Në ilustrimin në të majtë: protesta e konservatorëve të krishterë kundër ligjit të dytë të termodinamikës. Mbishkrimet në postera: fjala “entropi” e kryqëzuar; "Unë nuk i pranoj parimet bazë të shkencës dhe votës."

LIGJI I DYTË I TERMODINAMIKËS DHE PYETJE TË KRIJIMIT

Në fillim të viteve 2000, një grup konservatorësh të krishterë u mblodhën në shkallët e Kapitolit (Kansas, SHBA) për të kërkuar heqjen e një parimi themelor shkencor - ligjit të dytë të termodinamikës (shih foton majtas). Arsyeja për këtë ishte bindja e tyre se ky ligj fizik bie ndesh me besimin e tyre te Krijuesi, pasi parashikon vdekjen termike të Universit. Piketuesit thanë se nuk duan të jetojnë në një botë që shkon drejt një të ardhmeje të tillë dhe t'ua mësojnë këtë fëmijëve të tyre. Drejtuesi i fushatës kundër ligjit të dytë të termodinamikës nuk është askush tjetër veçse një senator i shtetit të Kansasit, i cili beson se ligji "kërcënon kuptimin e fëmijëve tanë për universin si një botë e krijuar nga një Zot dashamirës dhe i dashur".

Është paradoksale, por në të njëjtat SHBA, një lëvizje tjetër e krishterë - kreacionistët, të udhëhequr nga Duane Gish, president i Institutit për Kërkimin e Krijimit - përkundrazi, jo vetëm që e konsiderojnë ligjin e dytë të termodinamikës shkencore, por edhe i bëjnë thirrje me zell për të. provoni se bota u krijua nga Zoti. Një nga argumentet e tyre kryesore është se jeta nuk mund të lindte spontanisht, pasi gjithçka përreth është e prirur për shkatërrim spontan dhe jo krijimi.

Duke pasur parasysh një kontradiktë kaq të habitshme midis këtyre dy lëvizjeve të krishtera, lind një pyetje logjike - cila prej tyre ka të drejtë? Dhe ka të drejtë dikush?

Në këtë artikull do të shikojmë se ku është e mundur dhe ku është e pamundur të zbatohet ligji i dytë i termodinamikës dhe si lidhet ai me çështjet e besimit te Krijuesi.

Termodinamikaështë një degë e fizikës që studion marrëdhëniet dhe shndërrimet e nxehtësisë dhe formave të tjera të energjisë. Ai bazohet në disa parime themelore të quajtura parime (nganjëherë ligjet) e termodinamikës. Midis tyre, më i famshmi është ndoshta parimi i dytë.

Ligji i dytë i termodinamikës, përveç atij të dhënë më sipër, ka edhe formulime të tjera. Të gjitha debatet rreth krijimit që përmendëm sillen rreth njërës prej tyre. Ky formulim lidhet me konceptin e entropisë, me të cilin do të duhet të njihemi.

Entropia(sipas një përkufizimi) është një tregues i çrregullimit ose kaosit të një sistemi. Me fjalë të thjeshta, sa më shumë kaos të mbretërojë në një sistem, aq më e lartë është entropia e tij. Për sistemet termodinamike, sa më e lartë të jetë entropia, aq më kaotike lëvizja e grimcave materiale që përbëjnë sistemin (për shembull, molekulat).

Me kalimin e kohës, shkencëtarët kuptuan se entropia është një koncept më i gjerë dhe mund të zbatohet jo vetëm në sistemet termodinamike. Në përgjithësi, çdo sistem ka një sasi të caktuar kaosi, i cili mund të ndryshojë - rritet ose ulet. Në këtë rast, është e përshtatshme të flasim për entropinë. Këtu janë disa shembuj:

· Një gotë ujë. Nëse uji ngrin dhe shndërrohet në akull, atëherë molekulat e tij lidhen në një rrjetë kristali. Kjo korrespondon me rendin më të madh (më pak entropi) sesa gjendja kur uji është shkrirë dhe molekulat lëvizin rastësisht. Sidoqoftë, pasi është shkrirë, uji ende ruan një formë - xhami në të cilin ndodhet. Nëse uji avullohet, molekulat lëvizin edhe më intensivisht dhe zënë të gjithë vëllimin që u është dhënë, duke lëvizur edhe më kaotikisht. Kështu, entropia rritet edhe më shumë.

