Термодинамика физика ғылымының дербес саласы ретінде 19 ғасырдың бірінші жартысында пайда болды. Машиналардың дәуірі басталды. Өнеркәсіптік революция жылу машиналарының жұмысымен байланысты процестерді зерттеуді және түсінуді талап етті. Машина дәуірінің басында жалғыз өнертапқыштар тек интуиция мен «қоқыс әдісін» пайдалана алды. Ашулар мен өнертабыстарға қоғамдық тәртіп болмады, олардың пайдалы болуы ешкімнің ойына да келмеді. Бірақ термиялық (және сәл кейінірек электрлік) машиналар өндірістің негізіне айналғанда, жағдай өзгерді. Ғалымдар 19 ғасырдың ортасына дейін орын алған терминологиялық шатасуды ақырындап реттеп, энергияны нені, қандай күшті, қандай импульсті атау керектігін шешті.
Термодинамика қандай постулаттар береді
Жалпы білімнен бастайық. Классикалық термодинамика 19 ғасырда дәйекті түрде енгізілген бірнеше постулаттарға (қағидаларға) негізделген. Яғни, бұл ережелер жоқоның ішінде дәлелденеді. Олар эмпирикалық деректерді жалпылау нәтижесінде тұжырымдалған.
Бірінші заң – макроскопиялық жүйелердің (бөлшектердің көп мөлшерінен тұратын) мінез-құлқын сипаттау үшін энергияның сақталу заңын қолдану. Қысқаша оны былай тұжырымдауға болады: оқшауланған термодинамикалық жүйенің ішкі энергия қоры әрқашан тұрақты болып қалады.
Термодинамиканың екінші заңының мағынасы мұндай жүйелердегі процестердің жүру бағытын анықтау болып табылады.
Үшінші заң энтропия сияқты шаманы дәл анықтауға мүмкіндік береді. Оны толығырақ қарастырыңыз.
Энтропия түсінігі
Термодинамиканың екінші заңының тұжырымын 1850 жылы Рудольф Клаузиус ұсынған: «Жылуды аз қыздырылған денеден ыстық денеге өздігінен беру мүмкін емес». Сонымен бірге Клаузий 1824 жылы жылу машинасының жұмысына айналуы мүмкін энергияның үлесі тек қыздырғыш пен тоңазытқыш арасындағы температура айырмашылығына байланысты екенін анықтаған Сади Карноның еңбегін ерекше атап өтті.
Термодинамиканың екінші заңын одан әрі дамытуда Клаузиус энтропия түсінігін енгізеді – энергия мөлшерінің қайтымсыз түрленетін жұмысқа айналуға жарамсыз түрге айналатын өлшемі. Клаузиус бұл мәнді dS=dQ/T формуласымен көрсетті, мұнда dS энтропияның өзгеруін анықтайды. Мұнда:
dQ - жылуды өзгерту;
T - абсолютті температура (Кельвинмен өлшенген).
Қарапайым мысал: қозғалтқыш жұмыс істеп тұрған кезде көлігіңіздің капотын түртіңіз. Ол аныққоршаған ортаға қарағанда жылырақ. Бірақ автомобиль қозғалтқышы сорғышты немесе радиатордағы суды жылытуға арналмаған. Бензиннің химиялық энергиясын жылу энергиясына, содан кейін механикалық энергияға айналдыра отырып, ол пайдалы жұмыс жасайды - ол білікті айналдырады. Бірақ өндірілген жылудың көп бөлігі босқа кетеді, өйткені одан ешқандай пайдалы жұмыс алынбайды, ал шығатын құбырдан ұшатын нәрсе бензин емес. Бұл жағдайда жылу энергиясы жоғалады, бірақ жоғалмайды, бірақ таралады (таратады). Ыстық сорғыш, әрине, салқындайды және қозғалтқыштағы цилиндрлердің әрбір циклі оған қайтадан жылу қосады. Осылайша, жүйе термодинамикалық тепе-теңдікке жетуге ұмтылады.
