Термодинамикийн нэг ба хоёрдугаар хуулиуд. Термодинамикийн хуулиуд

Термодинамикийн анхны хууль- Нэг төлөвөөс нөгөөд шилжих үед системийн дотоод энергийн өөрчлөлт нь системд гаднаас өгч буй дулааны хэмжээ ба түүн дээр ажиллаж буй гадны хүчний ажлын нийлбэртэй тэнцүү байна. ∆ У= Q+ А.

Аналитик илэрхийллүүд:

Дотоод энерги, ажлаар дамжуулан: dq= ду+ pdV

Энтальпийн тусламжтайгаар: dq=dh-Vdp

Термодинамикийн хоёр дахь хууль нь мөчлөгт хэрэглэгддэг. Энтропи.

- Дулаан нь байгалийн жамаар зөвхөн өндөр температуртай биеэс бага температуртай бие рүү дамждаг бөгөөд аяндаа эсрэг төлөвт шилжиж чадахгүй.

- Дулаан дамжуулалтаас хүлээн авсан бүх дулаан нь ажилдаа орж чаддаггүй, гэхдээ зөвхөн нэг хэсэг нь ажилладаг. Дулааны нэг хэсэг нь дулаан шингээгч рүү орох ёстой.

Энтропи нь ажлын шингэний төлөв байдлын параметр бөгөөд дулааны хэмжээ ба температурын хоорондох холбоог тогтоодог. С= Хатагтай-д хэмжсэн Ж/К.

Энтропийг аналитик байдлаар дараах байдлаар тодорхойлно. dS=сигмаq/ Т.

Дугуй термодинамик процессууд (шууд ба урвуу мөчлөг). Карногийн мөчлөг. Циклийн дулааны үр ашиг.

Шууд мөчлөг

Урвуу мөчлөг

Ɛ= q2/ лc=q2/(q1- q2), Ɛ-хүйтэн. Коэф.

Гаднаас хийсэн ажил.

Өөрөө үйлдвэрлэх боломжгүй. Хүйтнээс халуун хүртэл дулаан хангамж.

Карногийн мөчлөг бол хамгийн тохиромжтой термодинамик мөчлөг юм. 2 адиабат ба 2 изотерм процессоос бүрдэнэ.

Систем өөрөө хийсэн ажил.

Дулааны багтаамж. Тодорхойлолт CхТэгээдCvба тэдгээрийн хоорондын холбоо.

Дулааны багтаамж гэдэг нь биеийг 1 градусаар өөрчлөхөд шаардагдах дулааны хэмжээ юм. физик хэмжигдэхүүн, энэ нь хязгааргүй цөөн тооны харьцааг тодорхойлдог дулааны хэмжээδ Q, байгууллага хүлээн авсан, түүний харгалзах өсөлт температур δ Т.

- Тогтмол эзэлхүүнтэй үед, тогтмол эзэлхүүнтэй байх явцад бие махбодид өгч буй дулааны хэмжээг биеийн температурын өөрчлөлттэй харьцуулсан харьцаатай тэнцүү байна.

- Тогтмол даралттай үед, тогтмол даралттай үед бие махбодид өгч буй дулааны хэмжээг биеийн температурын өөрчлөлттэй харьцуулсан харьцаатай тэнцүү dT.

Харилцаа холбоо - Дулааны багтаамжийн тухай ойлголтыг нэгтгэх янз бүрийн төлөвт байгаа бодисууд (хатуу, шингэн, хий) болон бөөмс ба хагас бөөмийн чуулгад хоёуланд нь тодорхойлогддог (жишээлбэл, металлын физикт тэд электрон хийн дулаан багтаамжийн тухай ярьдаг) .

Усны уурыг ажлын шингэн болгон,х- v, Т- с, h- сдиаграммууд.

Усны уур нь ихэнх дулааны механизмын ажлын шингэн юм. Усны хийн төлөв байдал. Энэ нь өнгө, амт, үнэргүй. Тропосферт агуулагддаг.

1-2 ус буцалгах хүртэл халаана

2-3 уур үүсэх

3-4 уурын хэт халалт

1-2 халаалт

2-3 буцалгах (уурших)

3-4 хэт халалт

VNP - нойтон ханасан уур

дулааны цахилгаан станцын уурын процесс ба циклийн усны уурын диаграмм.

Усан уурын үндсэн шинж чанарууд: ханасан ба хэт халсан уур, ууршилтын дулаан.

Ханасан уур- ижил найрлагатай шингэн эсвэл хатуу бодистой термодинамикийн тэнцвэрт байдалд байгаа уур юм. Энэ нь буцалгах процесс явагдах орчны даралтаас хамаардаг температуртай байдаг.

Хэт халсан уур - уур, түүнээс дээш температурт халаана буцлах цэгөгөгдсөн даралт дээр. Хэт халсан уурыг ашигладаг мөчлөгянз бүрийн дулааны хөдөлгүүрүүдтэдгээрийг нэмэгдүүлэхийн тулд Үр ашиг. Хэт халсан уурыг тусгай төхөөрөмжид үйлдвэрлэдэг - хэт халаагч.

Бодисын ууршилтын дулаан- 1 моль бодисыг буцалгах цэгт уурын төлөвт шилжүүлэхэд шаардагдах дулааны хэмжээ. Үүнийг Жоулаар хэмждэг.

Идеал хийн термодинамик процесс. Ангилал, төлөвийн тэгшитгэл, үзүүлэлтийн утга "n” ерөнхий тэгшитгэлдpv^ n= constүндсэн процессуудын хувьд.

Идеал хийн үндсэн процессууд:

Isochoric (тогтмол эзэлхүүнтэй урсдаг)

Изобарик (тогтмол даралттай)

Изометрийн (т тогтмол үед)

Адиабат (хүрээлэн буй орчинтой дулаан солилцоогүй үйл явц)

Политропик (хангалсан тэгшитгэл pv^n=const

Төлөвийн тэгшитгэл: pv= RTэсвэл pv/ Т= П

pv^ n= const ; политропик индекс нь ямар ч утгыг авч болно

Компрессор дахь процессуудын термодинамик шинжилгээ.

Хугацаа. Компрессорын шинжилгээ гэдэг нь ажлын шингэнийг өгөгдсөн эхний болон эцсийн үзүүлэлтээр шахахад зарцуулсан тодорхой хэмжээний ажил юм. Ерөнхийдөө компрессорууд нь политропик шахалтыг n=1.2 политроп индексээр гүйцэтгэдэг.

Дулаан дамжуулалтын төрөл ба тоон шинж чанар.

Дулаан дамжуулалт ба дулаан дамжуулах тухай ойлголт.Дулаан дамжилтын илтгэлцүүр

- энэ нь бие махбодийн эмх замбараагүй хөдөлж буй хэсгүүд (атом, молекул, электрон гэх мэт) замаар явагддаг биеийн илүү халсан хэсгүүдээс (эсвэл бие) бага халсан хэсгүүдэд (эсвэл биетүүд) дотоод энергийг шилжүүлэх үйл явц юм.Конвекц (лат. convectiō - "шилжүүлэх") нь шингэн, хий эсвэл мөхлөгт орчинд бодисын урсгалаар дулаан дамжуулах үзэгдэл юм. гэж нэрлэгддэг зүйл байдаг, энэ нь таталцлын талбарт жигд бус халсан үед бодист аяндаа үүсдэг. Албадан - Энэ нь өөрөө хүрээлэн буй орчны хөдөлгөөнийг үүсгэдэг.

Дулааны цацраг -янз бүрийн долгионы урттай цахилгаан соронзон хэлбэлзлийг ашиглан дулаан дамжуулах. Өндөр температурт хамааралтай.

Тоо хэмжээХар-ки.

[J] -дулааны хэмжээ

[Ж/с] -дулааны урсгал

[Вт/м^2] -дулааны урсгалын нягт

Дулаан ялгаруулалт -дундаас хананд эсвэл хананаас дунд хүртэл дулаан дамжуулах.

Дулаан дамжуулалт -дулааны нэг орчноос нөгөөд шилжих нийт хэмжээ.

Хавтгай хананы дулаан дамжуулалтын тэгшитгэл.

Дулаан дамжилтын илтгэлцүүрийн физик утга.

Температур нь зөвхөн x тэнхлэгийн чиглэлд өөрчлөгддөг. τ

Q=λ/ханын зузаан * (tst1 – tst2) F *

λ – хананы материалын дулаан дамжилтын илтгэлцүүр

tst1 – tst2 – ялгаа t гаруй. хана

F - хананы гадаргуу

Тау - цаг хугацаа.

Λ – дулаан дамжилтын илтгэлцүүр [Вт/м*К] – дулаан дамжуулах хурдыг тодорхойлдог.

Конвектив дулаан дамжуулалт: Ньютон-Рихманы хууль, дулаан дамжуулах коэффициент ба түүний утгад нөлөөлөх хүчин зүйлүүд.

Конвектив дулаан дамжуулалт нь хатуу биетийн гадаргуу ба түүний эргэн тойрон дахь дулааны энергийн солилцоо юм. түүний орчин.Ньютон-Ричманы хууль

- температурын даралтаар янз бүрийн биетүүдийн хоорондох дулааны урсгалыг илэрхийлдэг эмпирик хууль.

Конвенцийн өмнөх дулааны хэмжээг дулааны түвшний дагуу тооцоолно. Ньютон-Ричман Q=aF(tst – tl) a – коэффициент. дулаан дамжуулалт.

дулаан дамжуулах коэффициент - 1К температурын зөрүүтэй дулааны урсгалын нягтыг Вт/(м²·К) хэмжинэ.

Үүнд:

хөргөлтийн төрөл ба түүний температурын талаар;

даралтын температур, конвекцийн төрөл, урсгалын горим дээр;

гадаргуугийн төлөв байдал, урсгалын чиглэлийн талаар;

биеийн геометрээс.Конвектив дулаан дамжуулах шалгуурын тэгшитгэлийн төрлүүд. Ижил төстэй байдлын шалгуурын физик утга, Ну, Re, Гр.

Пр Nu = αl/λ Nu = f(Re1 * Pr) - Nusselt шалгуур

(хэмжээгүй дулаан дамжуулах коэффициент), хананы гадаргуу ба шингэн (хий) хоорондын дулааны солилцоог тодорхойлдог;

Хоол иддэг: Nu = f(Gr1*Pr) → Nu = C(Gr*Pr)^n Жишээ нь: Nu = C * Re^n * Pr^m * (Przh/ Pr st) Re = w·l/v, w – m/s, v – кинет. Зуурамтгай чанар, м/с, л - ялгааны шинж чанар -Рэйнолдсын шалгуур , инерцийн хүч ба зуурамтгай чанар хоорондын хамаарлыг тодорхойлж, шингэний (хийн) урсгалын шинж чанарыг тодорхойлдог; Gr = gl 3 /ν 2 * β(tst – tl); β= 1/Т - Grashof шалгуур (байгалийн конвекц) , нягтын зөрүүгээс болж шингэн (хий) дотор үүсэх өргөх хүчийг тодорхойлдог; Pr = (M c p)/λ; M - зуурамтгай байдлын динамик; Wed - дулааны багтаамж - Prandtl шалгуур

l – тодорхойлох хэмжээ (урт, өндөр, диаметр).

