Iliustracijoje kairėje: krikščionių konservatorių protestas prieš antrąjį termodinamikos dėsnį. Užrašai plakatuose: perbrauktas žodis „entropija“; „Aš nepriimu pagrindinių mokslo ir balsavimo principų.

ANTRASIS TERMODINAMIKOS DĖSNIS IR KŪRYBOS KLAUSIMAI

2000-ųjų pradžioje grupė krikščionių konservatorių susirinko ant Kapitolijaus laiptų (Kanzasas, JAV) reikalauti panaikinti pagrindinį mokslinį principą – antrąjį termodinamikos dėsnį (žr. nuotrauką kairėje). To priežastis buvo jų įsitikinimas, kad šis fizinis dėsnis prieštarauja jų tikėjimui Kūrėju, nes numato šiluminę Visatos mirtį. Piketuotojai teigė nenorintys gyventi pasaulyje, judančiame tokios ateities link, ir to mokyti savo vaikų. Kampanijai prieš antrąjį termodinamikos dėsnį vadovauja ne kas kitas, o Kanzaso valstijos senatorius, kuris mano, kad šis įstatymas „kelia grėsmę mūsų vaikų supratimui apie visatą kaip pasaulį, sukurtą geranoriško ir mylinčio Dievo“.

Paradoksalu, bet toje pačioje JAV kitas krikščionių judėjimas – kreacionistai, vadovaujami Kūrybos tyrimų instituto prezidento Duane'o Gisho, priešingai, antrąjį termodinamikos dėsnį ne tik laiko mokslu, bet ir uoliai į jį apeliuoja. įrodyti, kad pasaulį sukūrė Dievas. Vienas iš pagrindinių jų argumentų yra tai, kad gyvybė negali atsirasti spontaniškai, nes viskas aplink yra linkusi į spontanišką sunaikinimą, o ne į kūrimą.

Atsižvelgiant į tokį ryškų šių dviejų krikščioniškų judėjimų prieštaravimą, kyla logiškas klausimas – kuris iš jų teisus? Ir ar kas nors teisus?

Šiame straipsnyje pažiūrėsime, kur galima ir kur neįmanoma pritaikyti antrąjį termodinamikos dėsnį ir kaip jis susijęs su tikėjimo Kūrėju klausimais.

Termodinamika yra fizikos šaka, tirianti šilumos ir kitų energijos formų santykius ir transformacijas. Jis pagrįstas keliais pagrindiniais principais, vadinamais termodinamikos principais (kartais dėsniais). Tarp jų bene garsiausias yra antrasis principas.

Antrasis termodinamikos dėsnis, be aukščiau pateikto, turi ir kitų formuluočių. Visos mūsų minėtos diskusijos apie kūrybą sukasi apie vieną iš jų. Ši formuluotė yra susijusi su entropijos sąvoka, su kuria turėsime susipažinti.

Entropija(pagal vieną apibrėžimą) yra sistemos netvarkos arba chaoso rodiklis. Paprastais žodžiais tariant, kuo daugiau chaoso vyrauja sistemoje, tuo didesnė jos entropija. Termodinaminėse sistemose kuo didesnė entropija, tuo chaotiškesnis sistemą sudarančių medžiagų dalelių (pavyzdžiui, molekulių) judėjimas.

Laikui bėgant mokslininkai suprato, kad entropija yra platesnė sąvoka ir gali būti taikoma ne tik termodinaminėms sistemoms. Apskritai bet kurioje sistemoje yra tam tikras chaosas, kuris gali keistis – didėti arba mažėti. Šiuo atveju dera kalbėti apie entropiją. Štai keletas pavyzdžių:

· Stiklinė vandens. Jei vanduo užšąla ir virsta ledu, tada jo molekulės susijungia į kristalinę gardelę. Tai atitinka didesnę tvarką (mažesnę entropiją) nei būsena, kai vanduo ištirpsta ir molekulės juda atsitiktinai. Tačiau ištirpęs vanduo vis tiek išlaiko tam tikrą formą – stiklą, kuriame jis yra. Jei vanduo išgarinamas, molekulės juda dar intensyviau ir užima visą joms suteiktą tūrį, judėdamos dar chaotiškiau. Taigi entropija dar labiau padidėja.

· Saulės sistema. Jame taip pat galite stebėti ir tvarką, ir netvarką. Planetos juda savo orbitomis taip tiksliai, kad astronomai gali bet kuriuo metu numatyti jų padėtį tūkstančius metų į priekį. Tačiau Saulės sistemoje yra keletas asteroidų diržų, kurie juda chaotiškiau – jie susiduria, lūžta, o kartais nukrenta ant kitų planetų. Pasak kosmologų, iš pradžių tokiais asteroidais buvo užpildyta visa Saulės sistema (išskyrus pačią Saulę), iš kurių vėliau susiformavo kietos planetos, o šie asteroidai judėjo dar chaotiškiau nei dabar. Jei tai tiesa, tada Saulės sistemos (išskyrus pačią Saulę) entropija iš pradžių buvo didesnė.

· galaktika. Galaktika sudaryta iš žvaigždžių, judančių aplink jos centrą. Tačiau ir čia yra tam tikra netvarka: žvaigždės kartais susiduria, keičia judėjimo kryptį, o dėl abipusės įtakos jų orbitos nėra idealios, keičiasi kiek chaotiškai. Taigi šioje sistemoje entropija nėra lygi nuliui.

· Vaikų kambarys. Turintiems mažų vaikų entropijos didėjimą dažnai tenka stebėti savo akimis. Jiems atlikus valymą, butas yra santykinai tvarkingas. Tačiau pakanka kelių valandų (o kartais ir mažiau), kai vienas ar du vaikai ten būna budrumo būsenoje, kad šio buto entropija gerokai padidėtų...

Jei paskutinis pavyzdys privertė jus šypsotis, greičiausiai jūs suprantate, kas yra entropija.

Grįždami prie antrojo termodinamikos dėsnio, prisiminkime, kad, kaip minėjome, jis turi kitą formuluotę, susijusią su entropijos sąvoka. Tai skamba taip: izoliuotoje sistemoje entropija negali mažėti. Kitaip tariant, bet kurioje sistemoje, visiškai atskirtoje nuo supančio pasaulio, sutrikimas negali spontaniškai mažėti: jis gali tik didėti arba, kraštutiniais atvejais, išlikti tame pačiame lygyje.

Jei ledo kubelį įdėsite į šiltą, užrakintą patalpą, po kurio laiko jis ištirps. Tačiau šioje patalpoje susidariusi vandens bala niekada pati nesuskils į ledo kubą. Ten atidarykite kvepalų buteliuką ir kvapas pasklis po visą kambarį. Tačiau niekas neprivers jo grįžti į butelį. Uždekite ten žvakę ir ji sudegs, bet niekas neprivers dūmų pavirsti žvake. Visiems šiems procesams būdingas kryptingumas ir negrįžtamumas. Tokio procesų, vykstančių ne tik šioje patalpoje, bet ir visoje Visatoje, negrįžtamumo priežastis slypi būtent antrajame termodinamikos dėsne.

Tačiau šis dėsnis, nepaisant savo akivaizdaus paprastumo, yra vienas sunkiausių ir dažnai neteisingai suprantamų klasikinės fizikos dėsnių. Faktas yra tas, kad jo formuluotėje yra vienas žodis, kuriam kartais skiriama nepakankamai dėmesio - tai žodis „izoliuotas“. Pagal antrąjį termodinamikos dėsnį entropija (chaosas) negali mažėti tik izoliuotose sistemose. Tai yra įstatymas. Tačiau kitose sistemose tai nebėra dėsnis, o entropija jose gali padidėti arba mažėti.

Kas yra izoliuota sistema? Pažiūrėkime, kokių tipų sistemos paprastai egzistuoja termodinamikos požiūriu:

· Atidaryti. Tai sistemos, kurios keičiasi medžiaga (ir galbūt energija) su išoriniu pasauliu. Pavyzdys: automobilis (vartoja benziną, orą, gamina šilumą).

· Uždaryta. Tai sistemos, kurios nesikeičia materija su išoriniu pasauliu, bet gali keistis energija su juo. Pavyzdys: erdvėlaivis (užsandarintas, bet sugeria saulės energiją naudodamas saulės baterijas).

· Izoliuotas (uždarytas). Tai sistemos, kurios nesikeičia nei medžiaga, nei energija su išoriniu pasauliu. Pavyzdys: termosas (užsandarintas ir išlaiko šilumą).

Kaip pažymėjome, antrasis termodinamikos dėsnis taikomas tik trečiajam iš išvardytų sistemų tipų.

