhankelijke tak van de natuurwetenschap ontstond in de eerste helft van de 19e eeuw. Het tijdperk van machines is aangebroken. De industriële revolutie vereiste de studie en het begrip van de processen die verband houden met de werking van warmtemotoren. Aan het begin van het machinetijdperk konden eenzame uitvinders het zich veroorloven om alleen intuïtie en de "poke-methode" te gebruiken. Er was geen openbare orde voor ontdekkingen en uitvindingen, het kon niet eens bij iemand opkomen dat ze nuttig konden zijn. Maar toen thermische (en even later elektrische) machines de basis van de productie werden, veranderde de situatie. Wetenschappers hebben eindelijk geleidelijk de terminologische verwarring opgelost die tot het midden van de 19e eeuw heerste, door te beslissen wat energie, welke kracht, welke impuls moest worden genoemd.
Wat thermodynamica postuleert
Laten we beginnen met algemene kennis. De klassieke thermodynamica is gebaseerd op verschillende postulaten (principes) die in de loop van de 19e eeuw achtereenvolgens werden ingevoerd. Dat wil zeggen, deze bepalingen zijn niet:daarin aantoonbaar. Ze zijn geformuleerd als resultaat van generalisatie van empirische gegevens.
De eerste wet is de toepassing van de wet van behoud van energie op de beschrijving van het gedrag van macroscopische systemen (bestaande uit een groot aantal deeltjes). In het kort kan het als volgt worden geformuleerd: de voorraad interne energie van een geïsoleerd thermodynamisch systeem blijft altijd constant.
De betekenis van de tweede wet van de thermodynamica is om de richting te bepalen waarin processen in dergelijke systemen verlopen.
De derde wet stelt je in staat om zo'n grootheid als entropie nauwkeurig te bepalen. Overweeg het in meer detail.
Het concept van entropie
De formulering van de tweede wet van de thermodynamica werd in 1850 voorgesteld door Rudolf Clausius: "Het is onmogelijk om spontaan warmte over te dragen van een minder verwarmd lichaam naar een heter lichaam." Tegelijkertijd benadrukte Clausius de verdienste van Sadi Carnot, die al in 1824 vaststelde dat het aandeel energie dat kan worden omgezet in het werk van een warmtemotor alleen afhangt van het temperatuurverschil tussen de verwarming en de koelkast.
In de verdere ontwikkeling van de tweede wet van de thermodynamica introduceert Clausius het concept van entropie - een maat voor de hoeveelheid energie die onomkeerbaar verandert in een vorm die ongeschikt is voor omzetting in arbeid. Clausius drukte deze waarde uit met de formule dS=dQ/T, waarbij dS de verandering in entropie bepa alt. Hier:
dQ - warmteverandering;
T - absolute temperatuur (die gemeten in Kelvin).
Een eenvoudig voorbeeld: raak de motorkap van uw auto aan terwijl de motor draait. Hij is duidelijkwarmer dan de omgeving. Maar de motor van een auto is niet ontworpen om de motorkap of het water in de radiator te verwarmen. Door de chemische energie van benzine om te zetten in thermische energie en vervolgens in mechanische energie, doet het nuttig werk - het roteert de as. Maar het grootste deel van de geproduceerde warmte gaat verloren, omdat er geen nuttig werk aan kan worden onttrokken, en wat uit de uitlaatpijp vliegt, is geenszins benzine. In dit geval gaat thermische energie verloren, maar verdwijnt niet, maar dissipeert (dissipeert). Een hete motorkap koelt natuurlijk af, en elke cyclus van cilinders in de motor voegt er weer warmte aan toe. Het systeem heeft dus de neiging om een thermodynamisch evenwicht te bereiken.
Kenmerken van entropie
Clausius heeft het algemene principe voor de tweede wet van de thermodynamica afgeleid in de formule dS ≧ 0. De fysieke betekenis kan worden gedefinieerd als de "niet-afnemende" van entropie: in omkeerbare processen verandert het niet, in onomkeerbare processen het neemt toe.
Opgemerkt moet worden dat alle echte processen onomkeerbaar zijn. De term "niet-afnemend" weerspiegelt alleen het feit dat ook een theoretisch mogelijke geïdealiseerde versie bij de beschouwing van het fenomeen wordt betrokken. Dat wil zeggen, de hoeveelheid niet-beschikbare energie in een spontaan proces neemt toe.
Mogelijkheid om het absolute nulpunt te bereiken
Max Planck heeft een serieuze bijdrage geleverd aan de ontwikkeling van de thermodynamica. Naast het werken aan de statistische interpretatie van de tweede wet, nam hij actief deel aan het postuleren van de derde wet van de thermodynamica. De eerste formulering is van W alter Nernst en verwijst naar 1906. De stelling van Nernst beschouwtgedrag van een evenwichtssysteem bij een temperatuur die neigt naar het absolute nulpunt. De eerste en tweede wet van de thermodynamica maken het onmogelijk om erachter te komen wat de entropie zal zijn onder bepaalde omstandigheden.