Дулааны механик онол

Дулаан бол ид шидийн зүйл юм. Та гартаа мод авч болно, энэ нь таны гарыг дулаацуулж, хүйтэн ч биш болгодог. Гэсэн хэдий ч хэрэв та үүнийг галд хаявал гал авалцах үед энэ нь дулааныг их хэмжээгээр ялгаруулна. Дулаан хаанаас гардаг вэ? Эрт дээр үеэс хүмүүс дулааныг мод болон бусад шатамхай бодисуудад агуулагддаг, шаталтын явцад ялгардаг флогистон буюу илчлэг гэж нэрлэгддэг тусгай шингэн гэж үздэг. Харин 18-р зууны эцэс гэхэд ийм онолыг буруу гэдгийг батлах хангалттай туршилтын мэдээлэл хуримтлагдсан байв.

Бенжамин Томпсон (Count Rumfoord) нь дулааны мөн чанарын тухай орчин үеийн санааг анх дэвшүүлсэн хүмүүсийн нэг юм. Тэрээр үргэлж техникийн оюун ухаанаараа ялгардаг байсан бөгөөд баллистик, зэвсгийн чиглэлээр шинжлэх ухааныг сонирхож, амьдралаа зориулжээ. Бавариад аль хэдийн амьдарч байсан тэрээр их бууны үйлдвэрийн техникийн менежер байсан. Ойролцоогоор цутгасан торхыг дотор талаас нь өрөмдлөгийн зүсэгчээр боловсруулж, шаардлагатай калибрийг авчирч, зохих гөлгөр байдлыг өгдөг. Уйтгартай үед торхууд халж, илүү хүчтэй байх тусам зүсэгч нь уйтгартай болохыг Рамфорд анзаарчээ. Металл хусуурын дулаан багтаамжийг хэмжсэнээр тэрээр уйтгарлахаас өмнө торхны материалд дулааныг хадгалах боломжгүй тул үрэлтийн үр дүнд дулаан үүсдэг болохыг харуулж чадсан юм. Өрөмдсөн их бууг хүртэл усанд хийж, хэдэн цагийн дараа ус буцалгатал өрөмддөг байсан гэдэг.

Өнөөдөр бид дулааныг (илүү нарийвчлалтай, дулааны эсвэл дулааны энерги) материалыг бүрдүүлдэг атомууд эсвэл молекулуудын хөдөлгөөнтэй холбоотой энергийн тусгай хэлбэр гэж ойлгодог. Гаднаас энерги урсах үед атомууд эсвэл молекулууд халдаг - өөрөөр хэлбэл тэд чичирч эсвэл илүү хурдан хөдөлж эхэлдэг боловч хөргөх үед хөдөлгөөн удааширдаг. Шингэн ба хийд эмх замбараагүй Brownian хөдөлгөөний хурд, атом эсвэл молекулуудын мөргөлдөх давтамж нэмэгддэг. Хатуу биетүүдэд атомууд болор тор дахь байрныхаа эргэн тойронд илүү их далайцтай чичирдэг. Гэхдээ энэ хоёр тохиолдолд бидний дулаан эсвэл дулааны энерги гэж ойлгодог зүйл нь атом эсвэл молекулын кинетик энерги юм. Термодинамикийн 1-р хуулийн дагуу бусад бүх төрлийн энергийн нэгэн адил дулааны энергийг бусад энерги болгон хувиргах боломжтой бөгөөд жишээлбэл, дотоод шаталтат хөдөлгүүр, цахилгаан үүсгүүрт ашигладаг.

Молекул кинетик онол

Хийг бүрдүүлэгч атомууд эсвэл молекулууд бие биенээсээ нэлээд зайд чөлөөтэй хөдөлж, хоорондоо мөргөлдөх үед л харилцан үйлчилдэг (даахин давтахгүйн тулд би зөвхөн "молекулууд" гэсэн утгатай "молекулуудыг" дурдах болно. ). Иймээс молекул нь зөвхөн мөргөлдөөний хоорондох зайд шулуун шугамаар хөдөлж, өөр молекултай ийм харилцан үйлчлэлийн дараа хөдөлгөөний чиглэлийг өөрчилдөг. Хийн молекулын хөдөлгөөний шулуун сегментийн дундаж уртыг дундаж чөлөөт зам гэж нэрлэдэг. Хийн нягтрал их байх тусам молекулуудын хоорондох дундаж зай бага байх тусам мөргөлдөөний хоорондох дундаж чөлөөт зам богиносдог.

19-р зууны хоёрдугаар хагаст хийн атом-молекулын бүтцийн ийм энгийн дүр зураг олон тооны онолын физикчдийн хүчин чармайлтаар хүчирхэг бөгөөд нэлээд түгээмэл онол болж хөгжсөн. Шинэ онол нь хийн төлөв байдлын хэмжигдэхүйц макроскоп үзүүлэлтүүдийг (температур, даралт, эзэлхүүн) микроскопийн шинж чанартай - молекулуудын тоо, масс, хөдөлгөөний хурдтай холбох санаа дээр суурилдаг. Молекулууд байнга хөдөлгөөнд байдаг бөгөөд үүний үр дүнд кинетик энергитэй байдаг тул энэ онолыг хийн молекул кинетик онол гэж нэрлэдэг.

Жишээлбэл, цусны даралтыг авч үзье. Цаг хугацааны аль ч мөчид молекулууд хөлөг онгоцны хананд цохиулж, цохилт болгондоо тодорхой хүчний импульс дамжуулдаг бөгөөд энэ нь өөрөө маш бага боловч сая сая молекулуудын нийт нөлөөлөл нь хананд ихээхэн хүч үүсгэдэг. Бидний зүгээс дарамт гэж ойлгодог. Жишээлбэл, машины дугуйг шахахдаа дугуйны доторх молекулуудын тооноос гадна дугуйны хаалттай эзэлхүүн дотор агаар мандлын агаарын молекулуудыг жолоодож байна; Үүний үр дүнд дугуйн доторх молекулуудын концентраци гаднаасаа илүү өндөр, хананд илүү олон удаа цохиж, дугуйн доторх даралт нь атмосферийн даралтаас өндөр, дугуй нь хийлэгдэж, уян хатан болдог.

Онолын утга нь молекулуудын дундаж чөлөөт замаас бид тэдгээрийн хөлөг онгоцны ханатай мөргөлдөх давтамжийг тооцоолж болно гэсэн үг юм. Өөрөөр хэлбэл, молекулуудын хөдөлгөөний хурдны талаархи мэдээлэлтэй бол шууд хэмжиж болох хийн шинж чанарыг тооцоолох боломжтой болно. Өөрөөр хэлбэл, молекул кинетик онол нь молекул, атомын ертөнц ба биет макрокосм хоёрын хооронд шууд холбоо тогтоох боломжийг олгодог.

Энэ онолын хүрээнд температурыг ойлгоход мөн адил хамаарна. Температур өндөр байх тусам хийн молекулуудын дундаж хурд ихсэх болно. Энэ хамаарлыг дараах тэгшитгэлээр тодорхойлно.

Нэг хийн молекулын масс хаана байна, молекулын дулааны хөдөлгөөний дундаж хурд, хийн температур (Кельвин) ба Больцманы тогтмол байна. Молекулын кинетик онолын үндсэн тэгшитгэл нь хийн молекулын шинж чанар (зүүн) болон хэмжигдэхүйц макроскоп шинж чанар (баруун) хоорондын шууд хамаарлыг тодорхойлдог. Хийн температур нь молекулуудын дундаж хурдны квадраттай шууд пропорциональ байна.

Молекул кинетик онол нь бие даасан молекулуудын хурдыг дундаж утгаас хазайх тухай асуултад нэлээд тодорхой хариулт өгдөг. Хийн молекулуудын мөргөлдөх бүр нь тэдгээрийн хоорондох энергийн дахин хуваарилалтад хүргэдэг: хэт хурдан молекулууд удааширч, хэт удаан байдаг молекулууд хурдасдаг бөгөөд энэ нь дунджаар дундажлахад хүргэдэг. Ямар ч үед хийд ийм төрлийн мөргөлдөөн тоо томшгүй олон саяар тохиолддог. Гэсэн хэдий ч тогтвортой байдалд байгаа хийн өгөгдсөн температурт тодорхой хурд эсвэл энергитэй молекулуудын дундаж тоо өөрчлөгддөггүй нь тогтоогджээ. Энэ нь статистикийн үүднээс авч үзвэл энергитэй молекулын энергийг өөрчилж, ижил төстэй энергийн төлөвт шилжих магадлал нь өөр молекул, эсрэгээр, энергитэй төлөвт шилжих магадлалтай тэнцүү байдагтай холбоотой юм.

Ийнхүү бие даасан молекул бүр хааяа энергитэй байдаг ч энергитэй молекулуудын дундаж тоо өөрчлөгдөөгүй хэвээр байна. (Бид хүний ​​нийгэмд ижил төстэй нөхцөл байдлыг ажиглаж байна. Хэн ч нэг жилээс илүү хугацаанд арван долоотой үлддэггүй - Бурханд талархаж байна! - гэхдээ тогтвортой хүний ​​нийгэмд дунджаар арван долоон настай хүүхдүүдийн хувь бараг өөрчлөгдөөгүй хэвээр байна.)

Молекулуудын хурдаар дундаж тархалт ба түүний хатуу томъёоллын талаархи энэхүү санаа нь Жеймс Кларк Максвеллд хамаардаг - мөн адил онолч нь цахилгаан соронзон орны талаар хатуу тайлбар өгсөн байдаг. Өгөгдсөн температурт молекулуудын хурдны тархалтыг олж авсан хүн нь тэр байв (зураг харна уу). Ихэнх молекулууд нь Максвеллийн тархалтын оргил ба дундаж хурдтай тохирч байгаа энергийн төлөвт байдаг боловч үнэн хэрэгтээ молекулуудын хурд нэлээд том хязгаарт өөр өөр байдаг.

Физикийн хувьд ажил гэдэг нь хүчний нөлөөгөөр тодорхой зайд массын хөдөлгөөн юм. Жишээлбэл, энэ номыг өргөхийн тулд та номыг өргөх бүх зайд таталцлын таталцлын хүчийг даван туулахын тулд дээш чиглэсэн хүчийг ашиглах хэрэгтэй бөгөөд ингэснээр та ажил хийдэг. Ажил гүйцэтгэхийн тулд үүнийг гүйцэтгэж буй бие нь энэ ажлыг гүйцэтгэхэд шаардлагатай эрчим хүчний нөөцтэй байх ёстой. Өөрөөр хэлбэл, энерги бол ажил хийх чадвар юм. Шинжлэх ухааны үүднээс авч үзвэл энерги нь гурван чухал шинж чанартай байдаг: нэгдүгээрт, энэ нь янз бүрийн хэлбэрээр илэрч болно; хоёрдугаарт, янз бүрийн төрлийн энерги бие биенээ хувиргаж чаддаг; Гуравдугаарт, аливаа физик процессын үед хаалттай систем дэх нийт энерги хадгалагдана.