Norėdami iliustruoti, prisiminkime sistemą, kurią sudaro užrakintas šiltas kambarys ir ledo gabalas, kuris ištirpo joje. Idealiu atveju tai atitiko izoliuotą sistemą, o jos entropija padidėjo. Tačiau dabar įsivaizduokime, kad lauke smarkiai šalta, ir mes atidarėme langą. Sistema tapo atvira: į patalpą pradėjo plūsti šaltas oras, temperatūra patalpoje nukrito žemiau nulio, o mūsų ledo gabalas, kuris anksčiau buvo pavirtęs bala, vėl užšalo.

Realiame gyvenime užrakinta patalpa nėra izoliuota sistema, nes iš tikrųjų stiklas ir net plytos praleidžia šilumą. Ir šiluma, kaip minėjome aukščiau, taip pat yra energijos forma. Todėl rakinama patalpa iš tikrųjų nėra izoliuota patalpa, o uždara sistema. Net jei sandariai uždarysime visus langus ir duris, šiluma vis tiek pamažu paliks kambarį, sušals ir mūsų bala taip pat virs ledu.

Kitas panašus pavyzdys – kambarys su šaldikliu. Kai šaldiklis išjungtas, jo temperatūra yra tokia pati kaip kambario temperatūra. Bet kai tik jį įjungsite, jis pradės vėsti, o sistemos entropija pradės mažėti. Tai tampa įmanoma, nes tokia sistema tapo uždara, tai yra, ji sunaudoja energiją iš aplinkos (šiuo atveju elektros).

Pastebėtina, kad pirmuoju atveju (patalpa su ledo gabalėliu) sistema išleisdavo energiją į aplinką, o antruoju (patalpa su šaldikliu), atvirkščiai, ją gaudavo. Tačiau abiejų sistemų entropija sumažėjo. Tai reiškia, kad tam, kad antrasis termodinamikos dėsnis nustotų veikti kaip nekintantis dėsnis, bendruoju atveju svarbu ne energijos perdavimo kryptis, o paties tokio perdavimo tarp sistemos ir sistemos fakto buvimas. išorinis pasaulis.

NEGYVOJI GAMTOS ENTROPIJOS SUMAŽĖJIMO PAVYZDŽIAI. Aukščiau aptartus sistemų pavyzdžius sukūrė žmogus. Ar yra pavyzdžių, kai entropija mažėja negyvojoje gamtoje, nedalyvaujant protui? Taip, kiek jums patinka.

Jei esate protingas ir praleidžiate šiek tiek laiko, galite prisiminti ir užrašyti tūkstančius panašių pavyzdžių. Svarbu pažymėti, kad daugeliu iš išvardintų atvejų entropijos sumažėjimas nėra pavienis atsitiktinumas, o dėsningumas – polinkis į jį būdingas pačiai tokių sistemų konstrukcijai. Todėl jis atsiranda kiekvieną kartą, kai susidaro tinkamos sąlygos, ir gali tęstis labai ilgai – tol, kol šios sąlygos egzistuoja. Visiems šiems pavyzdžiams nereikia nei sudėtingų mechanizmų, kurie mažina entropiją, nei proto įsikišimo.

Žinoma, jei sistema nėra izoliuota, tai visai nebūtina, kad entropija joje mažėtų. Atvirkščiai, tai yra entropijos padidėjimas, tai yra chaoso padidėjimas, kuris atsiranda spontaniškai dažniau. Bet kuriuo atveju esame įpratę, kad bet koks be priežiūros ar priežiūros paliktas daiktas, kaip taisyklė, sugenda ir tampa nebetinkamas naudoti, o ne tobulinamas. Galima net sakyti, kad tai tam tikra pamatinė materialaus pasaulio savybė – spontaniškos degradacijos troškimas, bendra tendencija didinti entropiją.

Tačiau ši paantraštė parodė, kad ši bendra tendencija yra dėsnis tik izoliuotose sistemose. Kitose sistemose entropijos didėjimas nėra dėsnis – viskas priklauso nuo konkrečios sistemos savybių ir sąlygų, kuriomis ji yra. Antrasis termodinamikos dėsnis jiems negali būti taikomas pagal apibrėžimą. Net jei entropija padidėja vienoje iš atvirų ar uždarų sistemų, tai nėra antrojo termodinamikos dėsnio išsipildymas, o tik bendros tendencijos didinti entropiją, būdingos visam materialiam pasauliui, apraiška. toli gražu nėra absoliutus.

Kai entuziastingas stebėtojas žiūri į žvaigždėtą dangų, taip pat kai patyręs astronomas žiūri į jį per teleskopą, abu gali stebėti ne tik jo grožį, bet ir nuostabią tvarką, kuri karaliauja šiame makrokosme.

Tačiau ar ši tvarka gali būti panaudota norint įrodyti, kad Dievas sukūrė visatą? Ar būtų teisinga pasinaudoti tokia samprotavimu: kadangi Visata nepateko į chaosą pagal antrąjį termodinamikos dėsnį, ar tai įrodo, kad ją valdo Dievas?

Galbūt jūs įpratote galvoti, kad taip. Tačiau iš tikrųjų, priešingai populiariam įsitikinimui, ne. Tiksliau, šiuo atžvilgiu galima ir būtina pasitelkti kiek kitokius įrodymus, bet ne antrąjį termodinamikos dėsnį.

Pirmiausia, dar neįrodyta, kad Visata yra izoliuota sistema. Nors, žinoma, priešingai neįrodyta, vis dėlto dar negalima vienareikšmiškai teigti, kad antrasis termodinamikos dėsnis gali būti taikomas jam kaip visumai.

Bet tarkime, kad Visatos kaip sistemos izoliacija bus įrodyta ateityje (tai visiškai įmanoma). Kas tada?

Antra, antrasis termodinamikos dėsnis nepasako, kas tiksliai viešpataus konkrečioje sistemoje – tvarka ar chaosas. Antrasis dėsnis sako, kuria kryptimi keisis ši tvarka ar netvarka – izoliuotoje sistemoje chaosas didės. O kokia kryptimi keičiasi tvarka Visatoje? Jei kalbėtume apie Visatą kaip visumą, tai chaosas joje didėja (taip pat ir entropija). Čia svarbu nepainioti Visatos su atskiromis žvaigždėmis, galaktikomis ar jų spiečiais. Atskiros galaktikos (pavyzdžiui, mūsų Paukščių Takas) gali būti labai stabilios struktūros ir atrodo, kad jos visai nesuyra per daugelį milijonų metų. Bet tai nėra izoliuotos sistemos: jos nuolat spinduliuoja energiją (pvz., šviesą ir šilumą) į supančią erdvę. Žvaigždės perdega ir nuolat skleidžia medžiagą („saulės vėją“) į tarpžvaigždinę erdvę. Dėl to Visatoje vyksta nenutrūkstamas žvaigždžių ir galaktikų struktūrinės medžiagos virsmo į chaotiškai išsklaidytą energiją ir dujas procesas. Kas tai, jei ne entropijos padidėjimas?

Šie degradacijos procesai, žinoma, vyksta labai lėtai, todėl atrodo, kad jų nejaučiame. Bet jei sugebėtume jas stebėti labai pagreitintu tempu – tarkime, trilijoną kartų greičiau, tada prieš akis atsiskleistų labai dramatiškas žvaigždžių gimimo ir mirties vaizdas. Verta prisiminti, kad pirmoji žvaigždžių karta, egzistavusi nuo Visatos atsiradimo, jau mirė. Pasak kosmologų, mūsų planeta susideda iš kadaise sudegusios žvaigždės egzistavimo ir sprogimo liekanų; Dėl tokių sprogimų susidaro visi sunkieji cheminiai elementai.

Todėl, jeigu Visatą laikysime izoliuota sistema, tai antrasis termodinamikos dėsnis joje paprastai tenkinamas ir praeityje, ir šiandien. Tai vienas iš Dievo nustatytų dėsnių, todėl Visatoje jis veikia taip pat, kaip ir kiti fiziniai dėsniai.

Nepaisant to, kas buvo pasakyta aukščiau, Visatoje yra daug nuostabių dalykų, susijusių su joje viešpataujančia tvarka, tačiau tai yra ne dėl antrojo termodinamikos dėsnio, o dėl kitų priežasčių.

Taigi žurnalas Newsweek (1998 m. lapkričio 9 d. leidimas) išnagrinėjo, prie kokių išvadų mus veda atradimai, susiję su Visatos sukūrimu. Jame teigiama, kad faktai „rodo energijos ir judėjimo kilmę ex nihilo, ty iš nieko, kolosaliu šviesos ir energijos sprogimu, o tai labiau atitinka [Biblijos knygos] Pradžios knygos aprašymą“. Atkreipkite dėmesį, kaip žurnalas Newsweek paaiškino Visatos gimimo panašumą su bibliniu šio įvykio aprašymu.