· Sistemi diellor. Ju gjithashtu mund të vëzhgoni rendin dhe çrregullimin në të. Planetët lëvizin në orbitat e tyre me një saktësi të tillë që astronomët mund të parashikojnë pozicionin e tyre në çdo kohë të caktuar mijëra vjet përpara. Megjithatë, ka disa rripa asteroidësh në sistemin diellor që lëvizin në mënyrë më kaotike - ato përplasen, shpërthehen dhe ndonjëherë bien në planetë të tjerë. Sipas kozmologëve, fillimisht i gjithë sistemi diellor (përveç vetë Diellit) ishte i mbushur me asteroidë të tillë, nga të cilët më vonë u formuan planetë të ngurtë dhe këta asteroidë lëviznin edhe më kaotik se tani. Nëse kjo është e vërtetë, atëherë entropia e sistemit diellor (përveç vetë Diellit) ishte fillimisht më e lartë.

· Galaxy. Galaktika përbëhet nga yje që lëvizin rreth qendrës së saj. Por edhe këtu ka një sasi të caktuar çrregullimi: yjet ndonjëherë përplasen, ndryshojnë drejtimin e lëvizjes dhe për shkak të ndikimit të ndërsjellë orbitat e tyre nuk janë ideale, duke ndryshuar në një mënyrë disi kaotike. Pra, në këtë sistem entropia nuk është zero.

· Dhoma e fëmijëve. Ata që kanë fëmijë të vegjël shpesh vëzhgojnë me sytë e tyre rritjen e entropisë. Pasi kanë kryer pastrimin, apartamenti është në rregull. Megjithatë, mjaftojnë disa orë (dhe ndonjëherë më pak) të një ose dy fëmijëve që qëndrojnë aty në gjendje zgjimi, që entropia e këtij apartamenti të rritet ndjeshëm...

Nëse shembulli i fundit ju bëri të buzëqeshni, atëherë me shumë mundësi e kuptoni se çfarë është entropia.

Duke iu rikthyer ligjit të dytë të termodinamikës, le të kujtojmë se, siç thamë, ai ka një formulim tjetër që lidhet me konceptin e entropisë. Tingëllon si kjo: në një sistem të izoluar, entropia nuk mund të ulet. Me fjalë të tjera, në çdo sistem të shkëputur plotësisht nga bota përreth, çrregullimi nuk mund të ulet spontanisht: ai vetëm mund të rritet ose, në raste ekstreme, të mbetet në të njëjtin nivel.

Nëse vendosni një kub akulli në një dhomë të ngrohtë dhe të mbyllur, ai do të shkrihet pas ca kohësh. Megjithatë, pellgu i ujit që rezulton në këtë dhomë nuk do të kthehet kurrë në një kub akulli. Hapni një shishe parfumi atje dhe aroma do të përhapet në të gjithë dhomën. Por asgjë nuk do ta bëjë atë të kthehet në shishe. Ndizni një qiri atje dhe ai do të digjet, por asgjë nuk do ta bëjë tymin të kthehet në një qiri. Të gjitha këto procese karakterizohen nga drejtimi dhe pakthyeshmëria. Arsyeja e një pakthyeshmërie të tillë të proceseve që ndodhin jo vetëm në këtë dhomë, por në të gjithë Universin qëndron pikërisht në ligjin e dytë të termodinamikës.

Megjithatë, ky ligj, me gjithë thjeshtësinë e tij të dukshme, është një nga ligjet më të vështira dhe shpesh të keqkuptuara të fizikës klasike. Fakti është se në formulimin e saj ekziston një fjalë që ndonjëherë i kushtohet vëmendje e pamjaftueshme - kjo është fjala "i izoluar". Sipas ligjit të dytë të termodinamikës, entropia (kaosi) nuk mund të ulet vetëm në sisteme të izoluara. Ky është ligji. Megjithatë, në sistemet e tjera ky nuk është më një ligj, dhe entropia në to mund të rritet ose të ulet.

Çfarë është një sistem i izoluar? Le të shohim se cilat lloje të sistemeve ekzistojnë përgjithësisht nga pikëpamja e termodinamikës:

· Hapur. Këto janë sisteme që shkëmbejnë materien (dhe ndoshta energjinë) me botën e jashtme. Shembull: një makinë (konsumon benzinë, ajër, prodhon nxehtësi).

· Mbyllur. Këto janë sisteme që nuk shkëmbejnë lëndën me botën e jashtme, por mund të shkëmbejnë energji me të. Shembull: anije kozmike (e mbyllur, por thith energjinë diellore duke përdorur panele diellore).

