Drugi zakon termodinamike. Tumačenje, teorijsko i praktično opravdanje

U fizici, budući da je to egzaktna znanost, većina dogmi se dokazuje empirijski. Tako je izveden drugi zakon termodinamike, koji se trenutno proučava u svakoj školi. Nepovratni toplinski procesi - to je ono što on kaže. Važno je napomenuti da je u početnim fazama studije takvo tumačenje mnogo razumljivije.

Opći pogledi

Fizički princip koji ograničava smjer različitih procesa u termodinamički sustavi je drugi zakon termodinamike. Definicija ovog izraza nastala je u 19. stoljeću, najprije od Rudolfa Clausisa, a potom od Williama Thomsona (Lorda Kelvina). Sukladno dvjema postulatima u svijetu ne može postojati neka vrsta trajnog stroja za kretanje druge vrste. Ne postoji i neće biti takve instalacije koja bi zagrijala, emanirala iz svih stvari, živih bića i pojava, pretvorila se u energiju za svoj trajni rad. Na temelju toga izvedeno je pravilo da učinkovitost ne može biti jednaka. To se može usporediti s radom hladnjaka, gdje će temperatura, recimo, biti jednaka apsolutna nula. U takvim uvjetima isključena je kružna izmjena topline.

Formulacija Rudolpha Clausisa

Prvi je izgovorio drugi zakon termodinamike R. Clausis - njemački fizičar i matematičar. Prema njegovim riječima, kružni proces u kojem se rezultat postiže prijenosom topline iz manje grijanog tijela na grijano tijelo je nemoguć. Drugim riječima, temperatura u cijelosti ili djelomično može slobodno prijeći iz toplijeg tijela u hladnije, ali se taj proces ne može dogoditi u suprotnom smjeru. To nam jasno pokazuje odsustvo cikličnosti, začarani krug. Takvi koncepti su neprihvatljivi za termodinamiku. Toplina se jednostavno izmjenjuje između tijela, a kao rezultat tih aktivnosti ne proizvodi se višak energije.

Postulat izveden od lorda Kelvina

Slična definicija drugog zakona termodinamike primljena je u djelima Thomsona - britanskog fizičara i mehanike. Teoretski, to zvuči ovako: "Ciklički proces, čiji jedini rezultat može biti rad dobiven hlađenjem toplog tijela ili spremnika, nije moguć." Da bismo jasnije razumjeli ovo tumačenje, zamislimo određeni stroj (ne može postojati prema termodinamičkom postulatu). Povremeno hladi spremnik stalnom toplom vodom, primajući toplinsku energiju. Zahvaljujući toj energiji, stroj podiže različita opterećenja poput građevinske dizalice. U ovom slučaju nema motora, elektrana i drugog mehaničkog punjenja. U smislu empirijske fizike, to je nemoguće.

Što je uobičajeno?

Sada ćemo razmotriti kako se ova dva tumačenja kombiniraju i na kojima se u načelu temelji drugi zakon termodinamike. Entropija je mjera kaosa koji se povećava u procesu razmjene topline. Da je to spojni element za opis Clausisa i Kelvina. Ali natrag malo. Drugi zakon termodinamike kaže da se s izmjenom topline energija smanjuje (dakle, nije moguće dobiti posao), nego se povećava mjera kaosa. Taj je proces nepovratan i često se naziva spontan. U termodinamici se entropija stalno umnožava, ali njeno uništenje nije moguće. Zato se čak 100 posto energije u bilo kojem tijelu ne može pretvoriti u rad.

Što je mjera kaosa?