Хөдөлгөөний энерги

Хөдөлгөөнт бие нь замын сегментийн дагуух бусад биед хүч үзүүлэх чадвартай бөгөөд та ийм үзэгдлийг ажигласан нь дамжиггүй. Сум бай руу нисч байна гэж төсөөлөөд үз дээ. Зорилтот руу мөргөхөд сум нь түүний утаснуудад хүч өгч, тэдгээрийг хооронд нь түлхэж өгдөг. Тиймээс хөдөлж буй бие нь ажил хийх чадвартай байдаг тул тодорхойлолтоор энергитэй байдаг. Энэ төрлийн хөдөлгөөний энергийг кинетик энерги гэж нэрлэдэг (Грек хэлнээс kinesis - "хөдөлгөөн"). Дулааны механик онолын дагуу дулаан нь бодисын молекулуудын хөдөлгөөний илрэл тул үүнийг кинетик энергийн тусгай төрөл гэж үзэж болно.

Байршлын энерги

Хэрэв та энэ номыг дээш өргөх юм бол энэ нь дэлхийн таталцлын талбар дахь шинэ байрлалынхаа ачаар ажил хийж чадна. Үүнийг батлахын тулд номоо орхиод унана. Ном унах тусам тодорхой хурдтай болж, улмаар кинетик энергийг олж авах болно. Шал эсвэл ширээн дээр унасны дараа энэ нь гадаргуу дээр хүч өгч, бараг мэдэгдэхүйц деформацид орохын зэрэгцээ өөрөө бага зэрэг гаждаг. Өөрөөр хэлбэл, энэ ном нь анхны оргилдоо аль хэдийн тодорхой хэмжээний энергитэй байсан - бид үүнийг боломжит энерги гэж нэрлэдэг. Тодорхой өндөрт өргөгдсөний хувьд ном ямар ч ажил хийдэггүй, харин номоо унагавал хийх боломж байдаг. Нарийвчилж хэлэхэд, ном нь таталцлын талбарт байгаа учраас ийм энергитэй байдаг тул номын энергийг таталцлын талбайн потенциал энерги гэж нэрлэх хэрэгтэй. Ном унасан цагт бүтээлийг бүтээдэг талбар юм. Од хоорондын орон зайд, таталцлын оронгүй газар сансрын хөлөгт ном авбал таталцлын талбайн потенциал энерги байхгүй тул огт унахгүй. Чавхны резин болон нумны утас хоёулаа сунах үед уян хатан хүчний потенциал энергийг олж авдаг бөгөөд хэрэв тэдгээр нь суллагдсан тохиолдолд ажиллах боломжтой болно.

Үүний нэгэн адил цахилгаан талбарт байрлуулсан цахилгаан цэнэгтэй бөөмс нь цахилгаан потенциал энергитэй байдаг. Үүнийг бид атомаас харж байна: электроны энерги нь эерэг цэнэгтэй цөмөөс тойрог замынхаа зайнаас хамаардаг. Онцгой төрлийн цахилгаан потенциал энерги нь атомуудын химийн харилцан үйлчлэлд оролцдог. Атом бүрийн электронууд атом дахь байршлаасаа хамааран тодорхой цахилгаан потенциал энергитэй байдаг. Атомуудыг молекул болгон нэгтгэсний дараа эдгээр ижил электронууд шинэ байрлалаасаа шалтгаалан өөр энергитэй болно. Химийн харилцан үйлчлэлийн өмнөх болон дараах нийт энерги ихэвчлэн ижил байдаггүй. Атомын электрон тохиргоонд ийм өөрчлөлт оруулах энергийг бид химийн потенциал энерги гэж нэрлэдэг.

Соронзон болон цахилгаан оронтой холбоотой, бодисын янз бүрийн шинж чанар гэх мэт олон төрлийн потенциал энерги байдаг.Одоохондоо хийгдэж амжаагүй ажил хийж болох аливаа системд потенциал энерги байдаг.

Массын энерги

Харьцангуйн онолын хүрээнд Альберт Эйнштейн эрчим хүчний огт санаанд оромгүй хэлбэрийг нээсэн. Энэ нь массыг энерги болгон хувиргах боломжтой болох бөгөөд үүнийг вакуум дахь гэрлийн хурд (3 x 10 8 м / с) гэсэн томъёонд тусгасан болно. Энэ томъёоноос харахад жижиг массыг асар их энерги болгон хувиргах боломжтой бөгөөд энэ нь атомын реактор дахь ураны цөмийн задралын үед тохиолддог. Хамгийн бага массыг хүртэл зохиомлоор үйлдвэрлэхэд асар их эрчим хүчний зардал шаардагддаг нь ижил томъёоноос харагдаж байна. Үнэн хэрэгтээ орчин үеийн бөөмийн хурдасгууруудад протонууд бараг гэрлийн хурд хүртэл хурдасдаг бөгөөд зөвхөн дараа нь зорилтот тал руу галласны үр дүнд протонуудын кинетик энергийн нэг хэсэг нь шинэ энгийн бөөмс болж хувирдаг.

Эрчим хүчийг хувиргах, хадгалах

Төрөл бүрийн энерги нь хоорондоо солигддог - энерги нь нэг төрлөөс нөгөөд шилжих боломжтой. Жишээлбэл, харваач сумаа суллахад нумын уян таталтын потенциал энерги нь нисч буй сумны кинетик энергид хувирч, сум оносон үед дулаан ялгарах энерги болон хувирдаг. Дулааны энергийг эс тооцвол бүх төрлийн эрчим хүчийг бие биедээ бүрэн хувиргаж болно (термодинамикийн хоёр дахь хуулийн дагуу дулааны энергийг зөвхөн хэсэгчлэн ажил болгон хувиргах боломжтой).

Нэг төрлийн энергийг нөгөөд хувиргах нь санамсаргүй байдлаар явагддаггүй, учир нь хаалттай системд энерги хадгалагдах хууль хангагдсан байдаг. Энэ нь хаалттай, тусгаарлагдсан системд энерги нь янз бүрийн хэлбэртэй байж болох ч нийт энергийн хэмжээ цаг хугацааны явцад өөрчлөгддөггүй гэсэн үг юм. Танд янз бүрийн банкны данс, хадгаламжид тогтмол хэмжээний мөнгө байна гэж бодъё: таны мөнгөний зарим нь шалгах хадгаламжийн дансанд хадгалагддаг, зарим нь хувьцаа, бонд гэх мэт. Та мөнгөөр ​​янз бүрийн зүйл хийж болно: та чадна. бүгдийг нь нэг данс руу шилжүүлснээр та бүх дансанд жигд хуваарилах эсвэл өөр өөр дансанд өөр өөр мөнгө оруулах боломжтой. Гэсэн хэдий ч, та юу ч хийсэн таны нийт хөрөнгө хэвээр байх болно. (Хялбар болгохын тулд бид хадгаламж, үнэт цаасны хүүгийн хуримтлалыг тооцдоггүй.) Үүний нэгэн адил янз бүрийн хэлбэрийг авч, дахин хуваарилах үед эрчим хүч хаанаас ч ирдэггүй, хаана ч алга болдоггүй. Энэ бол эрчим хүчний хэмнэлтийн хууль бөгөөд хаалттай системийн нийт энерги тогтмол хэвээр байна.

Эхлээд харахад энэ нь бидний зөн совингийн санаатай зөрчилдөж байна. Тайлбар нь ийм байна. Таталцлын оронгүй сансар огторгуйд боломжит энерги мэдээж тэг байх ёстой. Бие нь од эсвэл гаригийн чиглэлд унах үед боломжит энерги алдагддаг тул түүний утга сөрөг байх ёстой. Дэлхийн гадарга дээрх таталцлын талбарт 1 кг жинтэй номын потенциал энерги нь ойролцоогоор –6 х 10 7 джоуль байх ба хэрэв номыг 1000 км өндөрт өргөвөл потенциал энерги нь –5 х болж өснө. 10 7 джоуль.

Термодинамикийн хоёр дахь хууль

Байгалийн үйл явц нь чиглэлтэй, эргэлт буцалтгүй байдлаар тодорхойлогддог боловч энэ номонд тайлбарласан хуулиудын ихэнх нь үүнийг тусгаагүй - ядаж тодорхой биш юм. Өндөг хагалж, чанасан өндөг хийх нь тийм ч хэцүү биш боловч бэлэн өндөгнөөс түүхий өндөг гаргах боломжгүй юм. Ил задгай савласан сүрчигний үнэр өрөөг дүүргэдэг боловч та үүнийг дахин саванд хийж чадахгүй. Орчлон ертөнцөд болж буй үйл явцын ийм эргэлт буцалтгүй байдлын шалтгаан нь термодинамикийн хоёр дахь хуульд оршдог бөгөөд энэ нь бүх илэрхий энгийн байдлын хувьд сонгодог физикийн хамгийн хэцүү, ихэвчлэн буруу ойлгогддог хуулиудын нэг юм.

Юуны өмнө, энэ хуульд янз бүрийн үеийн физикчдийн янз бүрийн жилүүдэд санал болгосон дор хаяж гурван ижил хүчинтэй томъёолол байдаг. Тэдний хооронд нийтлэг зүйл байхгүй мэт санагдаж болох ч тэд бүгд логикийн хувьд бие биентэйгээ тэнцүү юм. Хоёрдахь хуулийн аливаа томьёоллоос нөгөө хоёрыг нь математикийн аргаар гаргаж авдаг.

Германы физикч Рудольф Клаусиусаас үүдэлтэй анхны томъёололоос эхэлье. Энэ найрлагын энгийн бөгөөд ойлгомжтой жишээг энд үзүүлэв: хөргөгчнөөс мөсөн шоо авч, угаалтуур руу хийнэ. Хэсэг хугацааны дараа мөсөн шоо хайлах болно, учир нь дулаан биеийн (агаар) дулаан нь хүйтэн биед (мөсөн шоо) шилждэг. Эрчим хүчийг хадгалах хуулийн үүднээс дулааны энергийг яг энэ чиглэлд шилжүүлэх ямар ч шалтгаан байхгүй: мөс хүйтэрч, агаар дулаарсан ч энерги хадгалагдах хууль биелэх болно. Ийм зүйл болохгүй байгаа нь физик үйл явцын аль хэдийн дурдсан чиглэлийн яг нотолгоо юм.

Энэ харилцан үйлчлэлийг молекулын түвшинд авч үзвэл бид яагаад мөс ба агаар ингэж харилцан үйлчилдгийг хялбархан тайлбарлаж чадна. Молекул кинетик онолоос бид температур нь биеийн молекулуудын хөдөлгөөний хурдыг илэрхийлдэг гэдгийг мэддэг - тэд илүү хурдан хөдөлж, биеийн температур өндөр байдаг. Энэ нь агаарын молекулууд мөсөн шоо дахь усны молекулуудаас илүү хурдан хөдөлдөг гэсэн үг юм. Агаарын молекул мөсний гадаргуу дээрх усны молекултай мөргөлдөхөд, туршлагаас харахад хурдан молекулууд дунджаар удааширч, удаашралтай нь хурдасдаг. Тиймээс усны молекулууд илүү хурдан, хурдан хөдөлж эхэлдэг, эсвэл мөсний температур нэмэгддэг. Агаараас мөс рүү дулаан дамждаг гэж хэлэхэд бид үүнийг хэлж байна. Мөн энэ загварын хүрээнд термодинамикийн хоёр дахь хуулийн эхний томъёолол нь молекулуудын зан төлөвөөс логикоор гардаг.