· I izoluar (i mbyllur). Këto janë sisteme që nuk shkëmbejnë as materie as energji me botën e jashtme. Shembull: termos (i mbyllur dhe ruan nxehtësinë).

Siç kemi vërejtur, ligji i dytë i termodinamikës vlen vetëm për të tretën e llojeve të listuara të sistemeve.

Për ta ilustruar, le të kujtojmë një sistem të përbërë nga një dhomë e ngrohtë e mbyllur dhe një copë akulli që shkrihej ndërsa ishte në të. Në rastin ideal, kjo korrespondonte me një sistem të izoluar dhe entropia e tij u rrit. Sidoqoftë, tani le të imagjinojmë se jashtë është shumë acar dhe ne hapëm dritaren. Sistemi u hap: ajri i ftohtë filloi të rrjedhë në dhomë, temperatura në dhomë ra nën zero dhe pjesa jonë e akullit, e cila më parë ishte kthyer në një pellg, ngriu përsëri.

Në jetën reale, një dhomë e mbyllur nuk është një sistem i izoluar, sepse në fakt, qelqi dhe madje edhe tulla lejojnë që nxehtësia të kalojë. Dhe nxehtësia, siç e përmendëm më lart, është gjithashtu një formë energjie. Prandaj, një dhomë e mbyllur nuk është në fakt një dhomë e izoluar, por një sistem i mbyllur. Edhe nëse mbyllim fort të gjitha dritaret dhe dyert, nxehtësia do të largohet gradualisht nga dhoma, do të ngrijë dhe pellgu ynë gjithashtu do të kthehet në akull.

Një shembull tjetër i ngjashëm është një dhomë me frigorifer. Ndërsa ngrirësi është i fikur, temperatura e tij është e njëjtë me temperaturën e dhomës. Por sapo ta ndizni, do të fillojë të ftohet dhe entropia e sistemit do të fillojë të ulet. Kjo bëhet e mundur sepse një sistem i tillë është mbyllur, domethënë konsumon energji nga mjedisi (në këtë rast, elektrike).

Vlen të përmendet se në rastin e parë (një dhomë me një copë akulli), sistemi lëshoi ​​energji në mjedis, dhe në të dytin (një dhomë me frigorifer), përkundrazi, e mori atë. Megjithatë, entropia e të dy sistemeve u ul. Kjo do të thotë që në mënyrë që ligji i dytë i termodinamikës të pushojë së vepruari si një ligj i pandryshueshëm, në rastin e përgjithshëm nuk është i rëndësishëm drejtimi i transferimit të energjisë, por prania e vetë faktit të një transferimi të tillë midis sistemit dhe sistemit dhe bota e jashtme.

SHEMBUJ TË RËLIMIT TË ENTROPISË NË NATYRËN JO GJALËTA. Shembujt e sistemeve të diskutuara më sipër u krijuan nga njeriu. A ka ndonjë shembull të zvogëlimit të entropisë në natyrën e pajetë, pa pjesëmarrjen e mendjes? Po, sa të duash.

Nëse jeni të zgjuar dhe kaloni pak kohë, mund të mbani mend dhe të shkruani mijëra shembuj të ngjashëm. Është e rëndësishme të theksohet se në shumë nga rastet e listuara, një ulje e entropisë nuk është një aksident i izoluar, por një model - tendenca drejt saj është e natyrshme në vetë ndërtimin e sistemeve të tilla. Prandaj, ajo ndodh sa herë që krijohen kushte të përshtatshme dhe mund të vazhdojë për një kohë shumë të gjatë - për sa kohë që ekzistojnë këto kushte. Të gjithë këta shembuj nuk kërkojnë as praninë e mekanizmave komplekse që reduktojnë entropinë, as ndërhyrjen e mendjes.

Natyrisht, nëse sistemi nuk është i izoluar, atëherë nuk është aspak e nevojshme që entropia në të të zvogëlohet. Përkundrazi, përkundrazi, është një rritje e entropisë, domethënë një rritje e kaosit, që ndodh spontanisht më shpesh. Sido që të jetë, ne jemi mësuar që çdo gjë e mbetur pa mbikëqyrje apo kujdes, si rregull, më shumë përkeqësohet dhe bëhet e papërdorshme, sesa përmirësohet. Mund të thuhet madje se kjo është një pronë e caktuar themelore e botës materiale - dëshira për degradim spontan, tendenca e përgjithshme për të rritur entropinë.