Koncept entropije je prvi put formuliran u usta Clausisa. Služi za određivanje mjere nepovratnog procesa disipacije energije. To je bila neka vrsta razlike u odstupanju stvarnog procesa od ideala. Entropija u zatvorenim sustavima, gdje se svi procesi odvijaju ciklički, ima konstantnu vrijednost. Ako je proces nepovratan (što se izravno odnosi na termodinamiku), tada entropija uvijek ima pozitivno značenje. Također je vrijedno spomenuti da je mjera kaosa generirana apsolutno svim procesima koji se događaju u svemiru. S konstantnim pokazateljima volumena i energije tijela ili spremnika, entropija se stalno povećava. Ako se te brojke mijenjaju periodično, tada se mjera kaosa može smanjiti zbog posla koji se obavlja, ali njegovo potpuno uništenje nije moguće. Valja napomenuti da se entropija Svemira ne smanjuje. Ostaje normalna ili trajno raste.

Ilustrativan primjer

Drugi zakon termodinamike može se objasniti standardnim primjerom koji se često daje studentima. Imamo dva tijela s različitim temperaturama. Više zagrijana tvar će ispuštati svoju toplinu manje zagrijanu sve dok njihova očitavanja temperature ne postanu jednaka. Tijekom tog procesa, entropija prvog, toplijeg tijela će se smanjiti za manju brojku nego što će se povećati u drugom, hladnijem tijelu. Kao rezultat toga, sličan spontani proces će stvoriti entropiju sustava, čiji će indeks biti veći od ukupne vrijednosti entropije dvaju tijela u početnom položaju. Drugim riječima, mjerilo kaosa sustava dviju tvari, koje je rezultat izmjene topline, povećalo se.

Toplinska smrt svemira

Kada je provodio svoja istraživanja, Clausis je zaključio da bez obzira na to koliko nam se prostor činio otvorenim (naš planet, njegove odvojene teritorije, vodena područja, itd.), Sve je to u prostoru. Svemir je pak najveći zatvoreni prostor unutar kojeg se odvijaju makroskopski procesi. Budući da se u zatvorenom sustavu entropija stalno povećava, naš se svijet približava činjenici da će uskoro mjera kaosa doseći beskonačnu vrijednost. To znači da se svi procesi jednostavno zaustavljaju zbog činjenice da je energija iscrpljena. Takva kritična točka, koju ćemo doseći, možda, u određenoj budućnosti, dobila je ime termalne smrti. Ispada da sve naše akcije (kretanje, hodanje, trčanje), sve pojave koje se događaju na planeti (dašak vjetra, cunami, kretanje litosferskih ploča) - sve to uzrokuje nepovratno povećanje entropije i iscrpljuje energiju.

Pobijanje teorije

Čovjek još uvijek ne može suditi o cijelom svemiru. Vidimo samo dio svijeta u kojem živimo i istražujemo taj kutak, dokazujući određene zakone i formirajući vlastite ideje na temelju toga. Dakle, prvo pobijanje mogućnosti termalne smrti, koja se temelji na drugom zakonu termodinamike, jest da Svemir možda nije zatvoreni sustav. Poznato je da se 85 posto kozmosa sastoji od antimaterije, čija su svojstva nikome nepoznata. Drugo pobijanje je da je naš kozmos, čak i ako je zatvoren, kontinuirana fluktuacija. Zbog različitih fluktuacija i promjena u veličini, masi, energiji i temperaturi, entropija se ne povećava (u ukupnoj, univerzalnoj vrijednosti) i ne smanjuje. Prema tome, već smo u stanju termodinamičke ravnoteže, ili, prema riječima Clausisa, u stanju toplinske smrti.

Ukratko

Drugi zakon termodinamike neraskidivo je povezan s razvojem egzaktnih znanosti. Otvorena je u zoru znanstvenog i tehnološkog napretka i postala je, može se reći, polazna točka za daljnji rad znanstvenika u području matematike, fizike i astronomije. Valja napomenuti da sve ovo predstavljamo posebno u zemaljskim uvjetima. Vjerojatno je da će u drugačijem okruženju, gdje gravitacijska polja imaju različitu silu, termodinamika djelovati prema potpuno drugačijoj shemi.