Бие тодорхой хүчний нөлөөн дор ямар ч зайд шилжих үед ажил хийгдэж, янз бүрийн энергийн хэлбэрүүд нь системийн тодорхой ажлыг бий болгох чадварыг нарийн илэрхийлдэг. Молекулуудын кинетик энергийг илэрхийлдэг дулаан нь энергийн нэг хэлбэр тул түүнийг мөн ажил болгон хувиргаж болно. Гэхдээ бид дахин чиглэсэн үйл явцтай тулгарч байна. Та 100% үр ашигтайгаар ажлаа дулаан болгон хувиргаж чадна - та машиндаа тоормосны дөрөө дарах бүртээ үүнийг хийдэг: таны машины хөдөлгөөний бүх кинетик энерги болон хөл болон гидравликийн үйлдлээр дөрөөнд зарцуулсан энерги. тоормосны систем нь тоормосны дискний дэвсгэрийн үрэлтийн үед ялгарах дулаан болж бүрэн хувирдаг. Термодинамикийн хоёр дахь хуулийн хоёр дахь томьёолол нь урвуу үйл явц боломжгүй гэдгийг харуулж байна. Бүх дулааны энергийг ажил болгон хувиргах гэж хичнээн хичээсэн ч байгаль орчинд дулааны алдагдал гарах нь гарцаагүй.

Хоёрдахь томъёоллыг үйл ажиллагаандаа харуулах нь тийм ч хэцүү биш юм. Таны машины дотоод шаталтат хөдөлгүүрийн цилиндрийг төсөөлөөд үз дээ. Түүнд өндөр октантай түлшний хольцыг шахаж, поршений өндөр даралтанд шахаж, дараа нь цилиндрийн хананд нягт бэхлэгдсэн цилиндрийн толгой ба чөлөөтэй хөдөлдөг поршений хоорондох жижиг завсарт гал авалцдаг. Холимог тэсрэх шаталтын үед халуун, өргөжиж буй шаталтын бүтээгдэхүүн хэлбэрээр ихээхэн хэмжээний дулаан ялгардаг бөгөөд даралт нь поршений доош түлхэж өгдөг. Тохиромжтой ертөнцөд бид ялгарсан дулааны энергийг поршений механик ажилд бүрэн хувиргах замаар 100% үр ашигтай ажиллах боломжтой.

Бодит амьдрал дээр хоёр шалтгааны улмаас хэн ч ийм тохиромжтой хөдөлгүүрийг угсарч чадахгүй. Нэгдүгээрт, цилиндрийн хана нь ажлын хольцын шаталтын үр дүнд зайлшгүй халж, дулааны нэг хэсэг нь сул зогсолтгүй алдаж, хөргөлтийн системээр дамжуулан хүрээлэн буй орчинд арилдаг. Хоёрдугаарт, ажлын нэг хэсэг нь үрэлтийн хүчийг даван туулахад зайлшгүй ордог бөгөөд үүний үр дүнд цилиндрийн хана дахин халдаг - өөр нэг дулааны алдагдал (хамгийн сайн моторын тос байсан ч гэсэн). Гуравдугаарт, цилиндр нь шахалтын эхлэлийн цэг рүү буцах шаардлагатай бөгөөд энэ нь дулаан ялгаруулах үрэлтийг даван туулахад дэмий хоосон ажил юм. Үүний үр дүнд бидэнд байгаа зүйл, тухайлбал: хамгийн дэвшилтэт дулааны хөдөлгүүрүүд 50% -иас ихгүй үр ашигтай ажилладаг.

Цикл ба Карногийн теорем

Тохиромжтой машинууд бодит амьдрал дээр байдаггүй, тэд зүгээр л оюун санааны бүтээц юм. Карногийн хөдөлгүүр чухал байр суурь эзэлдэг эдгээр таамаглал бүхий машин бүр нь зарим чухал онолын дүгнэлтийг харуулж байна. Хамгийн тохиромжтой дулааны хөдөлгүүрийн үндэс болсон Карно хөдөлгүүрийг термодинамикийн зарчмуудыг боловсруулахаас хорин жилийн өмнө Францын инженер Сади Карно зохион бүтээсэн боловч энэ нь термодинамикийн хоёр дахь хуулийн чухал үр дүнг харуулж байна.

Карно хөдөлгүүрийн ажлын хэсгийг хийгээр дүүргэсэн цилиндрт поршений ажил гэж төсөөлж болно. Карно хөдөлгүүр нь цэвэр онолын машин тул поршений болон цилиндрийн хоорондох үрэлтийн хүч ба дулааны алдагдлыг тэгтэй тэнцүү гэж үзнэ. Поршен нь өндөр температур ба бага температур гэсэн хоёр дулааны усан сангийн хооронд чөлөөтэй хөдөлж чаддаг. (Тохиромжтой болгохын тулд халуун дулааны нөөцийг бензин, агаарын хольцыг шатаах замаар халааж, хүйтэн савыг өрөөний температурт ус эсвэл агаараар хөргөнө гэж төсөөлөөд үз дээ.) Энэхүү дулааны хөдөлгүүрт дараах хамгийн тохиромжтой дөрвөн фазын мөчлөг явагдана:

1. Нэгдүгээрт, цилиндр нь халуун усан сантай холбогдож, хамгийн тохиромжтой хий нь тогтмол температурт өргөжиж байна. Энэ үе шатанд хий нь халуун савнаас тодорхой хэмжээний дулааныг авдаг.
2. Дараа нь цилиндр нь төгс дулаан тусгаарлагчаар хүрээлэгдсэн бөгөөд үүнээс болж хийд агуулагдах дулааны хэмжээ хадгалагдаж, температур нь хүйтэн дулааны усан сангийн температур хүртэл буурах хүртэл хий нь өргөсдөг.
3. Гурав дахь үе шатанд дулаан тусгаарлалтыг арилгаж, цилиндрт байгаа хий нь хүйтэн усан сантай харьцахдаа шахагдаж, дулааны зарим хэсгийг хүйтэн усан сан руу өгдөг.
4. Шахалт тодорхой цэгт хүрэхэд цилиндрийг дахин дулаан тусгаарлагчаар хүрээлж, поршений температурыг халуун савны температуртай тэнцүү болтол нь дээшлүүлснээр хий шахагдана. Үүний дараа дулаан тусгаарлалтыг арилгаж, эхний үе шатаас эхлэн мөчлөгийг дахин давтана.

Хүйтэн ба халуун савны температур тус тус хаана, хаана байна (Кельвин). Мэдээжийн хэрэг, Карно хөдөлгүүрийн үр ашиг 1-ээс бага (эсвэл 100%).

Карногийн агуу ойлголт бол өгөгдсөн хоёр температурт ажилладаг ямар ч дулааны хөдөлгүүр нь хамгийн тохиромжтой Карно хөдөлгүүрээс илүү үр ашигтай байж чадахгүй гэдгийг харуулсан явдал байв (энэ мэдэгдлийг Карногийн теорем гэж нэрлэдэг). Үгүй бол бид термодинамикийн хоёр дахь хуулийг зөрчих болно, учир нь ийм хөдөлгүүр нь халаалт багатай усан сангаас дулааныг авч, илүү халсан руу шилжүүлэх болно. (Үнэндээ термодинамикийн хоёр дахь хууль нь Карногийн теоремын үр дагавар юм.) Тиймээс Карногийн хамаарал нь бодит ертөнцөд ажиллаж байгаа бодит хөдөлгүүрийн үр ашгийн хязгаарыг тогтоодог. Та үүн рүү ойртож болно, гэхдээ инженерүүд үүнийг даван туулж чадахгүй. Тэгэхээр цэвэр таамаглалтай Карно хөдөлгүүр нь халаасан машины тосны технологийн бодит, чимээ шуугиантай, үнэртэй ертөнцөд чухал үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд энэ нь цэвэр онолын, эхлээд харахад судалгааны хэрэглээний үнэ цэнийн бас нэг жишээ юм.

Австрийн физикч Людвиг Больцмантай холбоотой термодинамикийн хоёр дахь хуулийн гурав дахь томъёолол нь магадгүй хамгийн алдартай нь юм. Энтропи нь системийн эмх замбараагүй байдлын үзүүлэлт юм. Энтропи өндөр байх тусам системийг бүрдүүлэгч материаллаг хэсгүүдийн хөдөлгөөн илүү эмх замбараагүй болно. Больцманн систем дэх эрэмбийн зэрэглэлийн шууд математик тайлбарын томъёог боловсруулж чадсан. Усны жишээн дээр хэрхэн ажилладагийг харцгаая. Шингэн төлөвт ус нь нэлээд эмх замбараагүй бүтэцтэй байдаг, учир нь молекулууд бие биенээсээ чөлөөтэй хөдөлдөг бөгөөд тэдгээрийн орон зайн чиг баримжаа нь дур зоргоороо байж болно. Мөс бол өөр асуудал юм - үүн дотор усны молекулууд эмх цэгцтэй, болор торонд багтдаг. Больцманы термодинамикийн 2-р хуулийн томъёололд харьцангуйгаар хэлэхэд мөс хайлж, ус болж хувирсан (энэ үйл явц нь дарааллын зэрэг буурч, энтропийн өсөлт) хэзээ ч уснаас дахин төрөхгүй гэж заасан байдаг. Бид дахин эргэлт буцалтгүй байгалийн физик үзэгдлийн жишээг харж байна.

Энэ томъёололд термодинамикийн хоёр дахь хууль нь энтропи хаана ч, хэзээ ч буурахгүй гэдгийг тунхагласан тухай яриагүй гэдгийг энд ойлгох нь чухал юм. Эцэст нь хайлсан мөсийг хөлдөөгчид хийж, дахин хөлдөөж болно. Хамгийн гол нь хаалттай системд, өөрөөр хэлбэл гаднах эрчим хүчний хангамжийг хүлээн авдаггүй системд энтропи буурах боломжгүй юм. Ажиллаж буй хөргөгч нь тусгаарлагдсан хаалттай систем биш, учир нь энэ нь цахилгаан тэжээлд холбогдсон бөгөөд гаднаас, эцэст нь түүнийг үйлдвэрлэдэг цахилгаан станцуудаас эрчим хүч авдаг. Энэ тохиолдолд хаалттай систем нь хөргөгч, дээр нь утас, орон нутгийн трансформаторын дэд станц, цахилгаан хангамжийн нэгдсэн сүлжээ, цахилгаан станцууд байх болно. Мөн цахилгаан станцын хөргөлтийн цамхагуудын санамсаргүй ууршилтаас үүсэх энтропийн өсөлт нь хөргөгчинд мөсний талсжилтаас үүдэлтэй энтропийн бууралтаас хэд дахин их байдаг тул термодинамикийн хоёр дахь хууль ямар ч байдлаар зөрчигддөггүй.

Энэ нь миний бодлоор хоёр дахь зарчмын өөр нэг томъёололд хүргэдэг: хөргөгч нь залгаагүй л бол ажиллахгүй.

Термодинамикийн хоёр дахь хуулийг зөрчих боломжтой юу? Максвеллийн чөтгөр.

Шинжлэх ухаанд уран зохиолын нэгэн адил гайхалтай дүрүүд байдаг. Магадгүй тэдний ихэнх нь термодинамикийн хоёр дахь хуулийг хэлэлцэх үеэр зохион бүтээгдсэн байж магадгүй юм. Тэдгээрийн дотроос хамгийн алдартай нь цахилгаан соронзон орныг бүрэн дүрсэлсэн Максвеллийн тэгшитгэлийн алдарт системийн зохиогч Жеймс Клерк Максвеллын зохион бүтээсэн Максвеллийн чөтгөр байв. Термодинамикийн хоёр дахь хууль (эсвэл хууль) нь олон томъёололтой байдаг бөгөөд тэдгээрийн физик утга нь ижил байдаг: тусгаарлагдсан систем нь бага эмх цэгцтэй байдлаас илүү эмх цэгцтэй байдалд аяндаа шилжиж чадахгүй. Тиймээс өөр өөр хурдтай хөдөлж буй молекулуудаас бүрдэх хий нь аяндаа хоёр хэсэгт хуваагдах боломжгүй бөгөөд нэг хэсэгт молекулууд дунджаар статистикийн дундаж хурдаас илүү хурдан, нөгөө хэсэгт нь удаан хөдөлдөг.