Megjithatë, ky nëntitull ka treguar se kjo tendencë e përgjithshme është një ligj vetëm në sisteme të izoluara. Në sistemet e tjera, rritja e entropisë nuk është një ligj - gjithçka varet nga vetitë e një sistemi të veçantë dhe kushtet në të cilat ndodhet. Ligji i dytë i termodinamikës nuk mund të zbatohet për to me përkufizim. Edhe nëse entropia rritet në një nga sistemet e hapura ose të mbyllura, kjo nuk është një përmbushje e ligjit të dytë të termodinamikës, por vetëm një manifestim i tendencës së përgjithshme për të rritur entropinë, e cila është karakteristike për botën materiale në tërësi, por është larg nga absolute.

Kur një vëzhgues entuziast shikon qiellin me yje, si dhe kur një astronom me përvojë e shikon atë përmes një teleskopi, të dy mund të vëzhgojnë jo vetëm bukurinë e tij, por edhe rendin mahnitës që mbretëron në këtë makrokozmos.

Megjithatë, a mund të përdoret ky rend për të vërtetuar se Zoti e krijoi universin? A do të ishte e saktë të përdorej kjo linjë arsyetimi: meqenëse Universi nuk ra në kaos në përputhje me ligjin e dytë të termodinamikës, a vërteton kjo se ai kontrollohet nga Zoti?

Ndoshta jeni mësuar të mendoni se po. Por në fakt, në kundërshtim me besimin popullor, jo. Më saktësisht, në këtë drejtim, është e mundur dhe e nevojshme të përdoren prova paksa të ndryshme, por jo ligji i dytë i termodinamikës.

Së pari, ende nuk është vërtetuar se Universi është një sistem i izoluar. Edhe pse, natyrisht, e kundërta nuk është vërtetuar, megjithatë, nuk është ende e mundur të thuhet pa mëdyshje se ligji i dytë i termodinamikës mund të zbatohet për të në tërësi.

Por le të themi se izolimi i Universit si sistem do të vërtetohet në të ardhmen (kjo është mjaft e mundshme). Çfarë atëherë?

Së dyti, ligji i dytë i termodinamikës nuk thotë se çfarë saktësisht do të mbretërojë në një sistem të caktuar - rend apo kaos. Ligji i dytë thotë se në cilin drejtim do të ndryshojë ky rend ose çrregullim - në një sistem të izoluar, kaosi do të rritet. Dhe në çfarë drejtimi ndryshon rendi në Univers? Nëse flasim për Universin në tërësi, atëherë kaosi po rritet në të (si dhe entropia). Është e rëndësishme këtu që të mos ngatërroni Universin me yjet, galaktikat ose grupimet e tyre individuale. Galaktikat individuale (si Rruga jonë e Qumështit) mund të jenë struktura shumë të qëndrueshme dhe duket se nuk degradojnë fare gjatë shumë miliona viteve. Por ato nuk janë sisteme të izoluara: ato vazhdimisht rrezatojnë energji (të tilla si drita dhe nxehtësia) në hapësirën përreth. Yjet digjen dhe lëshojnë vazhdimisht lëndë ("era diellore") në hapësirën ndëryjore. Falë kësaj, në Univers ndodh një proces i vazhdueshëm i transformimit të lëndës së strukturuar të yjeve dhe galaktikave në energji dhe gaz të shpërndarë në mënyrë kaotike. Çfarë është kjo nëse jo një rritje e entropisë?

Këto procese degradimi, natyrisht, ndodhin me një ritëm shumë të ngadaltë, kështu që ne nuk duket se i ndjejmë ato. Por nëse do të ishim në gjendje t'i vëzhgonim ato me një ritëm shumë të përshpejtuar - le të themi, një trilion herë më shpejt, atëherë një pamje shumë dramatike e lindjes dhe vdekjes së yjeve do të shpalosej para syve tanë. Vlen të kujtohet se brezi i parë i yjeve që ekzistonte që nga fillimi i Universit tashmë ka vdekur. Sipas kozmologëve, planeti ynë përbëhet nga mbetjet e ekzistencës dhe shpërthimit të një ylli dikur të djegur; Si rezultat i shpërthimeve të tilla, formohen të gjithë elementët e rëndë kimikë.

Prandaj, nëse e konsiderojmë Universin si një sistem të izoluar, atëherë ligji i dytë i termodinamikës është i kënaqur përgjithësisht në të, si në të kaluarën ashtu edhe sot. Ky është një nga ligjet e vendosura nga Zoti, dhe për këtë arsye funksionon në Univers në të njëjtën mënyrë si ligjet e tjera fizike.