Šiame žurnale rašoma: „Išlaisvintos jėgos buvo ir tebėra stebėtinai (stebuklingai?) subalansuotos: jei Didysis sprogimas būtų buvęs šiek tiek mažesnis, Visatos plėtimasis būtų vykęs lėčiau ir netrukus (po kelių milijonų metų). arba per kelias minutes – bet kuriuo atveju greitai ) procesas pasisuks ir įvyktų kolapsas. Jei sprogimas būtų buvęs šiek tiek stipresnis, Visata būtų galėjusi pavirsti pernelyg retu „skystu sultiniu“, o žvaigždžių susidarymas būtų buvęs neįmanomas. Mūsų egzistavimo tikimybė buvo tiesiog astronomiškai maža. Medžiagos ir energijos santykis su erdvės tūriu Didžiojo sprogimo metu turėjo neviršyti vienos kvadrilijonosios vieno procento idealaus santykio.

Newsweek pasiūlė, kad Visatos kūrimą kontroliuoja kažkas, kuris žinojo: „Atimkite nors vieną laipsnį (kaip minėta aukščiau, paklaida buvo viena procento kvadrilijonoji dalis), ... ir rezultatas nebus tik disharmonija. , bet amžina entropija ir ledas“.

Astrofizikas Alanas Lightmanas pripažino: „Tai, kad Visata buvo sukurta taip gerai organizuota, yra paslaptis [mokslininkams]. Jis pridūrė, kad „bet kuri kosmologinė teorija, kuri siekia sėkmės, galiausiai turės paaiškinti šią entropijos paslaptį“: kodėl visata nepateko į chaosą. Akivaizdu, kad tokia maža teisingos įvykių raidos tikimybė negali būti atsitiktinumas. (Citata „Awake!“, 99-06-22, p. 7.)

Kaip minėta aukščiau, tarp kreacionistų populiarios teorijos, kad antrasis termodinamikos dėsnis įrodo savaiminio gyvybės atsiradimo iš negyvosios materijos neįmanomumą. Dar aštuntojo dešimtmečio pabaigoje – devintojo dešimtmečio pradžioje Kūrybos tyrimų institutas išleido knygą šia tema ir net bandė šiuo klausimu susirašinėti su SSRS mokslų akademija (susirašinėjimas buvo nesėkmingas).

Tačiau, kaip matėme aukščiau, antrasis termodinamikos dėsnis galioja tik izoliuotose sistemose. Tačiau Žemė nėra izoliuota sistema, nes ji nuolat gauna energiją iš Saulės ir, priešingai, išleidžia ją į kosmosą. Ir gyvas organizmas (kad ir, pavyzdžiui, gyva ląstelė), be to, keičiasi su aplinka ir medžiaga. Todėl antrasis termodinamikos dėsnis šiam klausimui pagal apibrėžimą netaikomas.

Taip pat aukščiau buvo minėta, kad materialiam pasauliui būdinga tam tikra bendra entropijos didėjimo tendencija, dėl kurios daiktai dažniau naikinami ir patenka į chaosą nei sukuriami. Tačiau, kaip pažymėjome, tai nėra įstatymas. Be to, jei atitrūksime nuo makropasaulio, prie kurio esame įpratę, ir pasinersime į mikropasaulį – atomų ir molekulių pasaulį (ir būtent nuo čia turėtų prasidėti gyvybė), pamatysime, kad daug lengviau apsisukti. entropijos didėjimo jame procesai. Kartais užtenka vieno aklo, nekontroliuojamo poveikio, kad sistemos entropija imtų mažėti. Mūsų planetoje tikrai gausu tokių įtakų pavyzdžių: saulės spinduliuotė atmosferoje, vulkaninė šiluma vandenyno dugne, vėjas žemės paviršiuje ir t.t. Ir dėl to daugelis procesų teka priešinga, jiems „nepalankia“ kryptimi arba jiems „palankiu“ tampa priešinga kryptis (pavyzdžius žr. aukščiau paantraštėje „Entropijos mažėjimo pavyzdžiai negyvojoje gamtoje“). Todėl net mūsų bendra tendencija didinti entropiją negali būti taikoma gyvybės atsiradimui kaip kažkokiai absoliučiai taisyklei: jai yra per daug išimčių.

Žinoma, tai nereiškia, kad kadangi antrasis termodinamikos dėsnis nedraudžia savaiminės gyvybės kartos, tai gyvybė gali atsirasti savaime. Yra daug kitų dalykų, dėl kurių toks procesas tampa neįmanomu arba itin mažai tikėtinas, tačiau jie jau nesusiję su termodinamika ir antruoju jos dėsniu.

Pavyzdžiui, mokslininkams dirbtinėmis sąlygomis pavyko gauti kelių tipų aminorūgščių, imituojančių tariamas pirminės Žemės atmosferos sąlygas. Aminorūgštys yra tam tikri gyvybės elementai: gyvuose organizmuose jos naudojamos baltymams (baltymams) gaminti. Tačiau gyvybei reikalingi baltymai susideda iš šimtų, o kartais ir tūkstančių amino rūgščių, sujungtų griežta seka ir ypatingu būdu išsidėsčiusių specialia forma (žr. paveikslą dešinėje). Jei aminorūgštis sujungsite atsitiktine tvarka, tikimybė sukurti tik vieną gana paprastą funkcinį baltymą bus nereikšminga – tokia maža, kad šis įvykis niekada neįvyks. Darant prielaidą, kad jų atsitiktinis atsiradimas yra maždaug toks pat, kaip kalnuose radus keletą akmenų, panašių į plytas, ir teigti, kad šalia stovintis mūrinis namas iš tų pačių akmenų susidarė atsitiktinai, veikiant gamtos procesams.

Kita vertus, gyvybės egzistavimui vien baltymų taip pat neužtenka: reikalingos ne mažiau sudėtingos DNR ir RNR molekulės, kurių atsitiktinis atsiradimas taip pat neįtikėtinas. DNR iš esmės yra milžiniškas struktūrizuotos informacijos, reikalingos baltymams gaminti, sandėlis. Jį aptarnauja visas baltymų ir RNR kompleksas, kuris kopijuoja ir taiso šią informaciją ir naudoja ją „gamybos tikslais“. Visa tai yra viena sistema, kurios komponentai atskirai neturi jokios prasmės ir nė vieno iš jos negalima pašalinti. Tereikia pradėti gilintis į šios sistemos struktūrą ir jos veikimo principus, kad suprastumėte, jog kuriant ją dirbo puikus dizaineris.

Ar antrasis termodinamikos dėsnis suderinamas su tikėjimu Kūrėju apskritai? Ne tik tuo, kad jis egzistuoja, bet ir tuo, kad jis sukūrė Visatą ir gyvybę Žemėje (Pradžios 1:1–27; Apreiškimo 4:11); kad jis pažadėjo, kad Žemė tęsis amžinai (Psalmė 103:5), o tai reiškia, kad ir Saulė, ir Visata vienokiu ar kitokiu pavidalu bus amžini; kad žmonės amžinai gyvens danguje žemėje ir niekada nemirs (Psalmė 36:29; Mato 25:46; Apreiškimo 21:3, 4)?

Galime drąsiai teigti, kad tikėjimas antruoju termodinamikos dėsniu visiškai suderinamas su tikėjimu Kūrėju ir jo pažadais. Ir to priežastis slypi pačioje šio dėsnio formuluotėje: „izoliuotoje sistemoje entropija negali mažėti“. Bet kuri izoliuota sistema lieka izoliuota tik tol, kol niekas nesikiša į jos darbą, įskaitant Kūrėją. Bet kai tik jis įsikiš ir nukreips į ją dalį savo neišsenkančios jėgos, sistema nustos būti izoliuota, o antrasis termodinamikos dėsnis joje nustos veikti. Tą patį galima pasakyti ir apie bendresnę entropijos didėjimo tendenciją, kurią aptarėme aukščiau. Taip, akivaizdu, kad beveik viskas, kas egzistuoja aplink mus – nuo ​​atomų iki Visatos – laikui bėgant turi tendenciją naikinti ir degraduoti. Tačiau Kūrėjas turi reikiamos jėgos ir išminties, kad sustabdytų bet kokius degradacijos procesus ir net pakeistų juos, kai mano, kad tai būtina.

Kokius procesus žmonės paprastai pateikia kaip amžinąjį gyvenimą padarančius neįmanomu?

· Po kelių milijardų metų Saulė užges. Taip būtų nutikę, jei Kūrėjas niekada nebūtų kišęsis į jo darbą. Tačiau jis yra Visatos Kūrėjas ir turi milžinišką energiją, kurios pakanka, kad Saulė degtų amžinai. Pavyzdžiui, eikvodama energiją jis gali pakeisti Saulėje vykstančias branduolines reakcijas, tarsi papildydamas ją dar keliems milijardams metų, taip pat papildyti medžiagos tūrį, kurį Saulė praranda saulės vėjo pavidalu.