Энтропияның ерекшеліктері
Клаузиус dS ≧ 0 формуласында термодинамиканың екінші заңының жалпы принципін шығарды. Оның физикалық мағынасын энтропияның «кемімейтіндігі» ретінде анықтауға болады: қайтымды процестерде ол өзгермейді, қайтымсыз процестерде ол артады.
Барлық нақты процестер қайтымсыз екенін атап өткен жөн. «Кемелмейтін» термині құбылысты қарастыруға теориялық мүмкін болатын идеалдандырылған нұсқаның да енгізілгенін ғана көрсетеді. Яғни, кез келген стихиялық процессте қолжетімсіз энергия мөлшері артады.
Абсолюттік нөлге жету мүмкіндігі
Макс Планк термодинамиканың дамуына елеулі үлес қосты. Ол екінші заңның статистикалық түсіндірмесі бойынша жұмыс істеумен қатар, термодинамиканың үшінші заңын постулаттауға белсене қатысты. Бірінші тұжырым Уолтер Нернстке тиесілі және 1906 жылға сілтеме жасайды. Нернст теоремасы қарастырадыТепе-теңдік жүйесінің абсолютті нөлге дейінгі температурадағы әрекеті. Термодинамиканың бірінші және екінші заңдары берілген шарттарда энтропияның қандай болатынын анықтау мүмкін емес.
Т=0 К болғанда энергия нөлге тең, жүйенің бөлшектері ретсіз жылулық қозғалысты тоқтатып, реттелген құрылымды, термодинамикалық ықтималдығы бірге тең кристалды құрайды. Бұл энтропияның да жойылатынын білдіреді (төменде мұның неліктен болатынын анықтаймыз). Шындығында ол мұны сәл ертерек жасайды, яғни кез келген термодинамикалық жүйені, кез келген денені абсолютті нөлге дейін салқындату мүмкін емес. Температура бұл нүктеге ерікті түрде жақындайды, бірақ оған жетпейді.
Perpetuum mobile: жоқ, тіпті егер шынымен қаласаңыз да
Клаузиус термодинамиканың бірінші және екінші заңдарын осылайша қорытып, тұжырымдады: кез келген тұйық жүйенің толық энергиясы әрқашан тұрақты болып қалады, ал жалпы энтропия уақыт өткен сайын артады.
Бұл мәлімдеменің бірінші бөлігі бірінші түрдегі мәңгілік қозғалыс машинасына – сыртқы көзден энергия ағынынсыз жұмыс істейтін құрылғыға тыйым салады. Екінші бөлімде екінші түрдегі мәңгілік қозғалыс машинасына да тыйым салынады. Мұндай машина жүйенің энергиясын энтропия компенсациясынсыз, сақталу заңын бұзбай жұмысқа жібереді. Тепе-теңдік жүйесінен жылуды сорып алуға болады, мысалы, су молекулаларының жылулық қозғалысының энергиясы есебінен омлет қуыру немесе болат құйып, оны салқындатуға болады.
Термодинамиканың екінші және үшінші заңдары екінші текті мәңгілік қозғалыс машинасына тыйым салады.
Әттең, табиғаттан ешнәрсе алуға болмайды, тек тегін ғана емес, комиссия да төлеу керек.
Ыстық өлім
Ғылымда көпшілік арасында ғана емес, сонымен қатар ғалымдардың өздерінде де энтропия сияқты көптеген түсініксіз эмоцияларды тудырған ұғымдар аз. Физиктер, ең алдымен, Клаузийдің өзі азайып кетпеу заңын бірден Жерге, содан кейін бүкіл Әлемге экстраполяциялады (неге болмасқа, өйткені оны термодинамикалық жүйе деп те санауға болады). Нәтижесінде көптеген техникалық қолданбаларда есептеулердің маңызды элементі болып табылатын физикалық шама жарқын және мейірімді әлемді бұзатын қандай да бір әмбебап Зұлымдықтың іске асуы ретінде қабылдана бастады.