Pavarësisht nga sa u tha më lart, ka shumë gjëra të mahnitshme në Univers që lidhen me rendin që mbretëron në të, por kjo nuk është për shkak të ligjit të dytë të termodinamikës, por për arsye të tjera.

Kështu, revista Newsweek (botimi i datës 09 nëntor 1998) shqyrtoi se në cilat përfundime na çojnë zbulimet në lidhje me krijimin e Universit. Ai tha se faktet "tregojnë origjinën e energjisë dhe lëvizjes ex nihilo, domethënë nga asgjëja, nga një shpërthim kolosal drite dhe energjie, që është më në përputhje me përshkrimin e [librit biblik] Zanafilla". Vini re se si revista Newsweek shpjegoi ngjashmërinë e lindjes së Universit me përshkrimin biblik të kësaj ngjarjeje.

Kjo revistë shkruan: “Forcat e lëshuara ishin - dhe mbeten - çuditërisht (mrekullisht?) të balancuara: nëse Big Bengu do të kishte qenë pak më pak i dhunshëm, zgjerimi i Universit do të kishte ecur më ngadalë dhe së shpejti (në disa milionë vjet ose në pak minuta - në çdo rast së shpejti) procesi do të kthehej dhe do të ndodhte kolaps. Nëse shpërthimi do të kishte qenë pak më i fortë, Universi mund të kthehej në një "supë të lëngshme" shumë të rrallë dhe formimi i yjeve do të ishte i pamundur. Shanset për ekzistencën tonë ishin fjalë për fjalë astronomike të vogla. Raporti i materies dhe energjisë ndaj vëllimit të hapësirës në Big Bengun duhet të kishte mbetur brenda një kuadriliontë e një për qind të raportit ideal.

Newsweek sugjeroi se ekzistonte Dikush që kontrollonte krijimin e Universit, i cili e dinte: "Hiqni qoftë edhe një shkallë (siç u përmend më lart, marzhi i gabimit ishte një e katërta e një për qind), ... dhe rezultati nuk do të ishte thjesht disharmonia , por entropia dhe akulli i përjetshëm."

Astrofizikani Alan Lightman pranoi: "Që Universi u krijua kaq shumë i organizuar është një mister [për shkencëtarët]." Ai shtoi se "çdo teori kozmologjike që aspiron suksesin do të duhet të shpjegojë përfundimisht këtë mister të entropisë": pse universi nuk ra në kaos. Natyrisht, një probabilitet kaq i ulët i zhvillimit të saktë të ngjarjeve nuk mund të ishte një aksident. (Cituar në Zgjohuni!, 22.6.99, f. 7.)

Siç u përmend më lart, teoritë janë të njohura në mesin e kreacionistëve se ligji i dytë i termodinamikës vërteton pamundësinë e shfaqjes spontane të jetës nga materia e pajetë. Në fund të viteve 1970 - fillimi i viteve 1980, Instituti për Kërkimin e Krijimit botoi një libër mbi këtë temë dhe madje u përpoq të korrespondonte me Akademinë e Shkencave të BRSS për këtë çështje (korrespondenca ishte e pasuksesshme).

Megjithatë, siç e pamë më lart, ligji i dytë i termodinamikës zbatohet vetëm në sisteme të izoluara. Sidoqoftë, Toka nuk është një sistem i izoluar, pasi vazhdimisht merr energji nga Dielli dhe, përkundrazi, e lëshon atë në hapësirë. Dhe një organizëm i gjallë (madje, për shembull, një qelizë e gjallë), përveç kësaj, shkëmbehet me mjedisin dhe materien. Prandaj, ligji i dytë i termodinamikës nuk zbatohet për këtë çështje me përkufizim.

Gjithashtu u përmend më lart se bota materiale karakterizohet nga një prirje e përgjithshme e caktuar drejt rritjes së entropisë, për shkak të së cilës gjërat më shpesh shkatërrohen dhe vijnë në kaos sesa krijohen. Megjithatë, siç kemi theksuar, nuk është ligj. Për më tepër, nëse shkëputemi nga makrobota me të cilën jemi mësuar dhe zhytemi në mikrobotën - botën e atomeve dhe molekulave (dhe prej këtu supozohet të fillojë jeta), atëherë do të shohim se është shumë më e lehtë të ndryshohet proceset e rritjes së entropisë në të. Ndonjëherë mjafton një ndikim i verbër dhe i pakontrolluar që entropia e sistemit të fillojë të ulet. Planeti ynë është sigurisht plot shembuj të ndikimeve të tilla: rrezatimi diellor në atmosferë, nxehtësia vullkanike në fundin e oqeanit, era në sipërfaqen e tokës, etj. Dhe si rezultat, shumë procese rrjedhin në drejtim të kundërt, "të pafavorshëm" për ta, ose drejtimi i kundërt bëhet "i favorshëm" për ta (për shembull, shih më lart në nëntitullin "Shembuj të zvogëlimit të entropisë në natyrën e pajetë"). Prandaj, edhe tendenca jonë e përgjithshme drejt rritjes së entropisë nuk mund të zbatohet për shfaqjen e jetës si një lloj rregulli absolut: ka shumë përjashtime nga kjo.