· Anksčiau ar vėliau Žemė susidurs su asteroidu arba juodąja skyle. Kad ir kokia maža būtų to tikimybė, ji egzistuoja, o tai reiškia, kad per amžinybę tai tikrai taps realybe. Tačiau Dievas, naudodamasis savo galia, gali iš anksto apsaugoti Žemę nuo bet kokios žalos, tiesiog neleisdamas tokiems pavojingiems objektams priartėti prie mūsų planetos.

· Mėnulis nuskris nuo Žemės, o žemė taps negyvenama. Mėnulis stabilizuoja Žemės ašies posvyrį, todėl klimatas jame išlaikomas daugiau ar mažiau pastovus. Mėnulis pamažu tolsta nuo Žemės, dėl to ateityje gali pasikeisti jo ašies pasvirimas, o klimatas tapti nepakeliamas. Bet Dievas, žinoma, turi reikiamą galią užkirsti kelią tokiems pragaištingiems pokyčiams ir išlaikyti Mėnulį savo orbitoje ten, kur jam atrodo tinkama.

Neabejotina, kad daiktai materialiame pasaulyje turi tendenciją senti, degraduoti ir gesti. Tačiau turime prisiminti, kad pats Dievas tokį pasaulį sukūrė. Ir tai reiškia, kad tai buvo jo plano dalis. Pasaulis nebuvo skirtas amžinai egzistuoti atskirai nuo Dievo. Priešingai, jis buvo sukurtas taip, kad egzistuotų amžinai, valdomas Dievo. Ir kadangi Dievas turėjo ir išminties, ir galios sukurti pasaulį, neturime pagrindo abejoti, kad jis turi tokią pat galią ir išmintį amžinai rūpintis savo kūrinija, laikant viską, kas jame yra savo kontrolėje.

Šios Biblijos eilutės užtikrina, kad Saulė, Mėnulis, Žemė ir žmonės egzistuos amžinai:
· « Jie bijos jūsų tol, kol egzistuos saulė ir mėnulis – iš kartos į kartą» (Psalmė 73:5)
· « [Žemė] nesudrebės amžinai, amžinai» (Psalmė 103:5)
· « Teisieji paveldės žemę ir gyvens joje amžinai» (Psalmė 36:29)

Todėl niekas netrukdo mums vienu metu tikėti antruoju termodinamikos dėsniu ir laikyti jį teisingu moksliniu principu, o kartu būti giliai religingais žmonėmis ir laukti, kol išsipildys visi Biblijoje užrašyti Dievo pažadai.

Taigi, jei esate tikintysis, kuriai iš straipsnio pradžioje paminėtų religinių grupių pridėtumėte savo balsą? Aukščiau aprašytos krikščionių konservatorių demonstracijos dalyviams, reikalaujantiems panaikinti antrąjį termodinamikos dėsnį? Ar kreacionistams, kurie naudoja šį įstatymą kaip Dievo gyvybės sukūrimo įrodymą? Aš nesu niekam.

Dauguma tikinčiųjų yra linkę vienaip ar kitaip ginti savo tikėjimą, o kai kurie tam naudojasi mokslo duomenimis, kurie didžiąja dalimi patvirtina Kūrėjo egzistavimą. Tačiau mums svarbu atsiminti vieną rimtą biblinį principą: „mes... norime visame kame elgtis sąžiningai“ (Hebrajams 13:18). Todėl, žinoma, būtų neteisinga naudoti bet kokius neteisingus argumentus, įrodančius Dievo egzistavimą.

Kaip matėme iš šio straipsnio, antrasis termodinamikos dėsnis negali būti naudojamas kaip Dievo egzistavimo įrodymas, kaip ir Dievo egzistavimas ar nebuvimas neįrodo ir nepaneigia antrojo termodinamikos dėsnio. Antrasis principas tiesiog nėra tiesiogiai susijęs su Kūrėjo egzistavimo klausimu, kaip ir didžioji dauguma kitų fizinių dėsnių (pavyzdžiui, visuotinės gravitacijos dėsnis, impulso tvermės dėsnis, Archimedo dėsnis ar visi kiti termodinamikos principai).

Dievo kūriniai mums pateikia daugybę įtikinamų įrodymų, taip pat netiesioginių Kūrėjo egzistavimo įrodymų. Todėl, jei kuris nors iš teiginių, kuriuos anksčiau naudojome kaip įrodymą, pasirodė esąs neteisingas, neturėtumėte bijoti jo atsisakyti, kad apgintumėte savo tikėjimą tik sąžiningais argumentais.

Antrasis termodinamikos dėsnis

Istoriškai antrasis termodinamikos dėsnis atsirado analizuojant šilumos variklių veikimą (S. Carnot, 1824). Yra keletas lygiaverčių formulių. Pats pavadinimas „antrasis termodinamikos dėsnis“ ir istoriškai pirmoji jo formuluotė (1850 m.) priklauso R. Klausiui.

Pirmasis termodinamikos dėsnis, išreiškiantis energijos tvermės ir transformacijos dėsnį, neleidžia mums nustatyti termodinaminių procesų krypties. Be to, galima įsivaizduoti daugybę pirmajam principui neprieštaraujančių procesų, kuriuose tausojama energija, tačiau gamtoje jie nevyksta.

Patirtis rodo, kad skirtingos energijos rūšys yra nevienodos savo gebėjimu paversti kitomis energijos rūšimis. Mechaninė energija gali būti visiškai paversta bet kurio kūno vidine energija. Yra tam tikrų apribojimų atvirkštiniam vidinės energijos pavertimui kitomis rūšimis: vidinės energijos tiekimas jokiu būdu negali būti visiškai paverstas kitų rūšių energija. Pastebėti energijos virsmų ypatumai siejami su gamtoje vykstančių procesų kryptimi.

Antrasis termodinamikos dėsnis yra principas, nustatantis makroskopinių procesų, vykstančių ribotu greičiu, negrįžtamumą.

Skirtingai nuo grynai mechaninių (be trinties) arba elektrodinaminių (be Džaulio šilumos išsiskyrimo) grįžtamųjų procesų, procesai, susiję su šilumos mainais esant ribotam temperatūrų skirtumui (t. y. teka baigtiniu greičiu), su trintimi, dujų difuzija, dujų išsiplėtimu į tuštuma , Džaulio šilumos išsiskyrimas ir kt., yra negrįžtami, t.y., jie gali spontaniškai tekėti tik viena kryptimi.

Antrasis termodinamikos dėsnis atspindi natūralių procesų kryptį ir nustato apribojimus galimoms energijos virsmo kryptims makroskopinėse sistemose, nurodydamas, kurie procesai gamtoje galimi, o kurie ne.

Antrasis termodinamikos dėsnis yra postulatas, kurio negalima įrodyti termodinamikos rėmuose. Jis buvo sukurtas remiantis eksperimentinių faktų apibendrinimu ir gavo daugybę eksperimentinių patvirtinimų.

Antrojo termodinamikos dėsnio teiginiai

1). Carnot formulė: didžiausias šilumos variklio efektyvumas nepriklauso nuo darbinio skysčio tipo ir yra visiškai nulemtas ribinių temperatūrų, tarp kurių veikia mašina.

2). Clausius formuluotė: neįmanomas procesas, kurio vienintelis rezultatas yra energijos perdavimas šilumos pavidalu iš mažiau įkaitinto kūno, į šiltesnį kūną.

Antrasis termodinamikos dėsnis nedraudžia perduoti šilumą iš mažiau šildomo kūno į labiau įkaitintą. Toks perėjimas vyksta šaldymo mašinoje, tačiau tuo pačiu metu išorinės jėgos atlieka darbus sistemoje, t.y. šis perėjimas nėra vienintelis proceso rezultatas.

3). Kelvino formulė: žiedinis procesas neįmanomas, kurio vienintelis rezultatas yra šilumos konversija, gautas iš šildytuvo, į lygiavertį darbą.

Iš pirmo žvilgsnio gali atrodyti, kad ši formuluotė prieštarauja idealių dujų izoterminiam plėtimuisi. Iš tiesų visa šiluma, kurią idealios dujos gauna iš kurio nors kūno, visiškai paverčiama darbu. Tačiau šilumos gavimas ir pavertimas darbu nėra vienintelis galutinis proceso rezultatas; Be to, dėl proceso pasikeičia dujų tūris.

P.S.: reikia atkreipti dėmesį į žodžius „vienintelis rezultatas“; antrojo principo draudimai panaikinami, jei nagrinėjami procesai nėra vieninteliai.

4). Ostvaldo formuluotė: antrojo tipo amžinojo varymo mašinos įgyvendinimas neįmanomas.

Antrosios rūšies amžinasis variklis yra periodiškai veikiantis įrenginys, kuris veikia vėsindamas vieną šilumos šaltinį.

Tokio variklio pavyzdys būtų laivo variklis, kuris ima šilumą iš jūros ir panaudoja ją laivui varyti. Toks variklis būtų praktiškai amžinas, nes... Energijos tiekimas aplinkoje yra praktiškai neribotas.