Wanneer T=0 K, de energie nul is, stoppen de deeltjes van het systeem de chaotische thermische beweging en vormen een geordende structuur, een kristal met een thermodynamische kans gelijk aan één. Dit betekent dat entropie ook verdwijnt (hieronder zullen we ontdekken waarom dit gebeurt). In werkelijkheid doet het dit zelfs iets eerder, wat betekent dat het afkoelen van elk thermodynamisch systeem, elk lichaam tot het absolute nulpunt onmogelijk is. De temperatuur zal dit punt willekeurig benaderen, maar zal het niet bereiken.
Perpetuum mobile: nee, zelfs als je dat echt wilt
Clausius generaliseerde en formuleerde de eerste en tweede wet van de thermodynamica op deze manier: de totale energie van elk gesloten systeem blijft altijd constant, en de totale entropie neemt toe met de tijd.
Het eerste deel van deze verklaring legt een verbod op op de perpetuum mobile van de eerste soort - een apparaat dat werkt zonder een instroom van energie van een externe bron. Het tweede deel verbiedt ook de perpetuum mobile van de tweede soort. Zo'n machine zou de energie van het systeem in arbeid omzetten zonder entropiecompensatie, zonder de behoudswet te schenden. Het zou mogelijk zijn om warmte uit een evenwichtssysteem te pompen, bijvoorbeeld om roerei te bakken of staal te gieten vanwege de energie van de thermische beweging van watermoleculen, waardoor het wordt gekoeld.
De tweede en derde wet van de thermodynamica verbieden een perpetuum mobile van de tweede soort.
Helaas, niets kan van de natuur worden verkregen, niet alleen gratis, je moet ook commissie betalen.
Hitte Dood
Er zijn weinig concepten in de wetenschap die zoveel dubbelzinnige emoties veroorzaakten, niet alleen bij het grote publiek, maar ook bij de wetenschappers zelf, zoveel als entropie. Natuurkundigen, en in de eerste plaats Clausius zelf, extrapoleerden vrijwel onmiddellijk de wet van niet-afname, eerst naar de aarde en vervolgens naar het hele universum (waarom niet, omdat het ook als een thermodynamisch systeem kan worden beschouwd). Als gevolg hiervan begon een fysieke hoeveelheid, een belangrijk element van berekeningen in veel technische toepassingen, te worden gezien als de belichaming van een soort universeel kwaad dat een heldere en vriendelijke wereld vernietigt.
Er zijn ook zulke meningen onder wetenschappers: aangezien, volgens de tweede wet van de thermodynamica, entropie onomkeerbaar groeit, degradeert vroeg of laat alle energie van het heelal tot een diffuse vorm, en zal de "hittedood" komen. Wat is er om blij over te zijn? Zo aarzelde Clausius jarenlang om zijn bevindingen te publiceren. Natuurlijk riep de "hittedood"-hypothese onmiddellijk veel bezwaren op. Er zijn zelfs nu ernstige twijfels over de juistheid ervan.
Sorter Daemon
In 1867 demonstreerde James Maxwell, een van de auteurs van de moleculair-kinetische theorie van gassen, in een zeer visueel (zij het fictief) experiment de schijnbare paradox van de tweede wet van de thermodynamica. De ervaring kan als volgt worden samengevat.
Laat er een vat met gas zijn. De moleculen erin bewegen willekeurig, hun snelheden zijn verschillendeverschillen, maar de gemiddelde kinetische energie is in het hele vat hetzelfde. Nu verdelen we het vat met een scheidingswand in twee geïsoleerde delen. De gemiddelde snelheid van de moleculen in beide helften van het vat blijft hetzelfde. De scheidingswand wordt bewaakt door een kleine demon die snellere, "hete" moleculen toelaat om het ene deel binnen te dringen, en langzamere "koude" moleculen naar het andere. Als gevolg hiervan zal het gas in de eerste helft opwarmen en in de tweede helft afkoelen, dat wil zeggen, het systeem zal van de toestand van thermodynamisch evenwicht naar een temperatuurpotentiaalverschil gaan, wat een afname van de entropie betekent.
Het hele probleem is dat in het experiment het systeem deze overgang niet spontaan maakt. Het ontvangt energie van buitenaf, waardoor de scheidingswand opent en sluit, of het systeem bevat noodzakelijkerwijs een demon die zijn energie besteedt aan de taken van een poortwachter. De toename van de entropie van de demon zal de afname van zijn gas meer dan dekken.
Onhandelbare moleculen
Neem een glas water en laat het op tafel staan. Het is niet nodig om naar het glas te kijken, het is voldoende om na een tijdje terug te keren en de toestand van het water erin te controleren. We zullen zien dat het aantal is afgenomen. Als je het glas voor een lange tijd laat staan, zal er helemaal geen water in zitten, omdat het allemaal verdampt. Helemaal aan het begin van het proces bevonden alle watermoleculen zich in een bepaald ruimtegebied dat werd begrensd door de wanden van het glas. Aan het einde van het experiment verspreidden ze zich door de kamer. In het volume van een kamer hebben moleculen veel meer kans om hun locatie te veranderen zonder enigegevolgen voor de toestand van het systeem. We kunnen ze op geen enkele manier in een gesoldeerd "collectief" verzamelen en ze terug in een glas drijven om water te drinken met gezondheidsvoordelen.