Sigurisht, kjo nuk do të thotë se meqenëse ligji i dytë i termodinamikës nuk e ndalon gjenerimin spontan të jetës, atëherë jeta mund të lindë vetvetiu. Ka shumë gjëra të tjera që e bëjnë të pamundur ose jashtëzakonisht të pamundur një proces të tillë, por ato nuk lidhen më me termodinamikën dhe ligjin e dytë të saj.

Për shembull, shkencëtarët arritën të merrnin disa lloje të aminoacideve në kushte artificiale, duke simuluar kushtet e supozuara të atmosferës parësore të Tokës. Aminoacidet janë një lloj blloqe ndërtimi të jetës: në organizmat e gjallë ato përdoren për të ndërtuar proteina (proteina). Sidoqoftë, proteinat e nevojshme për jetën përbëhen nga qindra, dhe nganjëherë mijëra aminoacide, të lidhura në një sekuencë strikte dhe të rregulluara në një mënyrë të veçantë në një formë të veçantë (shih figurën në të djathtë). Nëse kombinoni aminoacidet në një mënyrë të rastësishme, probabiliteti i krijimit të vetëm një proteine ​​funksionale relativisht të thjeshtë do të jetë i papërfillshëm - aq i vogël sa kjo ngjarje nuk do të ndodhë kurrë. Duke supozuar se shfaqja e tyre e rastësishme është përafërsisht e njëjtë me gjetjen e disa gurëve të ngjashëm me tullat në male, dhe pohimi se një shtëpi prej guri që qëndronte aty pranë është formuar nga të njëjtët gurë rastësisht nën ndikimin e proceseve natyrore.

Nga ana tjetër, për ekzistencën e jetës, vetëm proteinat nuk janë të mjaftueshme: nuk kërkohen molekula më pak komplekse të ADN-së dhe ARN-së, shfaqja e rastësishme e të cilave është gjithashtu e pabesueshme. ADN-ja është në thelb një depo gjigante e informacionit të strukturuar që kërkohet për të krijuar proteina. Ai shërbehet nga një kompleks i tërë proteinash dhe ARN, i cili kopjon dhe korrigjon këtë informacion dhe e përdor atë "për qëllime prodhimi". E gjithë kjo është një sistem i vetëm, përbërësit e të cilit individualisht nuk kanë asnjë kuptim, dhe asnjë prej tyre nuk mund të hiqet prej tij. Mjafton të fillohet të thellohet në strukturën e këtij sistemi dhe në parimet e funksionimit të tij për të kuptuar se një Dizajnues i shkëlqyer ka punuar në krijimin e tij.

A është ligji i dytë i termodinamikës i pajtueshëm me besimin te Krijuesi në përgjithësi? Jo vetëm me faktin se ai ekziston, por me faktin se ai krijoi Universin dhe jetën në Tokë (Zanafilla 1:1–27; Zbulesa 4:11); se ai premtoi se Toka do të zgjasë përgjithmonë (Psalmi 103:5), që do të thotë se edhe Dielli edhe Universi do të jenë të përjetshëm në një formë ose në një tjetër; se njerëzit do të jetojnë përgjithmonë në qiell në tokë dhe nuk do të vdesin kurrë (Psalmi 36:29; Mateu 25:46; Zbulesa 21:3, 4)?