Осындай пікірлер де ғалымдар арасында бар: термодинамиканың екінші заңы бойынша энтропия қайтымсыз өсетіндіктен, ерте ме, кеш пе Әлемнің барлық энергиясы диффузиялық түрге ыдырап, «жылу өлімі» келеді. Қуанатын не бар? Мысалы, Клаузиус өз тұжырымдарын жариялауға бірнеше жыл бойы тартынған. Әрине, «жылу өлімі» гипотезасы бірден көптеген қарсылықтарды тудырды. Оның дұрыстығына қазірдің өзінде үлкен күмән бар.
Сұрыптаушы демон
1867 жылы газдардың молекулалық-кинетикалық теориясының авторларының бірі Джеймс Максвелл өте көрнекі (ойдан шығарылған болса да) экспериментте термодинамиканың екінші заңының парадоксын көрсетті. Тәжірибені төмендегідей қорытындылауға болады.
Газы бар ыдыс болсын. Ондағы молекулалар ретсіз қозғалады, олардың жылдамдықтары бірнешеәртүрлі, бірақ орташа кинетикалық энергия бүкіл ыдыста бірдей. Енді біз бөліммен ыдысты екі оқшауланған бөлікке бөлеміз. Ыдыстың екі жартысындағы молекулалардың орташа жылдамдығы өзгеріссіз қалады. Бөлімді жылдамырақ, «ыстық» молекулалардың бір бөлікке, ал баяу «суық» молекулалардың екіншісіне енуіне мүмкіндік беретін кішкентай жын қорғайды. Нәтижесінде газ бірінші жартысында қызады, екінші жартысында суытады, яғни жүйе термодинамикалық тепе-теңдік күйінен температуралық потенциалдар айырмасына ауысады, бұл энтропияның төмендеуін білдіреді.
Бүкіл мәселе экспериментте жүйе бұл ауысуды өздігінен жасамайды. Ол энергияны сырттан алады, соның арқасында бөлім ашылады және жабылады немесе жүйеде міндетті түрде өз энергиясын қақпашының міндеттеріне жұмсайтын жын кіреді. Жынның энтропиясының артуы оның газының азаюын жабудан да көп болады.
Ережесіз молекулалар
Бір стақан суды алып, үстелге қалдырыңыз. Стаканды қараудың қажеті жоқ, біраз уақыттан кейін қайтып, ондағы судың күйін тексеру жеткілікті. Оның саны азайғанын көреміз. Егер сіз стақанды ұзақ уақыт қалдырсаңыз, онда су мүлдем болмайды, өйткені оның бәрі буланып кетеді. Процестің ең басында барлық су молекулалары әйнек қабырғаларымен шектелген кеңістіктің белгілі бір аймағында болды. Эксперимент аяқталғаннан кейін олар бүкіл бөлмеге шашырап кетті. Бөлме көлемінде молекулалардың өз орнын ешбір өзгеріссіз өзгерту мүмкіндігі әлдеқайда көпжүйенің күйі үшін салдары. Денсаулыққа пайдасы бар суды ішу үшін оларды дәнекерленген "ұжымға" жинап, стаканға қайта айдау мүмкін емес.
Бұл жүйенің жоғары энтропиялық күйге өткенін білдіреді. Термодинамиканың екінші заңы негізінде энтропия немесе жүйенің бөлшектерінің дисперсия процесі (бұл жағдайда су молекулалары) қайтымсыз. Неліктен бұл?
Клаузиус бұл сұраққа жауап бермеді және Людвиг Больцманнан басқа ешкім жауап бере алмады.
Макро және микрокүйлер
1872 жылы бұл ғалым ғылымға термодинамиканың екінші бастамасының статистикалық түсіндірмесін енгізді. Өйткені, термодинамика айналысатын макроскопиялық жүйелер мінез-құлқы статистикалық заңдарға бағынатын көптеген элементтерден құралады.
Су молекулаларына оралайық. Бөлменің айналасында кездейсоқ ұшып, олар әртүрлі позицияларды ала алады, жылдамдықтарында кейбір айырмашылықтар болады (молекулалар бір-бірімен және ауадағы басқа бөлшектермен үнемі соқтығысады). Молекулалар жүйесінің күйінің әрбір нұсқасы микрокүй деп аталады және мұндай нұсқалардың өте көп саны бар. Опциялардың басым көпшілігін іске асырған кезде жүйенің макрокүйі ешбір жолмен өзгермейді.