Dit betekent dat het systeem is geëvolueerd naar een hogere entropietoestand. Op basis van de tweede wet van de thermodynamica is entropie of het proces van verspreiding van de deeltjes van het systeem (in dit geval watermoleculen) onomkeerbaar. Waarom is dat?
Clausius beantwoordde deze vraag niet, en niemand anders kon dat vóór Ludwig Boltzmann.
Macro en microtoestanden
In 1872 introduceerde deze wetenschapper de statistische interpretatie van de tweede wet van de thermodynamica in de wetenschap. De macroscopische systemen waarmee de thermodynamica te maken heeft, worden immers gevormd door een groot aantal elementen waarvan het gedrag voldoet aan statistische wetten.
Laten we teruggaan naar watermoleculen. Ze vliegen willekeurig door de kamer, kunnen verschillende posities innemen, verschillen in snelheid (moleculen botsen constant met elkaar en met andere deeltjes in de lucht). Elke variant van de toestand van een systeem van moleculen wordt een microtoestand genoemd en er zijn een groot aantal van dergelijke varianten. Bij het implementeren van de overgrote meerderheid van de opties zal de macrostatus van het systeem op geen enkele manier veranderen.
Niets is verboden terrein, maar iets is hoogst onwaarschijnlijk
De beroemde relatie S=k lnW verbindt het aantal mogelijke manieren waarop een bepaalde macrotoestand van een thermodynamisch systeem (W) kan worden uitgedrukt met zijn entropie S. De waarde van W wordt de thermodynamische kans genoemd. De uiteindelijke vorm van deze formule werd gegeven door Max Planck. De coëfficiënt k, een extreem kleine waarde (1,38×10−23 J/K) die de relatie tussen energie en temperatuur kenmerkt, noemde Planck de Boltzmann-constante ter ere van de wetenschapper die de eerst om een statistische interpretatie voor te stellen van de tweede het begin van de thermodynamica.
Het is duidelijk dat W altijd een natuurlijk getal 1, 2, 3, …N is (er is geen fractioneel aantal manieren). Dan kan de logaritme W, en dus de entropie, niet negatief zijn. Met de enig mogelijke microtoestand voor het systeem wordt de entropie gelijk aan nul. Als we terugkeren naar ons glas, kan dit postulaat als volgt worden weergegeven: de watermoleculen, die willekeurig door de kamer rennen, keerden terug naar het glas. Tegelijkertijd herhaalde elk precies zijn pad en nam dezelfde plaats in het glas in waarin het zich voor vertrek bevond. Niets verbiedt de implementatie van deze optie, waarbij de entropie gelijk is aan nul. Wacht maar tot de implementatie van zo'n verdwijnend kleine kans het niet waard is. Dit is een voorbeeld van wat alleen theoretisch kan.
Alles is door elkaar in huis…
Dus de moleculen vliegen willekeurig op verschillende manieren door de kamer. Er is geen regelmaat in hun rangschikking, er is geen orde in het systeem, het maakt niet uit hoe je de opties voor microstaten verandert, er kan geen begrijpelijke structuur worden getraceerd. In het glas was het hetzelfde, maar door de beperkte ruimte veranderden de moleculen niet zo actief van positie.
De chaotische, ongeordende toestand van het systeem als de meestde waarschijnlijke komt overeen met de maximale entropie. Water in een glas is een voorbeeld van een lagere entropietoestand. De overgang ernaartoe vanuit de chaos die gelijkmatig over de kamer is verdeeld, is bijna onmogelijk.
Laten we een begrijpelijker voorbeeld geven voor ons allemaal: de rommel in huis opruimen. Om alles op zijn plaats te zetten, moeten we ook energie verbruiken. Tijdens dit werk worden we heet (dat wil zeggen, we bevriezen niet). Het blijkt dat entropie nuttig kan zijn. Dit is het geval. We kunnen nog meer zeggen: entropie, en daardoor regeert de tweede wet van de thermodynamica (samen met energie) het universum. Laten we nog eens kijken naar omkeerbare processen. Zo zou de wereld eruitzien als er geen entropie was: geen ontwikkeling, geen sterrenstelsels, sterren, planeten. Geen leven…
Een beetje meer informatie over "hittedood". Er is goed nieuws. Aangezien volgens de statistische theorie "verboden" processen in feite onwaarschijnlijk zijn, ontstaan er fluctuaties in een thermodynamisch evenwichtssysteem - spontane schendingen van de tweede wet van de thermodynamica. Ze kunnen willekeurig groot zijn. Wanneer zwaartekracht wordt opgenomen in het thermodynamische systeem, zal de verdeling van deeltjes niet langer chaotisch uniform zijn en zal de toestand van maximale entropie niet worden bereikt. Bovendien is het heelal niet onveranderlijk, constant, stationair. Daarom is de formulering van de kwestie van "hittedood" zinloos.