Mund të themi me siguri se besimi në ligjin e dytë të termodinamikës është plotësisht i pajtueshëm me besimin në Krijuesin dhe premtimet e tij. Dhe arsyeja për këtë qëndron në formulimin e vetë këtij ligji: "në një sistem të izoluar, entropia nuk mund të ulet". Çdo sistem i izoluar mbetet i izoluar vetëm për aq kohë sa askush nuk ndërhyn në punën e tij, përfshirë Krijuesin. Por sapo ai të ndërhyjë dhe të drejtojë një pjesë të forcës së tij të pashtershme mbi të, sistemi do të pushojë së qeni i izoluar dhe ligji i dytë i termodinamikës do të pushojë së vepruari në të. E njëjta gjë mund të thuhet edhe për prirjen më të përgjithshme drejt rritjes së entropisë, të cilën e diskutuam më sipër. Po, është e qartë se pothuajse gjithçka që ekziston rreth nesh - nga atomet në Univers - ka një tendencë për shkatërrim dhe degradim me kalimin e kohës. Por Krijuesi ka forcën dhe urtësinë e nevojshme për të ndaluar çdo proces degradimi dhe madje t'i kthejë ato kur e sheh të nevojshme.

Cilat procese zakonisht paraqiten nga njerëzit duke e bërë të pamundur jetën e përjetshme?

· Në disa miliardë vjet Dielli do të shuhet. Kjo do të kishte ndodhur nëse Krijuesi nuk do të kishte ndërhyrë kurrë në punën e tij. Megjithatë, ai është Krijuesi i Universit dhe ka energji kolosale, e mjaftueshme për të mbajtur Diellin të ndezur përgjithmonë. Për shembull, ai, duke shpenzuar energji, mund të ndryshojë reaksionet bërthamore që ndodhin në Diell, sikur ta furnizojë atë me karburant për disa miliarda vjet të tjera, dhe gjithashtu të plotësojë vëllimin e materies që Dielli humbet në formën e erës diellore.

· Herët a vonë, Toka do të përplaset me një asteroid ose vrimë të zezë. Sado e vogël të jetë probabiliteti për këtë, ai ekziston, që do të thotë se gjatë përjetësisë sigurisht që do të bëhej realitet. Megjithatë, Zoti, duke përdorur fuqinë e tij, mund ta mbrojë Tokën nga çdo dëm paraprakisht, thjesht duke parandaluar që objekte të tilla të rrezikshme t'i afrohen planetit tonë.

· Hëna do të fluturojë larg Tokës dhe toka do të bëhet e pabanueshme. Hëna stabilizon animin e boshtit të tokës, falë të cilit klima në të mbahet pak a shumë konstante. Hëna gradualisht po largohet nga Toka, për shkak të së cilës në të ardhmen pjerrësia e boshtit të saj mund të ndryshojë dhe klima mund të bëhet e padurueshme. Por Zoti, sigurisht, ka fuqinë e nevojshme për të parandaluar ndryshime të tilla katastrofike dhe për ta mbajtur Hënën në orbitën e saj aty ku Ai e sheh të arsyeshme.

Nuk ka dyshim se gjërat në botën materiale kanë një tendencë të plakjes, të degradimit dhe të prishjes. Por duhet të kujtojmë se vetë Zoti e krijoi botën në këtë mënyrë. Dhe kjo do të thotë se kjo ishte pjesë e planit të tij. Bota nuk ishte menduar të ekzistonte përgjithmonë e ndarë nga Zoti. Përkundrazi, ajo u krijua për të ekzistuar përgjithmonë nën kontrollin e Zotit. Dhe duke qenë se Zoti kishte edhe mençuri edhe fuqi për të krijuar botën, ne nuk kemi arsye të dyshojmë se ai ka të njëjtën fuqi dhe urtësi për t'u kujdesur përjetësisht për krijimin e tij, duke mbajtur gjithçka në të nën kontrollin e tij.

Vargjet e mëposhtme të Biblës na sigurojnë se Dielli, Hëna, Toka dhe njerëzit do të ekzistojnë përgjithmonë:
· « Ata do t'ju frikësohen për sa kohë të ekzistojnë dielli dhe hëna - brez pas brezi» (Psalmi 73:5)
· « [Toka] nuk do të dridhet përgjithmonë, përgjithmonë» (Psalmi 103:5)
· « Të drejtët do të trashëgojnë tokën dhe do të jetojnë në të përgjithmonë» (Psalmi 37:29)

Prandaj, asgjë nuk na pengon të besojmë në të njëjtën kohë në ligjin e dytë të termodinamikës dhe ta konsiderojmë atë një parim të saktë shkencor, dhe në të njëjtën kohë të jemi njerëz thellësisht fetarë dhe të presim përmbushjen e të gjitha premtimeve të Zotit të regjistruara në Bibël.