Ештеңе шектелмейді, бірақ бірдеңе болуы екіталай
Әйгілі S=k lnW қатынасы термодинамикалық жүйенің белгілі макрокүйін (W) оның S энтропиясымен өрнектеудің мүмкін болатын тәсілдерінің санын байланыстырады. W мәні термодинамикалық ықтималдық деп аталады. Бұл формуланың соңғы түрін Макс Планк берген. Планк энергия мен температура арасындағы қатынасты сипаттайтын өте аз мән (1,38×10−23 J/K) k коэффициентін Больцман тұрақтысы деп атады. біріншіден, екінші термодинамиканың басынан статистикалық интерпретацияны ұсыну.
W әрқашан 1, 2, 3, …N натурал саны екені анық (жолдардың бөлшек саны жоқ). Сонда W логарифмі, демек энтропия теріс болуы мүмкін емес. Жүйе үшін жалғыз мүмкін болатын микрокүймен энтропия нөлге тең болады. Егер біз стақанымызға оралсақ, бұл постулатты келесідей көрсетуге болады: су молекулалары бөлмеде кездейсоқ жүгіріп, қайтадан стаканға оралды. Сонымен бірге, әрқайсысы өз жолын дәл қайталады және кетуге дейін стақандағы орнын алды. Энтропия нөлге тең болатын бұл опцияны жүзеге асыруға ештеңе тыйым салмайды. Мұндай жоғалып кететін шағын ықтималдықтың іске асырылуын күту керек емес. Бұл тек теориялық түрде жасалатын нәрсенің бір мысалы.
Үйде бәрі араласып кеткен…
Сонымен молекулалар бөлменің айналасында әртүрлі жолдармен кездейсоқ ұшып жатыр. Олардың орналасуында заңдылық жоқ, жүйеде тәртіп жоқ, микрокүйлердің опцияларын қалай өзгертсеңіз де, түсінікті құрылымды байқауға болмайды. Шыныда да солай болды, бірақ кеңістіктің шектеулі болуына байланысты молекулалар өз орнын соншалықты белсенді түрде өзгертпеді.
Жүйенің хаотикалық, ретсіз күйіықтималдығы оның максималды энтропиясына сәйкес келеді. Стакандағы су төменгі энтропия күйінің мысалы болып табылады. Бөлменің ішінде біркелкі таралған хаостан оған көшу мүмкін емес.
Бәрімізге түсінікті мысал келтірейік - үйдегі кірді тазалау. Барлығын өз орнына қою үшін біз де энергия жұмсауымыз керек. Бұл жұмыс барысында біз қызып кетеміз (яғни тоңбаймыз). Энтропияның пайдалы болуы мүмкін екені белгілі болды. Бұл жағдай. Біз одан да көп айта аламыз: энтропия және ол арқылы термодинамиканың екінші заңы (энергиямен бірге) ғаламды басқарады. Қайтымды процестерді тағы бір қарастырайық. Егер энтропия болмаса: даму, галактикалар, жұлдыздар, планеталар болмаса, әлем осылай көрінетін еді. Өмір жоқ…
"Ыстық өлім" туралы азырақ ақпарат. Жақсы жаңалық бар. Статистикалық теорияға сәйкес, «тыйым салынған» процестер шын мәнінде екіталай болғандықтан, термодинамикалық тепе-теңдік жүйесінде термодинамиканың екінші заңының өздігінен бұзылуы пайда болады. Олар ерікті түрде үлкен болуы мүмкін. Ауырлық күші термодинамикалық жүйеге енгізілгенде, бөлшектердің таралуы хаотикалық біркелкі болмайды және максималды энтропия күйіне жетпейді. Сонымен қатар, Әлем өзгермейтін, тұрақты, қозғалмайтын. Сондықтан «жылу өлімі» туралы сұрақтың тұжырымының өзі мағынасыз.