Statistinės fizikos požiūriu antrasis termodinamikos dėsnis yra statistinio pobūdžio: jis galioja labiausiai tikėtinui sistemos elgesiui. Svyravimai neleidžia tiksliai jį įgyvendinti, tačiau bet kokio reikšmingo pažeidimo tikimybė yra labai maža.

Entropija

Sąvoką „entropija“ į mokslą įvedė R. Klausius 1862 m. ir ji suformuota iš dviejų žodžių: „ lt"- energija", tropas- Suku.

Pagal nulinį termodinamikos dėsnį izoliuota termodinaminė sistema laikui bėgant spontaniškai patenka į termodinaminės pusiausvyros būseną ir išlieka joje neribotą laiką, jei išorinės sąlygos nesikeičia.

Pusiausvyros būsenoje visų rūšių energija sistemoje paverčiama šilumine energija dėl chaotiško atomų ir molekulių, sudarančių sistemą, judėjimo. Tokioje sistemoje jokie makroskopiniai procesai neįmanomi.

Entropija yra kiekybinis izoliuotos sistemos perėjimo į pusiausvyros būseną matas. Sistemai pereinant į pusiausvyros būseną, jos entropija didėja ir pasiekia maksimumą, kai pasiekiama pusiausvyros būsena.

Entropija yra termodinaminės sistemos būsenos funkcija, žymima: .

Teorinis pagrindas: sumažinta šiluma,entropija

Iš Carnot ciklo efektyvumo išraiškos: iš to seka, kad arba , kur yra šilumos kiekis, kurį darbinis skystis atiduoda į šaldytuvą, priimame: .

Tada paskutinį ryšį galima parašyti taip:

Izoterminio proceso metu kūno gaunamos šilumos ir šilumą išskiriančio kūno temperatūros santykis vadinamas sumažintas šilumos kiekis:

Atsižvelgiant į (2) formulę, (1) formulė gali būti pavaizduota taip:

tie. Carnot ciklo sumažintų šilumos kiekių algebrinė suma lygi nuliui.

Sumažėjęs šilumos kiekis, perduodamas kūnui per be galo mažą proceso dalį: .

Nurodytas šilumos kiekis savavališkam plotui:

Griežta teorinė analizė rodo, kad bet kurio grįžtamojo žiedinio proceso atveju sumažintų šilumos kiekių suma yra lygi nuliui:

Iš to, kad integralas (4) yra lygus nuliui, išplaukia, kad integralas yra visiškas kokios nors funkcijos diferencialas, kurį lemia tik sistemos būsena ir nepriklauso nuo kelio, kuriuo sistema atėjo iki šios funkcijos. būsena:

Vienareikšmė būsenos funkcija, kurių bendras skirtumas yra ,vadinama entropija .

Formulė (5) galioja tik grįžtamiems procesams esant nebalansiniams negrįžtamiems procesams, toks vaizdavimas yra neteisingas.

Entropijos savybės

1). Entropija nustatoma iki savavališkos konstantos. Fizinė reikšmė yra ne pati entropija, o skirtumas tarp dviejų būsenų entropijų:

. (6)

Pavyzdys: jei sistema (idealios dujos) atlieka pusiausvyros perėjimą iš 1 būsenos į būseną 2, tada entropijos pokytis yra lygus:

,

Kur; .

tie. idealių dujų entropijos pokytis joms pereinant iš 1 būsenos į 2 būseną nepriklauso nuo pereinamojo proceso tipo.

Apskritai (6) formulėje entropijos prieaugis nepriklauso nuo integravimo kelio.

2) Absoliučią entropijos vertę galima nustatyti naudojant trečiąjį termodinamikos dėsnį (Nernsto teorema):

Bet kurio kūno entropija linkusi į nulį, nes jo temperatūra linkusi į absoliutų nulį: .

Taigi pradinis entropijos atskaitos taškas imamas ties .

3). Entropija yra adityvus dydis, t.y. Kelių kūnų sistemos entropija yra kiekvieno kūno entropijų suma: .

4). Kaip ir vidinė energija, entropija yra termodinaminės sistemos parametrų funkcija .

5), Procesas, vykstantis esant pastoviai entropijai, vadinamas izentropinis.

Pusiausvyros procesuose be šilumos perdavimo entropija nekinta.

Visų pirma, grįžtamasis adiabatinis procesas yra izentropinis: jam ; , t.y. .

6). Esant pastoviam tūriui, entropija yra monotoniškai didėjanti kūno vidinės energijos funkcija.

Iš tiesų, iš pirmojo termodinamikos dėsnio išplaukia, kad kai turime: , Tada . Bet temperatūra visada yra. Todėl prieaugiai turi tą patį ženklą, kurį reikia įrodyti.

Entropijos pokyčių įvairiuose procesuose pavyzdžiai

1). Idealiųjų dujų izobarinio plėtimosi metu

2). Izochorinės idealių dujų plėtimosi metu

3). Idealiųjų dujų izoterminio plėtimosi metu

.

4). Fazių perėjimų metu

Pavyzdys: raskite entropijos pokytį, kai ledo masė esant temperatūrai virsta garais.

Sprendimas

Pirmasis termodinamikos dėsnis: .

Iš Mendelejevo – Klepeirono lygties seka: .

Tada pirmojo termodinamikos dėsnio išraiškos bus tokios formos:

.

Pereinant iš vienos agregacijos būsenos į kitą, bendras entropijos pokytis susideda iš atskirų procesų pokyčių:

A). Ledo kaitinimas nuo temperatūros iki lydymosi temperatūros:

, kur yra ledo savitoji šiluminė talpa.

B). Tirpstantis ledas: , kur yra specifinė ledo tirpimo šiluma.

IN). Vandens šildymas nuo temperatūros iki virimo taško:

, kur yra vandens savitoji šiluminė talpa.

G). Vandens išgarinimas: , kur yra savitoji vandens garavimo šiluma.

Tada bendras entropijos pokytis yra:

Entropijos didinimo principas

Uždarosios sistemos entropija bet kuriai joje vykstantys procesai nesumažėja:

arba galutiniam procesui: , todėl: .

Lygybės ženklas reiškia grįžtamąjį procesą, nelygybės ženklas – negrįžtamą procesą. Paskutinės dvi formulės yra antrojo termodinamikos dėsnio matematinė išraiška. Taigi „entropijos“ sąvokos įvedimas leido griežtai matematiškai suformuluoti antrąjį termodinamikos dėsnį.

Negrįžtami procesai lemia pusiausvyros būseną. Šioje būsenoje izoliuotos sistemos entropija pasiekia maksimumą. Tokioje sistemoje jokie makroskopiniai procesai neįmanomi.

Entropijos pokyčio dydis yra kokybinė proceso negrįžtamumo laipsnio charakteristika.

Izoliuotoms sistemoms taikomas entropijos didinimo principas. Jei sistema nėra izoliuota, jos entropija gali sumažėti.

Išvada: nes Kadangi visi realūs procesai yra negrįžtami, tai visi procesai uždaroje sistemoje padidina jos entropiją.

Teorinis principo pagrindimas

Panagrinėkime uždarą sistemą, susidedančią iš šildytuvo, šaldytuvo, darbinio skysčio ir atliekamo darbo „vartotojo“ (kūno, kuris keičia energiją su darbiniu skysčiu tik darbo pavidalu), atliekančią Karno ciklą. Tai yra grįžtamasis procesas, kurio entropijos pokytis yra lygus:

,

kur yra darbinio skysčio entropijos pokytis; – šildytuvo entropijos pokytis; – šaldytuvo entropijos pasikeitimas; – kūrinio „vartotojo“ entropijos pokytis.

Antrasis termodinamikos dėsnis– šiluma negali savaime pereiti iš mažiau įkaitinto kūno į labiau įkaitusį. Šiluma reiškia vidinę kūno energiją.

Apsvarstykite sistemą, galinčią susisiekti su dviem šiluminiais rezervuarais. Bako temperatūros (šildytuvas) Ir (šaldytuvas).. Pradinėje būsenoje (1 punktas) sistemos temperatūra yra . Sukelkime jį į šiluminį kontaktą su šildytuvu ir, kvazistatiškai sumažindami slėgį, padidinkime garsumą.