Олон физик процессыг буцаах боломжтой гэж ангилдаг. Жишээлбэл, усыг хөлдөөж, үүссэн мөсийг дахин хайлж, бид ижил хэмжээ, нөхцөлд ус авах болно; төмрийг соронзуулж, дараа нь соронзгүйжүүлж болно гэх мэт.Энэ тохиолдолд процессын эхлэл ба төгсгөлийн цэг дэх системийн энтропи (захиалгын зэрэг) өөрчлөгдөөгүй хэвээр байна. Термодинамик утгаараа эргэлт буцалтгүй процессууд байдаг - шаталт, химийн урвал гэх мэт. Өөрөөр хэлбэл термодинамикийн хоёр дахь хуулийн дагуу аливаа үйл явц нь эцсийн эцэст системийн дарааллын зэрэглэлийг хадгалах эсвэл багасгахад хүргэдэг. Энэхүү эв нэгдэлтэй бус байдал нь 19-р зууны хоёрдугаар хагаст физикчдийг ихэд гайхшруулж, улмаар Максвелл термодинамикийн хоёр дахь хуулийг тойрч гарах, хаалттай систем дэх эмх замбараагүй байдлын тогтвортой өсөлтийг буцаах боломжийг олгох парадоксик шийдлийг санал болгов. Тэрээр дараах "бодлын туршилт"-ыг санал болгов: хийн атомын хэмжээтэй нэг хаалгатай, битүүмжилсэн савыг хийн үл нэвтрэх хуваалтаар хоёр хуваасан гэж төсөөлөөд үз дээ. Туршилтын эхэнд савны дээд хэсэгт хий, доод хэсэгт бүрэн вакуум байдаг.

Одоо хаалган дээр тодорхой микроскопийн манаач томилогдсон бөгөөд молекулуудыг анхааралтай ажиглаж байна гэж төсөөлөөд үз дээ. Тэрээр хурдан молекулуудын хаалгыг онгойлгож, тэдгээрийг хуваалтаар дамжуулан савны доод тал руу оруулж, дээд хэсэгт нь удааныг үлдээдэг. Хэрэв ийм мини харуул хаалган дээр хангалттай удаан хугацаагаар ажиллавал хий нь хоёр хэсэгт хуваагдах нь тодорхой байна: дээд хэсэгт удаан молекулуудаас бүрдэх хүйтэн хий, хурдан молекулуудаас бүрдсэн халуун хий үлдэх болно. доод хэсэгт хуримтлагдана. Ийнхүү систем нь анхны төлөвтэй харьцуулахад эмх цэгцтэй байх бөгөөд термодинамикийн хоёр дахь хууль зөрчигдөнө. Түүнээс гадна температурын зөрүүг ажил олж авахад ашиглаж болно. Хэрэв ийм манаач үүрд үүрд үлдэх юм бол (эсвэл ээлжийг зохион байгуулвал) бид байнгын хөдөлгөөнт машин авах болно.

Эрдэмтний овсгоотой хамт олон “Максвелийн чөтгөр” хэмээн хочилдог байсан энэ хөгжилтэй манаач одоо ч шинжлэх ухааны ардын аман зохиолд амьдарч, эрдэмтдийн сэтгэлийг хөдөлгөсөөр байна. Үнэн хэрэгтээ, мөнхийн хөдөлгөөнт машин нь хүн төрөлхтөнд хор хөнөөл учруулахгүй, гэхдээ энд асуудал байна: Максвеллийн чөтгөрийг ажиллуулахын тулд түүнд ойртож буй молекулуудыг гэрэлтүүлж, шигшихэд шаардлагатай фотонуудын урсгал хэлбэрээр эрчим хүчний хангамж хэрэгтэй болно. Нэмж дурдахад, молекулуудыг шигших үед чөтгөр ба хаалга нь тэдэнтэй харьцахаас өөр аргагүй бөгөөд үүний үр дүнд тэд өөрсдөө тэднээс дулааны энергийг тогтмол авч, энтропийг нь нэмэгдүүлэх бөгөөд үүний үр дүнд системийн нийт энтропи нэмэгддэг. буурахгүй хэвээр байх болно. Өөрөөр хэлбэл, энэ тайлбараар термодинамикийн хоёр дахь хуульд онолын аюул заналхийлсэн, гэхдээ болзолгүйгээр зайлсхийсэн.

Анхны жинхэнэ үнэмшилтэй эсрэг аргументыг квант механик үүссэний дараахан гаргасан. Ойртож буй молекулуудыг ангилахын тулд чөтгөр тэдний хурдыг хэмжих шаардлагатай боловч Гейзенбергийн тодорхойгүй байдлын зарчмын улмаас үүнийг хангалттай нарийвчлалтайгаар хийж чадахгүй. Үүнээс гадна, ижил зарчмын улмаас тэрээр орон зай дахь молекулын байршлыг нарийн тодорхойлж чадахгүй бөгөөд микроскопийн хаалгыг онгойлгож буй зарим молекулууд хаалгыг алдах болно. Өөрөөр хэлбэл Максвеллийн чөтгөр өөрийн гэсэн хуулийн дагуу амьдардаг бичил сансарын хятад дэлгүүрт макроскопийн бух болж хувирдаг. Чөтгөрийг квант механикийн хуулиудад нийцүүлбэл хийн молекулуудыг ялгаж чадахгүй, термодинамикийн хоёр дахь хуульд ямар ч аюул учруулахаа болино.

Чөтгөрийн манаач байх магадлалын эсрэг өөр нэг үндэслэлтэй аргумент компьютерийн эрин үед аль хэдийн гарч ирэв. Максвеллийн чөтгөр нь компьютерийн автоматжуулсан хаалга онгойлгох хяналтын систем гэж бодъё. Энэхүү систем нь ойртож буй молекулуудын хурд, координатын тухай ирж ​​буй мэдээллийг бага багаар боловсруулдаг. Молекулыг дамжуулж эсвэл татгалзсаны дараа систем нь өмнөх захиалгат мэдээллийг дахин тохируулах ёстой бөгөөд энэ нь молекулыг дамжуулах эсвэл татгалзах үед хийн дарааллын үр дүнд энтропи буурсантай тэнцэх хэмжээний энтропийн өсөлттэй тэнцүү юм. компьютерийн чөтгөрийн RAM-аас устгагдсан. Үүнээс гадна компьютер өөрөө халдаг тул хийн камер ба автомат хандалтын системээс бүрдсэн хаалттай систем дэх ийм загварт энтропи буурахгүй, термодинамикийн хоёр дахь хууль хангагдсан болно.

Чөтгөрийн хувьд харамсалтай байна - тэр сайхан дүр байсан.

Термодинамикийн гурав дахь хууль

Үнэмлэхүй тэг гэдэг нь сонирхол татахуйц нэртэй, хуурамч тодорхойлолттой нэг ойлголт юм. Квант механик гарч ирэхээс өмнө үнэмлэхүй тэгийн тодорхойлолт үнэхээр энгийн байсан. Молекулын кинетик онол нь атом ба молекулуудын хөдөлгөөн ба температурын хоорондын статистик хамаарлыг илрүүлж, температурын мөн чанарыг төсөөлөх боломжтой болсон: молекулууд илүү хурдан хөдөлж, температур өндөр байх тусам эсрэгээр. Ийм зурагтай бол температурын доод хязгаар байгааг таахад хэцүү биш бөгөөд үүнд хүрэхэд атом, молекулууд бүрэн хөдөлгөөнийг зогсооно. Үнэмлэхүй тэгийн утга нь -273 ° C байв.

Квант механикийн хүрээнд үнэмлэхүй тэгийн утга өөрчлөгдөөгүй ч атом хэрхэн ажилладаг талаарх бидний ойлголт үндсэндээ өөрчлөгдсөн. Хэрэв атомууд зүгээр л замдаа үхэхээ больсон бол бид тэдний хурд, байршлыг нэгэн зэрэг үнэмлэхүй нарийвчлалтайгаар хэмжих боломжтой болох бөгөөд энэ нь Гейзенбергийн тодорхойгүй байдлын зарчмыг зөрчсөн хэрэг болно. Тиймээс үнэмлэхүй тэг үед ч атом нь долгионы ойлголтыг ашиглавал бага зэрэг бүдэг бадаг, бөөмийн ойлголтыг ашиглавал бага зэрэг хэлбэлзэлтэй мэт харагдах ёстой. Тиймээс бид үнэмлэхүй тэг үед атом бүх хөдөлгөөнийг зогсоодоггүй, зөвхөн гаднаас энерги ялгарах чадваргүй чичиргээний төлөвт ордог (атомын энэ үлдэгдэл энергийг тэг цэгийн энерги гэж нэрлэдэг) гэж хэлэх ёстой. Макроскопийн үүднээс авч үзвэл эцсийн үр дүн нь өөрчлөгдөөгүй хэвээр байна: бодисын боломжит температурын хамгийн бага утга байгаа бөгөөд энэ нь -273 ° C хэвээр байна.

Үнэн хэрэгтээ тэг цэгийн энерги байгаа нь квант онолын маш сонирхолтой цэгийг харуулж байна. Температур үнэмлэхүй тэг рүү ойртох тусам материйн долгионы шинж чанар (Шредингерийн тэгшитгэлийг үзнэ үү) илүү тодорхой бөгөөд чухал болж, атом нь билльярдын бөмбөг шиг ажилладаг сонгодог механикийн нөлөөнөөс квант механик нөлөө давамгайлж эхэлдэг.

Физикийн үндсэн хуулиудад байдаг цорын ганц температур нь -273 ° C юм. Үүнийг нарийн шинжлэх ухаанд голчлон ашигладаг Келвиний температурын хуваарийг тодорхойлоход ашигладаг. Үнэмлэхүй тэгийг тэг гэж авч, нэгж хуваарийг хуваах нь ердийн Цельсийн хуваарь дээр 1 ° -тай тэнцүү байна. Ийнхүү Келвиний хуваарь дээр үнэмлэхүй тэг нь 0 К, усны хөлдөх цэг 273 К, өрөөний температур ойролцоогоор 300 К байна.

Термодинамикийн гурав дахь хууль нь үнэмлэхүй тэг хүрэх боломжгүй гэдгийг энгийнээр заасан бөгөөд энэ нь гэрлийн хурдтай төстэй юм: материаллаг бие нь хүссэнээрээ ойртож чаддаг боловч хэзээ ч хүрч чаддаггүй. Үнэн хэрэгтээ систем үнэмлэхүй тэг температурт ойртох тусам түүнийг хөргөхөд илүү их ажил зарцуулах шаардлагатай болдог. Үнэн хэрэгтээ лабораторийн нөхцөлд эрдэмтэд тэгтэй маш ойрхон температурыг олж авч чадсан. Өнөөдөр бараг бүх криоген лабораторид үнэмлэхүй тэгээс тэрбумын нэг хүртэлх температурыг олж авах боломжтой.