Sistema persijungė į būseną su ta pačia temperatūra, bet didesniu tūriu ir mažesniu slėgiu (2 padėtis). Tuo pačiu metu sistema atliko darbą, o šildytuvas perdavė jai tam tikrą šilumos kiekį. Tada pašaliname šildytuvą ir kvazistatiškai adiabatiškai perkeliame sistemą į būseną su temperatūra (3 punktas). Tokiu atveju sistema atliks darbą. Tada sujungiame sistemą su šaldytuvu ir statiškai sumažiname sistemos tūrį. Šilumos kiekį, kurį sistema išskirs, sugers šaldytuvas – jo temperatūra išliks tokia pati, su sistema atliktas darbas (arba sistema atliko neigiamą darbą – ). Sistemos būsena (4 punktas) parenkama tokia, kad būtų galima adiabatiškai grąžinti sistemą į pradinę būseną (1 punktas). Tokiu atveju sistema atliks neigiamą darbą. sistema grįžo į pradinę būseną, tada vidinė energija po ciklo liko ta pati, bet darbą atliko sistema. Iš to seka, kad energijos pokyčius darbo metu kompensavo šildytuvas ir šaldytuvas. Reiškia , yra šilumos kiekis, sunaudotas atliekant darbą. Efektyvumas (efektyvumas) nustatomas pagal formulę:

.

Iš to išplaukia, kad.

Carnot teorema teigia, kad Šilumos variklio, veikiančio pagal Carnot ciklą, naudingumo koeficientas priklauso tik nuo šildytuvo ir šaldytuvo temperatūrų, bet nepriklauso nuo mašinos konstrukcijos, taip pat nuo darbinės medžiagos tipo.

Antroji Carnot teorema skaito: bet kokio šiluminio variklio efektyvumas negali viršyti idealios mašinos, veikiančios pagal Carnot ciklą, kai šildytuvo ir šaldytuvo temperatūra yra tokia pati, efektyvumo.

Klausijaus nelygybė:

Tai rodo, kad šilumos kiekis, kurį sistema gavo žiedinio proceso metu, susietas su absoliučia temperatūra, kurioje vyko procesas, yra neteigiamas dydis. Jei procesas yra kvazistatinis, tada nelygybė virsta lygybe:

Tai reiškia, kad sumažintas šilumos kiekis, kurį sistema gauna bet kurio kvazistatinio žiedinio proceso metu, yra lygus nuliui .

– elementariai sumažintas šilumos kiekis, gaunamas be galo

mažas procesas.

– elementariai sumažintas finale gautas šilumos kiekis

procesas.

Sistemos entropija Yra jos būsenos funkcija, apibrėžta iki savavališkos konstantos.

Entropijos skirtumas dviejose pusiausvyros būsenose ir pagal apibrėžimą yra lygus sumažintam šilumos kiekiui, kuris turi būti perduotas sistemai, kad ji būtų perduota iš būsenos į būseną bet kuriuo kvazistatiniu keliu.

Entropija išreiškiama funkcija:

.

Tarkime, kad sistema pereina iš pusiausvyros būsenos į pusiausvyros būseną kelyje , o perėjimas yra negrįžtamas (tamsuota linija). Kvazistatinė sistema gali būti grąžinta į pradinę būseną kitu keliu. Remdamiesi Clausiaus nelygybe, galime rašyti:

§ 10.2. Antrasis termodinamikos dėsnis. Entropija

Pirmasis termodinamikos dėsnis, kuris iš esmės yra energijos tvermės dėsnio išraiška, nenurodo galimo procesų atsiradimo krypties. Taigi, pavyzdžiui, pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį, šilumos mainų metu būtų vienodai įmanomas spontaniškas šilumos perdavimas iš labiau šildomo kūno į mažiau šildomą kūną ir, atvirkščiai, iš mažiau šildomo kūno į labiau šildomą. kūno. Tačiau iš kasdienės patirties gerai žinoma, kad antrasis procesas yra nerealaus pobūdžio; pavyzdžiui, vanduo virdulyje negali savaime įkaisti dėl oro aušinimo patalpoje. Kitas pavyzdys: kai akmuo nukrenta ant žemės, jis įkaista, tolygu potencialios energijos pokyčiui, atvirkštinis procesas – spontaniškas akmens pakėlimas tik dėl jo atšalimo – neįmanomas.

Antrasis termodinamikos dėsnis, kaip ir pirmasis, yra eksperimentinių duomenų apibendrinimas.

Yra kelios antrojo termodinamikos dėsnio formuluotės: šiluma negali spontaniškai pereiti iš žemesnės temperatūros kūno į aukštesnės temperatūros kūną (Klausiaus formuluotė), arba neįmanomas antrojo tipo amžinasis variklis (Thomsono formuluotė). y., neįmanomas toks periodiškas procesas, kurio vienintelis rezultatas yra šilumos pavertimas darbu dėl kūno aušinimo.

Šilumos variklyje darbas atliekamas dėl perduodamos šilumos, tačiau dalis šilumos būtinai perduodama į šaldytuvą. Fig. 10.4 schematiškai pavaizduoti atitinkamai neįmanomi (a) ir galimi (b), pagal antrąjį dėsnį, periodiniai procesai.

Panagrinėkime kai kurias termodinamines sąvokas, kurios leidžia kiekybiškai išreikšti antrąjį termodinamikos dėsnį.

1-2 procesas vadinamas grįžtamuoju, jei įmanoma atlikti atvirkštinį 2-1 procesą per visas tarpines būsenas taip, kad sistemai grįžus į pradinę būseną aplinkiniuose kūnuose neįvyktų pakitimų.

Grįžtamasis procesas yra fizinė abstrakcija. Visi realūs procesai yra negrįžtami, jei tik dėl trinties jėgos, kuri sukelia aplinkinių kūnų kaitinimą. Kai kurie tipiški negrįžtamų procesų pavyzdžiai: dujų išsiplėtimas į erdvę, difuzija, šilumos mainai ir kt. Norint grąžinti sistemą į pradinę būseną, visais šiais atvejais būtina atlikti išorinių kūnų darbus.

Ciklas arba žiedinis procesas yra procesas, kurio metu sistema grįžta į pradinę būseną.

G Ciklo grafikas yra uždara linija. Ciklas parodytas fig. 10,5, - tiesioginis, jis atitinka šilumos variklį, t.y įrenginį, kuris gauna tam tikrą šilumos kiekį iš tam tikro kūno - šilumos siųstuvas (šildytuvas), veikia ir

dalį šios šilumos perduoda kitam kūnui – šilumos imtuvui (šaldytuvui) (10.4 pav., b).

Šiame cikle darbinė medžiaga (dujos) paprastai atlieka teigiamą darbą (10.5 pav.): 1-a-2 procese dujos plečiasi, darbas teigiamas ir skaitine prasme lygus plotui po kreive 1-a- 2; 2-b-1 procese darbas yra neigiamas (dujų suspaudimas) ir yra skaitiniu požiūriu lygus plotui po atitinkama kreive. Algebrinė suma suteikia bendrą teigiamą dujų atliktą darbą per ciklą. Jis skaitine prasme lygus plotui, kurį riboja uždara kreivė 1-a-2-b-1.

Šilumos variklio arba tiesioginio ciklo efektyvumas – tai atlikto darbo ir darbinės medžiagos gaunamos šilumos kiekio santykis

nuo šildytuvo:

Kadangi šilumos variklio darbas atliekamas dėl šilumos kiekio, o darbinės medžiagos vidinė energija ciklo metu nekinta (AU = 0), tai iš pirmojo termodinamikos dėsnio išplaukia, kad darbas žiediniuose procesuose lygi šilumos kiekių algebrinei sumai: A = Q X + Q 2 .

Vadinasi,

Šilumos kiekis Q v, kurį gauna darbinė medžiaga, yra teigiamas, šilumos kiekis Q 2, kurį darbinė medžiaga suteikia šaldytuvui, yra neigiamas.

APIE broliškas ciklas 2 atitinka šaldymo mašinos veikimą, t.y. sistemą, kuri paima šilumą iš šaldytuvo ir daugiau šilumos perduoda šildytuvui. Kaip matyti iš antrojo termodinamikos dėsnio, šis procesas (10.6 pav.) negali vykti savaime, jis vyksta dėl išorinių kūnų darbo. Šiuo atveju dujos atlieka neigiamą darbą: suspaudimo darbas 2-a-1 procese yra neigiamas, darbas. Dėl algebrinės plėtimosi procese 1-6-2 yra teigiamas. Sumavimo rezultate gauname neigiamą dujų darbą, skaitinį lygų plotui, kurį riboja kreivė 2-a-1-b-2.

Apsvarstykite Carnot ciklą (10.7 pav.), ty žiedinį procesą, susidedantį iš dviejų izotermų 1-2, 3-4, atitinkančių temperatūras T 1 ir T 2 (T 1 > T 2), ir dviejų adiabatų 2-3, 4-1. Šiame cikle darbinė medžiaga yra idealios dujos. Šilumos perdavimas iš šildytuvo į darbinę medžiagą vyksta esant T 1 temperatūrai, o iš darbinės medžiagos į šaldytuvą - esant T 2 temperatūrai. Be įrodymų, atkreipiame dėmesį, kad grįžtamojo Carnot ciklo efektyvumas priklauso tik nuo šildytuvo ir šaldytuvo temperatūrų T 1 ir T 2:

Carnot, remdamasis antruoju termodinamikos dėsniu, įrodė tokius teiginius: visų grįžtamųjų mašinų, veikiančių cikle, susidedančiame iš dviejų izotermų ir dviejų adiabatų, kurių šildytuvas yra Tg temperatūra ir šaldytuvas T2 temperatūroje, efektyvumas yra lygus kiekvienam. kiti ir nepriklauso nuo darbuotojo medžiagų ir ciklą atliekančios mašinos konstrukcijų; Negrįžtamos mašinos efektyvumas yra mažesnis nei reversinės mašinos efektyvumas.

Šios nuostatos, pagrįstos (10.9) ir (10.10), gali būti parašytos formoje

kur ženklas "=" reiškia grįžtamąją kilpą, o "<» - к необ­ратимому.

Ši išraiška yra kiekybinė antrojo principo formuluotė. Parodykime, kad jos pasekmė yra abi kokybinės formuluotės, pateiktos skyriaus pradžioje.

Tarkime, kad šilumos mainai tarp dviejų kūnų vyksta neatliekant darbo, t.y. Q l + Q 2 = 0. Tada [žr. (10.11)] T 1 - T 2 > 0 ir T 1 > T 2, kas atitinka Klausijaus formuluotę: savaiminio proceso metu iš aukštesnės temperatūros kūnų šiluma perduodama žemesnės temperatūros kūnams.

Tuo atveju, kai šilumos variklis visiškai išeikvoja visą šilumos mainų metu gautą energiją darbui atlikti ir neduoda energijos šaldytuvui, Q 2 = 0 ir nuo (10.11) turime

o tai neįmanoma, nes T 1 ir T 2 yra teigiami. Tai atitinka Thomsono formuluotę apie antrojo tipo amžinojo varymo mašinos neįmanomumą. Transformuokime išraišką (10.11):

Darbinės medžiagos gaunamos arba išskiriamos šilumos kiekio santykis su temperatūra, kurioje vyksta šilumos mainai, vadinamas sumažintu šilumos kiekiu.

Todėl (10.12) galima suformuluoti taip: per ciklą sumažintų šilumos kiekių algebrinė suma yra ne didesnė kaip nulis (grįžtamuosiuose cikluose lygi nuliui, negrįžtamuose – mažesnė už nulį).

Jeigu sistemos būsena kinta ne pagal Carnot ciklą, o pagal kokį nors savavališką ciklą, tai ją galima pavaizduoti kaip pakankamai mažų Karno ciklų aibę (10.8 pav.). Tada išraiška (10.12) paverčiama pakankamai mažų sumažintų šilumos kiekių suma, kuri riboje bus išreikšta integralu

Išraiška (10.13) galioja bet kokiam negrįžtamajam (ženklas “<») или обратимого (знак «=») цикла; dQ/T - элементарная при­веденная теплота. Кружок на знаке интеграла означает, что интег­рирование проводится по замкнутому контуру, т. е. по циклу. 1 Рассмотрим обратимый цикл (см. рис. 10.5), состоящий из двух процессов аи б. Для него справедливо равенство:

Remiantis (10.13) grįžtamiesiems ciklams, kuriuos turime

IR
keičiant integravimo ribas kelyje b, gauname

Pastarasis reiškia, kad sumažėjusių šilumos kiekių suma grįžtamajam sistemos perėjimui iš vienos būsenos į kitą nepriklauso nuo proceso, o tam tikrai dujų masei lemia tik pradinė ir galutinė sistemos būsenos. . Fig. 10.9 pateikiami įvairių grįžtamųjų procesų (a, b, c) grafikai, kurių pradinė 1 ir galutinė 2 būsenos yra bendros. Šilumos kiekis ir darbas šiuose procesuose yra skirtingi, tačiau duotų šilumos kiekių suma yra vienoda.

Fizinė charakteristika, nepriklausanti nuo proceso ar judėjimo, paprastai išreiškiama kaip skirtumas tarp dviejų tam tikros funkcijos reikšmių, atitinkančių galutinę ir pradinę proceso būsenas arba sistemos padėtis. Pavyzdžiui, gravitacijos darbo nepriklausomumas nuo trajektorijos leidžia išreikšti šį darbą per potencialių energijų skirtumą galiniuose trajektorijos taškuose; elektrostatinio lauko jėgų darbo nepriklausomumas nuo krūvio trajektorijų leidžia susieti šį darbą su potencialų skirtumu tarp lauko taškų, kurie jam judant yra ribiniai.

Panašiai grįžtamojo proceso sumažintų šilumos kiekių suma gali būti pavaizduota kaip skirtumas tarp dviejų tam tikros sistemos būsenos funkcijos, vadinamos entropija, verčių:

kur S 2 ir S 1 yra atitinkamai entropija galutinėse 2 ir pradinėse 1 būsenose. Taigi, entropija yra sistemos būsenos funkcija, dviejų būsenų reikšmių skirtumas yra lygus sumažintų šilumos kiekių sumai, kai sistema grįžtama iš vienos būsenos į kitą.

Jei procesas negrįžtamas, tai lygybė (10.15) negalioja. Tegu pateikiamas ciklas (10.10 pav.), susidedantis iš grįžtamojo 2-b-1 ir negrįžtamojo 1-a-2 procesų. Kadangi dalis ciklo yra negrįžtama, tai visas ciklas yra negrįžtamas, todėl, remiantis (10.13), rašome

Pagal (10.15), tada vietoj (10.16) gauname, arba

Taigi negrįžtamame procese sumažintų šilumos kiekių suma yra mažesnė nei entropijos pokytis. Sujungę dešiniąsias (10.15) ir (10.17) puses, gauname

kur „=“ ženklas reiškia grįžtamuosius procesus, o „>“ – negrįžtamus procesus.

Ryšys (10.18) gautas remiantis (10.11) ir todėl išreiškia ir antrąjį termodinamikos dėsnį.

Nustatykime fizinę entropijos reikšmę.

Formulė (10.15) pateikia tik entropijos skirtumą, o pati entropija nustatoma iki savavališkos konstantos:

Jei sistema perėjo iš vienos būsenos į kitą, tai nepriklausomai nuo proceso pobūdžio – ar jis grįžtamas, ar negrįžtamas – entropijos pokytis apskaičiuojamas pagal formulę (10.15) bet kuriam grįžtamam procesui, vykstančiam tarp šių būsenų. Taip yra dėl to, kad entropija yra sistemos būklės funkcija.

Dviejų būsenų entropijos skirtumas lengvai apskaičiuojamas grįžtamuoju izoterminiu procesu:

čia Q yra bendras šilumos kiekis, kurį sistema gauna pereinant iš būsenos 1 į būseną 2 esant pastoviai temperatūrai T. Paskutinė formulė naudojama apskaičiuojant entropijos pokytį tokiuose procesuose kaip lydymasis, garinimas ir kt. atvejais Q yra fazinės šilumos transformacijos. Jei procesas vyksta izoliuotoje sistemoje (dQ = 0), tai [žr (10.18)] grįžtamame procese entropija nekinta: S 2 - S 1 = 0, S = const, o negrįžtamame procese ji didėja. Tai galima iliustruoti šilumos mainų tarp dviejų kūnų, sudarančių izoliuotą sistemą, kurių temperatūra yra atitinkamai T 1 ir T 2 (T 1 > T 2), pavyzdžiu. Jei nedidelis šilumos kiekis dQ pereina iš pirmojo kūno į antrąjį, tai pirmojo kūno entropija sumažėja dS 1 = dQ/T 1, o antrojo kūno entropija padidėja dS 2 = dQ/T 2. Kadangi šilumos kiekis nedidelis, galime manyti, kad pirmojo ir antrojo kūnų temperatūra šilumos mainų procese nekinta. Bendras sistemos entropijos pokytis yra teigiamas:

todėl izoliuotos sistemos entropija didėja. Jei šioje sistemoje įvyktų savaiminis šilumos perdavimas iš žemesnės temperatūros kūno į aukštesnės temperatūros kūną, tada sistemos entropija sumažėtų:

ir tai prieštarauja (10.18). Taigi procesai, lemiantys sistemos entropijos mažėjimą, negali vykti izoliuotoje sistemoje (kita antrojo termodinamikos dėsnio formuluotė).

Entropijos padidėjimas izoliuotoje sistemoje neįvyks neribotą laiką. Aukščiau nagrinėjamame pavyzdyje kūnų temperatūros laikui bėgant išsilygins, šilumos perdavimas tarp jų nutrūks ir atsiras pusiausvyros būsena (žr. § 10.1). Šioje būsenoje sistemos parametrai išliks nepakitę, o entropija pasieks maksimumą.