Материаллаг биеийн температурыг бууруулах маш олон арга байдаг. Та түүний гадаргуугаас шингэнийг ууршуулж болно, энэ нь биеэс дулааныг зайлуулах болно - ийм учраас хүмүүс халуунд хөлрдөг. Та өндөр даралтын дор байсан хийг хурдан тэлэх боломжтой тул агуулгыг удаан хугацаагаар гаргахад аэрозоль хөрнө. Үүнтэй төстэй аргуудыг ашиглан эрдэмтэд температурыг үнэмлэхүй тэгээс хэд хэдэн градусын түвшинд хүргэдэг. Гэсэн хэдий ч үнэхээр хэт бага температурыг олж авахын тулд та бодисын цөөн тооны атомыг хүчтэй электростатик болон соронзон орон дээр удаан хугацаагаар байлгах хэрэгтэй. Үүний дараа түдгэлзүүлсэн атомуудыг тодорхой долгионы урттай лазер туяагаар эмчилдэг бөгөөд энэ нь эхлээд атомуудыг өдөөгдсөн электронуудын үлдсэн энергийг гэрлийн квант хэлбэрээр ялгаруулж, дараа нь атомуудыг шүршиж байгаа мэт салгахад хүргэдэг. аэрозолийн сав. Өнөөдөр хэд хэдэн нанокельвины дарааллын температурыг яг ийм байдлаар олж авдаг (1nK = 10-9 K). Гэсэн хэдий ч манай технологийн хөгжил хэчнээн хол явсан ч бид үнэмлэхүй тэгийн саадыг давахгүй, бүр хүрэхгүй гэдгийг термодинамикийн гуравдугаар хууль хэлж байна.

Хошин шогийн мэдрэмжтэй нэгэн физикч термодинамикийн гурван зарчмын талаархи өөрийн томъёололыг өгсөн.

Термодинамикийн анхны хууль: Та ялж чадахгүй.

Термодинамикийн хоёр дахь хууль: Та зурж чадахгүй.

Термодинамикийн гуравдахь хууль: Тэд чамайг тоглохыг ч зөвшөөрөхгүй.

Өнөө үед хүмүүс орчин үеийн соёл иргэншлийг бүхэлд нь хадгалахын тулд хичнээн их энерги (өөрөөр хэлбэл ажил хийх чадвар) шаардлагатайг маш сайн мэддэг. Төрөл бүрийн бараа бүтээгдэхүүн үйлдвэрлэх, хүн, материалыг зөөвөрлөх, амьдрах болон ажлын байрыг халаах, түүнчлэн бусад олон чухал ач холбогдол багатай зүйлүүдэд эрчим хүч хэрэгтэй. Амьд эсийн бичил ертөнц ч мөн адил эрчим хүч шаарддаг. Амьд эсэд шинэ бодисууд тасралтгүй нийлэгжиж, хөдөлгөөнтэй холбоотой механик ажил хийгдэж, бодис тээвэрлэгдэж, дулаан үүсдэг. Олон тэрбум жилийн хувьслын явцад эсүүд эрчим хүчийг хүний ​​гараар бүтээгдсэн ихэнх машинуудаас илүү хэмнэлттэй, илүү үр ашигтай ашиглаж сурсан. Үнэн хэрэгтээ бид одоо амьд эсийг загвар болгон харж байгаа бөгөөд үүний тусламжтайгаар бид эрчим хүч хувиргах, ялангуяа нарны энергийг авах шинэ, илүү дэвшилтэт төхөөрөмжүүдийг бий болгох ёстой.

Амьд эсэд энергийг хувиргах, ашиглахтай холбоотой биохимийн салбарыг биоэнерги гэж нэрлэдэг. Бид термодинамикийн хэд хэдэн үндсэн зарчмуудыг авч үзэх замаар энэ бүлгийг эхлүүлэх болно. энергийн өөрчлөлтийг судалдаг физикийн салбар. Үүний дараа бид ATP системд хандаж, энерги ялгардаг катаболик урвалаас эсийн энергийг шаардлагатай эсийн процесс руу шилжүүлэхэд хэрхэн тусалдаг болохыг олж мэдэх болно.

14.1. Термодинамикийн нэг ба хоёрдугаар хуулиуд

Эрчим хүчийг бидэнд янз бүрийн хэлбэрээр мэддэг; Бид цахилгаан, механик. химийн, дулааны болон гэрлийн энерги. Эрчим хүч нэг хэлбэрээс нөгөөд шилжиж болно гэдгийг бид бас мэднэ. Ийнхүү цахилгаан моторт цахилгаан энергийг механик энергид, батарейнд химийн энергийг цахилгаан энергид, уурын турбинд дулааныг механик энерги болгон хувиргадаг. Төрөл бүрийн энергийн хэлбэрүүд нь тодорхой тоон харьцаагаар бие биетэйгээ холбоотой байдаг; жишээлбэл, 1 кал дулааны энерги нь онолын хувьд механик энергитэй тохирч байна.

Гэхдээ энерги нь нэг хэлбэрээс нөгөө хэлбэрт шилжих нь тодорхой хэмжээний алдагдал дагалддаг гэдгийг мэддэг. Цахилгаан эрчим хүчийг механик энерги болгон хувиргадаг цахилгаан мотор нь үрэлтийн нөлөөгөөр энергийн нэг хэсэг нь дулаан болж хувирч, эргэн тойрны орон зайд тархаж, цаашид ашиглах боломжгүй болдог тул зарцуулсан эрчим хүчээ үргэлж бага ашигтай энерги үйлдвэрлэдэг. Бараг энергийг ажил үйлдвэрлэхэд ашиглах эсвэл нэг хэлбэрээс нөгөө хэлбэрт шилжүүлэх үед зарим нэг ашигтай энерги алдагддаг. Олон машинд зарцуулсан эрчим хүчний 25-аас бага хувийг ашигтай ажилд зарцуулдаг.

Физикч, химич нарын хийсэн энергийн янз бүрийн хэлбэрүүдийн харилцан хувиргалтын талаархи олон тооны судалгаанууд нь термодинамикийн хоёр үндсэн хуулийг томъёолох боломжийг олгосон. Бид энд тэдний мөн чанарыг хамгийн энгийн бөгөөд хүртээмжтэй хэлбэрээр танилцуулахыг хичээх болно.

А. Анхны хууль

Физик болон химийн аливаа өөрчлөлтөд орчлон ертөнцийн нийт энергийн хэмжээ тогтмол хэвээр байна.

Эхний хууль нь энерги хадгалагдах хууль юм; Үүнийг ингэж томъёолж болно: энерги гарч ирэхгүй, алга болдоггүй. Эрчим хүчийг ажил хийхэд ашиглах эсвэл нэг хэлбэрээс нөгөө хэлбэрт шилжүүлэх үед нийт энергийн хэмжээ ижил хэвээр байна.

б. Хоёрдугаар хууль

Физик болон химийн бүх үйл явц нь ашигтай энергийг эмх замбараагүй, эмх замбараагүй хэлбэрт эргэлт буцалтгүй шилжүүлэх чиглэлд явагддаг. Ийм шилжилтийн хэмжигдэхүүн нь энтропи гэж нэрлэгддэг хэмжигдэхүүн юм. Өгөгдсөн нөхцөлд энтропи хамгийн их боломжтой байх тэнцвэрт байдал үүсэх үед процесс зогсдог.

Энэхүү хялбаршуулсан, хийсвэр томъёолол нь тодорхой тайлбар шаарддаг. Юуны өмнө "ашигтай энерги", "энтропи" гэсэн ойлголтыг илүү нарийн тодорхойлох шаардлагатай. Ашигтай энерги нь 2 төрөл байдаг: 1) тогтмол температур, тогтмол даралттай үед ажил үүсгэх боломжтой чөлөөт энерги, 2) температур, даралт өөрчлөгдөх үед л ажил үүсгэж болох дулааны энерги. Энтропи нь тухайн систем дэх эмх замбараагүй (зарим утгаараа ашиггүй) энергийн тоон шинж чанар буюу хэмжүүр юм. Энтропи гэсэн ойлголтыг хатуу тодорхойлох нь "эмх замбараагүй байдал" гэсэн ойлголтыг математикийн үүднээс авч үзэхийг шаарддаг. Энд ийм боломж байхгүй тул бид хэд хэдэн энгийн жишээнүүдийг ашиглан энтропийн ойлголтыг чанарын хувьд тодорхойлохыг хичээх болно (Хавсралт 14.1).

Нэмэлт 14-1. Энтропийн тухай ойлголт

"Дотоод өөрчлөлт" эсвэл "дотоод хувиралт" гэсэн утгатай "энтропи" гэсэн нэр томъёог анх 1851 онд Германы физикч Рудольф Клаузиус зохиож, термодинамикийн хоёрдугаар хуулийн анхны томьёоллын нэг гэж нэрлэжээ. Энтропийн хатуу тоон тайлбарыг статистик болон магадлалын үзэл баримтлалын үндсэн дээр өгч болно. Энэхүү ойлголтын чанарын утгыг гурван жишээгээр дүрсэлж болох бөгөөд тус бүр нь энтропийн тодорхой талыг тодорхойлдог. Энтропитэй үргэлж холбоотой байдаг гол зүйл бол янз бүрийн тохиолдолд янз бүрийн хэлбэрээр илэрч болох системийн эмгэг юм.

Тохиолдол 1: Данх ба дулаан ялгаруулалт. Буцалсан усаар гаргаж авсан уур нь ашигтай ажил хийж чаддаг гэдгийг мэддэг. Данх дахь усны температур (жишээ нь "системд") 100 хэмд хүрмэгц бид галыг унтрааж, гал тогооны өрөөнд (жишээ нь: өрөөнд) хөргөнө гэж төсөөлөөд үз дээ. "хүрээлэн буй орчин"). Энэ тохиолдолд ямар ч ажил хийхгүй. Үүний оронд дулаан нь данхнаас хүрээлэн буй орчин руу урсаж, хүрээлэн буй орчны температурыг (жишээлбэл, гал тогооны өрөө) аажмаар нэмэгдүүлж, эцэст нь бүрэн дулааны тэнцвэрт байдалд хүрэх болно. Энэ мөчид манай данх болон гал тогооны бүх хэсгүүд бараг ижил температуртай байх болно.

Данхыг 100С хүртэл халаасан усаар дүүргэхэд хуримтлагдсан, ажил үүсгэж болох чөлөөт энерги алга болсон. Данхыг хөргөсний дараа ижил хэмжээний дулааны энерги "данх + гал тогоо" системд (жишээлбэл, "Орчлон") үлдсэн боловч системийн өөр өөр хэсгүүдийн хооронд санамсаргүй байдлаар, өөрөөр хэлбэл жигд хуваарилагдсан. Гал тогооны өрөөний температурын зөрүү байхгүй тул энэ энерги байхгүй бөгөөд ажил хийх боломжгүй болно. Түүгээр ч барахгүй данхны хөргөлтөөс болж гал тогооны өрөөнд ("орчинд") энтропи нэмэгдэх нь эргэлт буцалтгүй юм. Үнэн хэрэгтээ, өдөр тутмын туршлагаас харахад дулаан хэзээ ч аяндаа буцаж, өөрөөр хэлбэл гал тогооны өрөөнөөс хөргөсөн данх руу шилжиж, доторх усыг 100 хэм хүртэл халаахгүй гэдгийг бид сайн мэднэ.

Тохиолдол 2. Глюкозын исэлдэлт. Энтропи нь зөвхөн энерги төдийгүй бодисын төлөв байдлыг тодорхойлдог. Аэробик организмууд хүрээлэн буй орчноос авдаг глюкозоос чөлөөт энерги гаргаж авдаг. Энэ энергийг олж авахын тулд тэд глюкозыг хүрээлэн буй орчноос ирж буй молекулын хүчилтөрөгчөөр исэлдүүлдэг. Глюкозын исэлдэлтийн бодисын солилцооны эцсийн бүтээгдэхүүн болох CO нь хүрээлэн буй орчинд буцаж ирдэг. Энэ процессын явцад хүрээлэн буй орчны энтропи ихсэх боловч организм өөрөө хөдөлгөөнгүй байдалд үлдэж, түүний дотоод дэг журмын зэрэг өөрчлөгддөггүй. Энэ тохиолдолд энтропийн өсөлт нь зарим талаараа дулааны алдагдалтай холбоотой боловч амьд организм дахь глюкозын исэлдэлтийн ерөнхий тэгшитгэлээр харуулсан өөр төрлийн эмх замбараагүй байдал энд үүсдэг. Схемийн хувьд энэ үйл явцыг дараах байдлаар дүрсэлж болно.

Өмнө нь нэг глюкоз молекул ба хүчилтөрөгчийн зургаан молекулын нэг хэсэг байсан атомууд, өөрөөр хэлбэл нийт долоон молекулыг бүрдүүлдэг атомууд урвалын үр дүнд илүү жигд тархсан, учир нь одоо долоон молекулаас арван хоёр молекул үүссэн.

Химийн урвалын үр дүнд молекулуудын тоо ихсэх эсвэл глюкоз зэрэг хатуу бодис шингэн эсвэл хийн бүтээгдэхүүн болж хувирах үед молекулууд нь илүү чөлөөтэй, орон зайд илүү хялбар хөдөлдөг. хатуу бодистой харьцуулахад молекулын эмгэгийн зэрэг нэмэгдэж, улмаар энтропи нэмэгддэг.

Тохиолдол 3. Мэдээлэл ба энтропи. Шекспирийн "Юлий Цезарь" зохиолд (IV үйлдэл, 3-р үзэгдэл) Марк Антони армитайгаа түүн рүү явж байгааг мэдээд Брут дараах үгсийг хэлжээ.

Эрчүүдийн асуудалд урсгал бий.

Үерийн үед авсан нь аз руу хөтөлдөг;

Тэдний амьдралын бүх аялалыг орхигдуулсан

Гүехэн газар, зовлон зүдгүүрт хүлэгдсэн.

Бидний өмнө англи цагаан толгойн үсгийг ашиглан бичсэн мэдээллээр баялаг мессеж байна; Тэдгээрийн нийт 125 нь шууд утгаас гадна өөр нэг далд утгатай байдаг. Эдгээр нь жүжгийн үйл явдлын нарийн төвөгтэй дарааллыг төдийгүй ашиг сонирхлын зөрчил, амбиц, эрх мэдлийн төлөөх хүсэл эрмэлзлийн талаархи зохиогчийн бодлыг тусгасан болно. Шекспир хүний ​​мөн чанарыг гүн гүнзгий ухаарсаныг мэдрэх болно. Тиймээс тэдгээрт агуулагдах мэдээллийн хэмжээ маш их байна.

Одоо энэ ишлэлийг бүрдүүлдэг 125 үсэг нь энд зурагт үзүүлсэн шиг бүрэн эмх замбараагүй тархсан байна гэж төсөөлөөд үз дээ.

Бүхэл бүтэн утга санаа алдагдсан. Энэ хэлбэрээр эдгээр 125 үсэг нь бараг ямар ч мэдээлэл агуулдаггүй боловч тэдний энтропи маш өндөр байдаг. Үүнээс үзэхэд мэдээлэл бол энергийн нэг хэлбэр юм; Үүнийг заримдаа "сөрөг энтропи" гэж нэрлэдэг. Үнэн хэрэгтээ мэдээллийн онол, i.e. Компьютерийн програмын логикийг үндэслэдэг математикийн салбар нь термодинамик онолтой маш нягт холбоотой байдаг. Амьд организмууд нь асар их хэмжээний мэдээлэл агуулсан, улмаар энтропи муутай өндөр эмх цэгцтэй бүтэц юм.

Энэ хууль, ялангуяа биологийн системд хэрхэн ажилладагийг ойлгохын тулд хоёр дахь хуулийн өөр нэг тал бий. Эхлээд урвалын системийн тухай ойлголтыг танилцуулъя, энэ нь өгөгдсөн химийн болон физик үйл явц үүсэхийг баталгаажуулдаг бодисын багцыг хэлнэ.

Ийм систем нь жишээлбэл, амьтны организм, нэг эс эсвэл өөр хоорондоо урвалд ордог хоёр нэгдэл байж болно. Дараа нь бид урвалын систем энерги солилцох орчны тухай ойлголтыг танилцуулах ёстой. Урвалын систем ба хүрээлэн буй орчны нийлбэр нь бидний "Орчлон ертөнц" (Зураг 14-1) гэж нэрлэгддэг зүйлийг бүрдүүлдэг бөгөөд ерөнхийдөө дэлхийн бөмбөрцөг, сансар огторгуйг багтаадаг.

Цагаан будаа. 14-1 Урвалын систем ба орчны бүдүүвч зураг. Тогтмол температур, тогтмол даралттай үед тохиолддог урвалын хувьд систем ба хүрээлэн буй орчны хооронд энерги солилцох боломжтой боловч ийм солилцоо нь термодинамикийн хуулиудын дагуу явагдах ёстой. Эхнийх нь "Орчлон ертөнц" (систем + орчин) дахь нийт энергийн хэмжээ тогтмол хэвээр байна гэж заасан. Хоёрдахь хуулийн дагуу системд физик, химийн өөрчлөлт гарахад орчлон ертөнцийн энтропи нэмэгддэг; Үүний зэрэгцээ урвалын системийн чөлөөт энерги буурдаг. Эдгээр өөрчлөлтүүдтэй зэрэгцэн дулааныг системээс хүрээлэн буй орчинд эсвэл хүрээлэн буй орчноос системд шилжүүлж болох бөгөөд энэ нь харилцаанаас дараах байдалтай байна.

Мэдээжийн хэрэг зарим химийн болон физик процессууд нь хүрээлэн буй орчинтой эрчим хүч солилцох чадваргүй хаалттай системд тохиолдож болно. Гэсэн хэдий ч бодит ертөнцөд, ялангуяа биологийн ертөнцөд химийн болон физикийн процесс явагддаг системүүд хүрээлэн буй орчинтой энерги солилцдог. Эрчим хүчний солилцоонд систем ба хүрээлэн буй орчны ялгаа хэр чухал болохыг бид удахгүй харах болно.

Тогтмол температур, тогтмол даралттай үед явагдах химийн урвал дахь чөлөөт энерги, дулаан, энтропийн өөрчлөлт, i.e. Биологийн системийн онцлог шинж чанарын нөхцөлд дараахь тэгшитгэлээр бие биетэйгээ тоон харьцаатай байна.

(1)

урвалын системийн чөлөөт энергийн өөрчлөлт хаана байна, түүний дулааны агууламжийн өөрчлөлт эсвэл энтальпи (Грек хэлнээс "энтальпо" - би халаана). T нь энэ процесс явагдах үнэмлэхүй температур бөгөөд энэ урвалын системийг багтаасан "Орчлон ертөнц"-ийн энтропийн өөрчлөлт юм. Химийн урвал тэнцвэрт байдалд ойртох тусам Орчлон ертөнцийн энтропи (систем + орчин) нэмэгддэг. Тиймээс бодит ертөнц дэх хэмжигдэхүүн үргэлж эерэг утгатай байдаг. Зарчмын хувьд зарим идеал системд урвал энтропи нэмэгдэхгүйгээр үргэлжилж болно. Аливаа урвалын үед орчлон ертөнцийн энтропи нэмэгдэх нь тэгшитгэлийн (1) дагуу байх ёстой. урвалын системийн чөлөөт энергийн бууралттай тохирч байна. Тиймээс урвалын системийн хэмжээ үргэлж сөрөг утгатай байдаг. Энтальпийн өөрчлөлтийг AN гэдэг нь тухайн урвалын систем нь тогтмол температур, тогтмол даралттай орчинд хүрээлэн буй орчноос өгч буй дулааны хэмжээ юм. Хэрэв урвалын систем дулаанаа алдвал (өөрөөр хэлбэл бууж өгвөл) утга нь сөрөг утгатай байна; хэрэв систем хүрээлэн буй орчноос дулааныг хүлээн авбал энэ нь эерэг утгаар илэрхийлэгдэнэ.

Биологийн системүүдийн хувьд энтропийн өөрчлөлтийн өөр нэг чухал шинж чанар нь чухал юм. Термодинамикийн хоёр дахь хуулийн дагуу химийн урвал эсвэл физик процессын үед орчлон ертөнцийн энтропи нэмэгддэг. Гэхдээ энэ хуулиас харахад энтропийн өсөлт нь урвалын системд заавал байх ёстой гэсэн үг биш юм; Энэ нь орчлон ертөнцийн өөр аль ч хэсэгт тохиолдож болно. Амьд организмд бодисын солилцооны үйл явц, өөрөөр хэлбэл хүнсний бодисууд нь тэдгээрийн дотор ордог өөрчлөлтүүд нь организмын дотоод эмгэг, энтропи нэмэгдэхэд хүргэдэггүй. Ялаа ч бай, заан ч бай (бидний ойлголтоор бол “систем”) аливаа организм амьдралын бүхий л үйл явцын явцад өөрийн өвөрмөц цогц, эмх цэгцтэй бүтцийг хадгалан үлддэгийг өдөр тутмын ажиглалтаас бид мэднэ. Амьдралын чухал үйл явцын үр дүнд энтропи нь амьд организмын өөрөө биш, харин хүрээлэн буй орчны хувьд нэмэгддэг. Амьд организмууд нь хүрээлэн буй орчноос шим тэжээл (эсвэл нарны гэрэл) хэлбэрээр чөлөөт энергийг хүлээн авч, ижил хэмжээний энергийг ашиг тус багатай хэлбэрээр, голчлон дулаан хэлбэрээр буцааж өгөх замаар дотоод дэг журмыг сахиж, үлдсэн хугацаанд тархдаг. орчлон ертөнц.

Эцэст нь хэлэхэд энтропи өөрөө ихсэх буюу эмх замбараагүй байдлын зэрэг нэмэгдэх нь бүрэн ашиггүй гэж үзэж болохгүй гэдгийг онцлон тэмдэглэх нь зүйтэй. Биологийн үйл явцын үед орчлон ертөнцийн энтропийн өсөлт нь эргэлт буцалтгүй байдаг тул энэ нь хөдөлгөгч хүчийг бий болгож, биологийн бүх төрлийн үйл ажиллагааны чиглэлийг тогтоодог. Амьд организмууд хүрээлэн буй орчиндоо энтропийг байнга нэмэгдүүлдэг бөгөөд үүгээрээ орчлон ертөнц тэдний дотоод дэг журмыг сахиулах төлбөрийг төлдөг.