Pagal molekulinės kinetikos teoriją entropija gali būti sėkmingiausiai apibūdinama kaip dalelių išsidėstymo sistemoje netvarkingumo matas. Taigi, pavyzdžiui, mažėjant dujų tūriui, jų molekulės yra priverstos užimti vis specifiškesnes pozicijas viena kitos atžvilgiu, o tai atitinka didesnę tvarką sistemoje, o entropija mažėja. Kai dujos kondensuojasi arba skystis kristalizuojasi esant pastoviai temperatūrai, išsiskiria šiluma ir sumažėja entropija. Ir šiuo atveju padidėja dalelių išdėstymo tvarka.

Sistemos būsenos sutrikimas kiekybiškai apibūdinamas termodinamine tikimybe W t ep . Norėdami išsiaiškinti jo reikšmę, panagrinėkime sistemą, susidedančią iš keturių dujų dalelių: a, b, c, d (10.11 pav.). Šios dalelės yra tūryje, psichiškai padalintame į dvi lygias ląsteles ir gali laisvai jame judėti.

Sistemos būsena, nustatoma pagal dalelių skaičių pirmoje ir antroje ląstelėse, bus vadinama makrobūkle; sistemos būsena, nustatoma pagal tai, kokios konkrečios dalelės yra kiekvienoje iš ląstelių, yra mikrobūsena. Tada (10.11 pav., a) makrostatas - viena dalelė pirmoje ląstelėje ir trys dalelės antroje - atlieka keturios mikrobūsenos. Makrobūseną, atitinkančią keturių dalelių išsidėstymą tolygiai, po dvi kiekvienoje ląstelėje, realizuoja šešios mikrobūsenos (10.11.6 pav.).

Termodinaminė tikimybė yra dalelių išdėstymo būdų skaičius arba mikrobūsenų, kurios realizuoja tam tikrą makrobūseną, skaičius.

Nagrinėjamuose pavyzdžiuose pirmuoju atveju W t ep = 4, o antruoju atveju W t ep = 6. Akivaizdu, kad vienodas dalelių pasiskirstymas ląstelėse (po dvi) atitinka didelę termodinaminę tikimybę. Kita vertus, tolygus dalelių pasiskirstymas atitinka pusiausvyros būseną su didžiausia entropija. Iš tikimybių teorijos aišku, kad sistema, palikta sau, linkusi pasiekti makrobūseną, kuri realizuojama daugiausiai būdų, daugiausiai mikrobūsenų, t.y. į būseną su didžiausia termodinamine tikimybe.

Atkreipkite dėmesį, kad jei dujoms bus suteikta galimybė plėstis, jų molekulės bus linkusios tolygiai užimti visą galimą tūrį, todėl entropija didėja. Atvirkštinis procesas – molekulių tendencija užimti tik dalį tūrio, pavyzdžiui, pusę kambario – nepastebima, tai atitiktų būseną su žymiai mažesne termodinamine tikimybe ir mažesne entropija.

Iš to galime daryti išvadą, kad entropija yra susijusi su termodinamine tikimybe. Boltzmannas nustatė, kad entropija yra tiesiškai susijusi su termodinaminės tikimybės logaritmu:

kur k yra Boltzmanno konstanta.

Antrasis termodinamikos dėsnis yra statistinis dėsnis, priešingai, pavyzdžiui, pirmajam termodinamikos dėsniui arba antrajam Niutono dėsniui.

Antrojo principo teiginys apie tam tikrų procesų neįmanomumą iš esmės yra teiginys apie jų itin mažą tikimybę, praktiškai – netikimybę, t.y.neįmanomumą.

Kosminiu mastu pastebimi reikšmingi nukrypimai nuo antrojo termodinamikos dėsnio, tačiau jis netaikomas visai Visatai, taip pat sistemoms, susidedančioms iš nedidelio skaičiaus molekulių.

Apibendrinant dar kartą pažymime, kad jei pirmasis termodinamikos dėsnis apima proceso energijos balansą, tai antrasis dėsnis parodo galimą jo kryptį. Kaip antrasis termodinamikos dėsnis reikšmingai papildo pirmąjį dėsnį, taip entropija papildo energijos sampratą.

Išreikšdamas energijos tvermės ir transformacijos dėsnį, jis neleidžia nustatyti termodinaminių procesų krypties. Be to, galima įsivaizduoti daugybę pirmajam principui neprieštaraujančių procesų, kuriuose tausojama energija, tačiau gamtoje jie nevyksta. Antrojo termodinamikos dėsnio atsiradimas – poreikis atsakyti į klausimą, kurie procesai gamtoje galimi, o kurie ne – nulemia procesų vystymosi kryptį.

Naudojant entropijos ir Clausijaus nelygybės sąvoką, antrasis termodinamikos dėsnis gali būti suformuluotas kaip uždaros sistemos entropijos didėjimo negrįžtamų procesų metu dėsnis: bet koks negrįžtamas procesas uždaroje sistemoje vyksta taip, kad sistemos entropija didėja.

Galime pateikti glaustesnę antrojo termodinamikos dėsnio formuluotę:

Procesuose, vykstančiuose uždaroje sistemoje, entropija nemažėja.Čia svarbu, kad kalbame apie uždaras sistemas, nes atvirose sistemose entropija gali elgtis bet kaip (mažėti, didėti, išlikti pastovi). Be to, dar kartą pažymime, kad entropija išlieka pastovi uždaroje sistemoje tik grįžtamųjų procesų metu. Vykstant negrįžtamiems procesams uždaroje sistemoje entropija visada didėja.

Boltzmanno formulė leidžia paaiškinti antrojo termodinamikos dėsnio postuluotą entropijos padidėjimą uždaroje sistemoje negrįžtamų procesų metu: entropijos padidėjimas reiškia sistemos perėjimą nuo mažiau tikėtino iki labiau tikėtino sąlyga. Taigi Boltzmanno formulė leidžia pateikti statistinį antrojo termodinamikos dėsnio aiškinimą. Tai, kaip statistinis dėsnis, apibūdina daugelio dalelių, sudarančių uždarą sistemą, chaotiško judėjimo modelius.

Nurodykime dar dvi antrojo termodinamikos dėsnio formules:

1) pagal Kelviną: neįmanomas žiedinis procesas, kurio vienintelis rezultatas yra iš šildytuvo gaunamos šilumos pavertimas jam lygiaverčiu darbu;

2) pagal Clausius : Neįmanomas žiedinis procesas, kurio vienintelis rezultatas yra šilumos perdavimas iš mažiau šildomo kūno į labiau įkaitintą.

Galima gana paprastai įrodyti (paliekame tai skaitytojui) Kelvino ir Clausius formuluočių lygiavertiškumą. Be to, parodoma, kad jei įsivaizduojamas procesas vykdomas uždaroje sistemoje, prieštaraujančiam antrajam termodinamikos dėsniui Clausius formuluotėje, tada jį lydi entropijos sumažėjimas. Tai taip pat įrodo Clausius formuluotės (taigi ir Kelvino) ir statistinės formuluotės, pagal kurią uždaros sistemos entropija negali mažėti, lygiavertiškumą.

viduryje, XIX a. iškilo vadinamosios Visatos šiluminės mirties problema . Laikydamas Visatą uždara sistema ir taikydamas jai antrąjį termodinamikos dėsnį, Clausius sumažino jos turinį iki teiginio, kad Visatos entropija turi pasiekti maksimumą. Tai reiškia, kad laikui bėgant visos judėjimo formos turi virsti šiluminiu judėjimu.

Šilumos perėjimas iš karštų kūnų į šaltus lems tai, kad visų Visatoje esančių kūnų temperatūra bus vienoda, t.y. įvyks visiška šiluminė pusiausvyra ir visi procesai Visatoje nutrūks – įvyks Visatos terminė mirtis. Išvados apie karščio mirtį klaidingumas slypi tame, kad nėra prasmės taikyti antrąjį termodinamikos dėsnį atviroms sistemoms, pavyzdžiui, tokiai beribei ir be galo besivystančiai sistemai kaip Visata. Išvados apie karščio mirtį nenuoseklumą atkreipė dėmesį ir F. Engelsas savo veikale „Gamtos dialektika“.

Pirmieji du termodinamikos dėsniai nepateikia pakankamai informacijos apie termodinaminių sistemų elgseną esant nuliui Kelvino. Jie papildomi trečiasis termodinamikos dėsnis, arba Nernsto teorema(W. F. G. Nernstas (1864-1941) – vokiečių fizikas ir fizikas chemikas) - lenta: Visų kūnų entropija pusiausvyros būsenoje linkusi į nulį, kai temperatūra artėja prie nulio Kelvino:

Kadangi entropija nustatoma iki adityvinės konstantos, patogu šią konstantą laikyti lygią nuliui (tačiau atkreipkite dėmesį, kad tai yra savavališka prielaida, nes entropija pagal savo prigimtį esmė visada nustatomas iki adityvinės konstantos). Iš Nernsto-Plancko teoremos išplaukia, kad šiluminės talpos S p Ir C V esant 0K jie yra lygūs nuliui.