Энд янз бүрийн хэлбэрийн энергийн өөрчлөлтийн боломжит хэмжээний талаар ойлголттой болохын тулд эсэд тохиолддог тодорхой химийн урвалуудыг авч үзэх нь зүйтэй болов уу. Аэробик эсүүдэд глюкоз нь тогтмол температур, тогтмол даралтанд исэлддэг

Хэрэв бид энэ урвал нь стандарт нөхцөлд явагддаг гэж үзвэл термодинамик тооцооллын хувьд энэ нь температур 25 С буюу 298 К, ​​даралт нь 1 атм (760 мм м.у.б) байна гэсэн үг бол исэлдсэн глюкозын 1 моль тутамд

Глюкозын исэлдэлтийг дагалддаг молекулын эмгэг буюу энтропийн зэрэг нэмэгдэхийг Хавсралт 14.1-д өгсөн жишээг ашиглан маш тодорхой дүрсэлж болно.

Гурав дахь хууль буюу термодинамикийн гуравдугаар хуулийг Нернстийн зарчим гэж бас нэрлэдэг.

Термодинамикийн хоёрдахь хууль нь энтропийн утгыг бус харин зөвхөн түүний өөрчлөлтийг тодорхойлох боломжийг олгодог.

dS = δQ/T .

Гэхдээ энтропийн үнэмлэхүй утгыг термодинамикийн гуравдугаар хуулийг ашиглан тооцоолж болно. Энэ хуулийг зөвхөн термодинамик системийн тэнцвэрт байдалд хэрэглэж болно гэдгийг санах нь зүйтэй.

Термодинамикийн гурав дахь хуулийг дараах байдлаар томъёолсон болно. Үнэмлэхүй тэг температурт энтропийн өсөлт нь системийн тэнцвэрийн төлөв байдлаас үл хамааран хязгаарлагдмал хязгаарт хүрэх хандлагатай байдаг.».

Энд x нь системийн аливаа термодинамик параметр (даралт, эзэлхүүн гэх мэт).

Нернстийн теорем

Уолтер Херман Нернст

1906 онд Германы химич Вальтер Херман Нернст термодинамикийн гуравдахь хуулийн томъёололыг нийтэлсэн бөгөөд үүнийг Нернстийн теорем гэж нэрлэдэг. Тэр үүнийг мэдэгдсэн абсолют тэгтэй тэнцүү температурт химийн нэг төрлийн биеийн энтропи мөн тэг байна.

Аливаа тэнцвэрийн термодинамик системийн энтропи T = 0 гэж тэмдэглэсэн S 0 . Эрдэмтэд хэзээ гэдгийг хүлээн зөвшөөрсөн T = 0 С 0 нь мөн тэг юм.

Нернстийн теоремын дагуу " Температур нь үнэмлэхүй тэг рүү (T → 0) хүрэх хандлагатай байдаг тул аливаа тэнцвэрт термодинамик системийн энтропи нь системийн төлөвийн параметрүүдээс (даралт, эзэлхүүн гэх мэт) үл хамаарах тодорхой хязгаарлагдмал хязгаар S 0 руу чиглэдэг бөгөөд үүнийг авч болно. тэгтэй тэнцүү" Энэ жор нь цорын ганц биш юм. Тэдгээрийн хэд хэдэн нь байдаг. Гэхдээ бүгдийн утга нь адилхан: " абсолют тэг температурт аливаа биеийн энтропи мөн тэг байна».

Хэрэв термодинамик систем үнэмлэхүй тэгтэй ойролцоо температурт нэг төлөвөөс нөгөөд шилжвэл энтропи өөрчлөгддөггүй гэж үздэг.

Планкийн тодорхойлолт

Макс Планк

1911 онд Германы онолын физикч Макс Планк термодинамикийн гурав дахь хуулийн тодорхойлолтыг өгсөн: "Температур нь абсолют тэг рүү чиглэхийн хэрээр бүх биеийн энтропи нь тэг болох хандлагатай байдаг."

Планкийн томъёонд энтропийг термодинамик магадлалаар тооцдог В .

S = k lnW

Үнэмлэхүй тэг температурт термодинамик систем нь квант механик төлөвт байдаг бөгөөд үүнийг нэг микро төлөвөөр дүрсэлж болно. Энэ тохиолдолд W = 1. S 0 = k · ln1=0 .

Тиймээс термодинамик системийн энтропи нь тэг байна T = 0 . Энэ төлөвийг анхных гэж үзье. Одоо бид термодинамик системийн өөр аль ч цэг дэх энтропийг тооцоолж болно. Учир нь S 0 = 0 , тэгвэл системийн өөр аль ч цэг дэх энтропи нь түүний үнэмлэхүй утгатай тэнцүү байх болно.

Термодинамик системийг үнэмлэхүй тэг хүртэл хөргөхийн тулд дулааныг зайлуулж, системийн температурыг бууруулах шаардлагатай. Изотермийн процессын үр дүнд дулааныг арилгаж, температур нь адиабатаар буурдаг. Тиймээс эдгээр процессуудыг ээлжлэн хийх хэрэгтэй. Харин дулааныг арилгавал энтропи өөрчлөгдөнө. Нернстийн теоремоор энтропи нь өөрчлөгддөг T → 0 тохиолддоггүй. Тиймээс үнэмлэхүй тэгт хүрэх боломжгүй юм. Та зөвхөн түүнтэй ойртож чадна.

Нернстийн теорем нь математикийн хувьд нотлогдохгүй ч түүний үнэн зөв нь олон туршилтаар батлагдсан.

Эрчим хүч ба түүний өөрчлөлтүүд нь шинжлэх ухааны ертөнцийн хамгийн сонирхолтой асуудлуудын нэг байсаар ирсэн. Эрчим хүч хадгалагдах хуулийг нээсэнтэй зэрэгцэн термодинамикийн судалгаанд төгсгөлгүй сонирхол гарч ирэв. термодинамикийн хуулиуд. Үзэл баримтлал нь өөрөө термодинамикдулааны процессын онолыг тоон тайлбараар илэрхийлдэг. Термодинамикийг молекул физикийн нэг хэсэг гэж үздэг ч үйл явцыг макроскоп үзэгдлийн түвшинд өргөн хүрээнд авч үздэг. Янз бүрийн масштабын ирмэг дээр үйл явцыг судлах нь янз бүрийн үйл явцыг илүү сайн ойлгож, тайлбарлах боломжийг олгодог тул өөр өөр аргууд нь байр сууриа эзэлдэг.

Термодинамикийн судлах үндсэн ойлголт нь эрчим хүч, гол үйл явц нь түүний хувиргалт ба дамжуулах арга юм. Ихэнх үйл явц нь дулаан ялгарах үед явагддаг бөгөөд үүн дээр үндэслэн анхааралдаа авах шаардлагатай өөр нэг параметр гарч ирдэг. температур. Орчин үеийн шинжлэх ухааны термодинамикэрт дээр үеэс гарч ирсэн, цаг хугацаа болон янз бүрийн эрдэмтдийн мэдэгдлүүдийн аль алинд нь батлагдсан постулатууд дээр үндэслэсэн. Термодинамикийн янз бүрийн хуулиудыг алдартай физикчид тодорхой томъёололд дурдсан байдаг. Хангалттай судалж, янз бүрийн хэллэгээр батлагдсан эдгээр мэдэгдлүүд нь термодинамикийн хууль болжээ.

Нийт байгаа термодинамикийн гурван хууль , тэдгээрийн заримыг хэд хэдэн тайлбараар мэддэг. Үзэл баримтлал хуульЭнэ нь тухайн үзэгдэл тодорхой тогтмол, нөхцөл байдалд мэдэгдэхүйц өөрчлөлтгүйгээр явагддаг гэсэн үг юм. Термодинамик ажиглалтыг ямар ч төлөвт байгаа аливаа бодист хэрэглэж болно. Тодорхой үзүүлэлтүүд нь түүний шинж чанараас хамаарах тул тухайн бодисын шинж чанар нь мэдэгдэхгүй байх үед ерөнхийлөлт нь илүү саад болдог нь үнэн. Энэ нь бие даасан үйл явцыг судлах термодинамикийн аргын цорын ганц ноцтой сул тал юм. Сул тал нь тухайн бодисын талаарх бүх мэдээллийг судлахад илүү их цаг зарцуулах шаардлагатай болдог.

Термодинамикийн хуулиуд: Термодинамикийн нэг, хоёр, гуравдугаар хууль

Термодинамикийн анхны хууль томъёолсон M.V. Ломоносов: Эрчим хүч хаана ч алга болдоггүй, алга болдоггүй, зүгээр л нэг төлөвөөс нөгөөд шилждэг. (Хууль гэж бас нэрлэдэг "Эрчим хүч хэмнэх хууль").

Термодинамикийн хоёр дахь хууль Больцманн, Клаузиус, Томсон, Келвин гэсэн хэд хэдэн тайлбараар алдартай. Эхний томъёолол нь Клаусиуст хамаарах тул эхлээд үүнийг хэлэх шаардлагатай. Аливаа хүйтэн бие нь илүү өндөр температуртай өөр биед дулааныг дамжуулах чадваргүй байдаг .

Томсон хэлэхдээ: "Хэрэв өөр биеийн дулааныг гүйцэтгэхэд шаардлагатай бол ямар ч процесс боломжгүй гэж үзэж болно." .

Больцманы хэлснээр: "Эрчим хүчийг тодорхой хэмжээний дулаан болгон хувиргаж болно, гэхдээ зөвхөн нэг чиглэлд, учир нь эсрэг чиглэлд бид зөвхөн хэсэгчилсэн өөрчлөлтийн тухай ярьж байна." .

Келвин үүнд итгэдэг: "Тодорхой биетийн дулааны хэрэглээг харгалзан давтагдах ёстой процессууд нь гадны биетийн дулааныг ашиглах зарчимд суурилсан дулааны хөдөлгүүрийг бий болгох боломжгүй юм."

Термодинамикийн гурав дахь хууль гэж бас нэрлэдэг Нернстийн теорем, Больцманн термодинамикийн хоёр дахь хуулийг томъёолохдоо дурдсан энтропийн ижил төлөвийг хэлнэ. "Систем дэх температурын өөрчлөлт тэг рүү чиглэсэн тохиолдолд энтропийн төлөв хязгаарт хүрэх хандлагатай байна. Энэ нь энтропи нь төлөвийн бусад параметрүүдээс хамаарахаа больсонтой холбоотой юм."

Термодинамикийн хуулиуд ба тэдгээрийн практик хэрэглээ

Термодинамик нь шинжлэх ухаан, өдөр тутмын амьдралын янз бүрийн салбарт онцгой үүрэг гүйцэтгэдэг. Түүний хууль тогтоомж, дүрмийг дулааны инженерчлэл, эрчим хүч, сансрын судалгаа, биологи, механик инженерчлэл болон бусад олон салбарын асуудлыг шийдвэрлэхэд ашигладаг. Олонд танигдсан, маргаангүй баримтууд байгаа үед шинэ нээлт хийх нь илүү хялбар байдаг. Өнгөрсөн үеийн агуу нээлтүүд ахиц дэвшил гарсан хэдий ч хүн төрөлхтний асуудлыг шийдсээр ирсэн, учир нь эдгээр бүх ололт амжилтгүйгээр үүнийг хийх боломжгүй байсан.