Pra, nëse jeni besimtar, cilit nga grupet fetare të përmendura në fillim të artikullit do ta shtonit zërin tuaj? Pjesëmarrësve në demonstratën e përshkruar më sipër të konservatorëve të krishterë që kërkonin heqjen e ligjit të dytë të termodinamikës? Apo për kreacionistët që e përdorin këtë ligj si dëshmi të krijimit të jetës nga Zoti? Unë nuk jam për askënd.

Shumica e besimtarëve priren të mbrojnë besimin e tyre në një mënyrë ose në një tjetër, dhe disa përdorin të dhënat e shkencës për ta bërë këtë, gjë që konfirmon kryesisht ekzistencën e Krijuesit. Megjithatë, është e rëndësishme për ne të kujtojmë një parim serioz biblik: “ne... duam të sillemi me ndershmëri në çdo gjë” (Hebrenjve 13:18). Prandaj, sigurisht, do të ishte e gabuar të përdorësh ndonjë argument të pasaktë për të vërtetuar ekzistencën e Zotit.

Siç kemi parë nga ky artikull, ligji i dytë i termodinamikës nuk mund të përdoret si provë e ekzistencës së Zotit, ashtu si ekzistenca ose mosekzistenca e Zotit nuk vërteton ose hedh poshtë ligjin e dytë të termodinamikës. Parimi i dytë thjesht nuk lidhet drejtpërdrejt me çështjen e ekzistencës së Krijuesit, ashtu si shumica dërrmuese e ligjeve të tjera fizike (për shembull, ligji i gravitetit universal, ligji i ruajtjes së momentit, ligji i Arkimedit ose të gjitha parime të tjera të termodinamikës).

Krijimet e Zotit na ofrojnë një numër të madh dëshmish bindëse, si dhe prova indirekte të ekzistencës së Krijuesit. Prandaj, nëse ndonjë nga thëniet që kemi përdorur më parë si provë doli të jetë i pasaktë, nuk duhet të keni frikë ta braktisni atë në mënyrë që të përdorni vetëm argumente të sinqerta për të mbrojtur besimin tuaj.

Ligji i dytë i termodinamikës

Historikisht, ligji i dytë i termodinamikës doli nga analiza e funksionimit të motorëve të nxehtësisë (S. Carnot, 1824). Ka disa formulime ekuivalente. Vetë emri “ligji i dytë i termodinamikës” dhe historikisht formulimi i tij i parë (1850) i përkasin R. Clausius.

Ligji i parë i termodinamikës, duke shprehur ligjin e ruajtjes dhe transformimit të energjisë, nuk na lejon të vendosim drejtimin e proceseve termodinamike. Për më tepër, mund të imagjinohen shumë procese që nuk bien ndesh me parimin e parë, në të cilin energjia ruhet, por në natyrë ato nuk ndodhin.

Përvoja tregon se llojet e ndryshme të energjisë janë të pabarabarta në aftësinë e tyre për t'u shndërruar në lloje të tjera të energjisë. Energjia mekanike mund të shndërrohet plotësisht në energji të brendshme të çdo trupi. Ekzistojnë disa kufizime për shndërrimin e kundërt të energjisë së brendshme në lloje të tjera: furnizimi i energjisë së brendshme, në asnjë rrethanë, nuk mund të shndërrohet plotësisht në lloje të tjera të energjisë. Karakteristikat e vërejtura të transformimeve të energjisë shoqërohen me drejtimin e proceseve në natyrë.

Ligji i dytë i termodinamikës është një parim që përcakton pakthyeshmërinë e proceseve makroskopike që ndodhin me një shpejtësi të kufizuar.

Ndryshe nga proceset e kthyeshme thjesht mekanike (pa fërkim) ose elektrodinamike (pa çlirim të nxehtësisë xhaul), proceset që lidhen me transferimin e nxehtësisë në një ndryshim të kufizuar të temperaturës (d.m.th. rrjedhin me një shpejtësi të kufizuar), me fërkim, difuzion të gazeve, zgjerim të gazeve. në zbrazëti, lëshimi i nxehtësisë së xhaulit, etj., janë të pakthyeshme, d.m.th., ato mund të rrjedhin spontanisht vetëm në një drejtim.

Ligji i dytë i termodinamikës pasqyron drejtimin e proceseve natyrore dhe vendos kufizime në drejtimet e mundshme të transformimeve të energjisë në sistemet makroskopike, duke treguar se cilat procese në natyrë janë të mundshme dhe cilat jo.

Ligji i dytë i termodinamikës është një postulat që nuk mund të vërtetohet brenda kornizës së termodinamikës. Ai u krijua në bazë të një përgjithësimi të fakteve eksperimentale dhe mori konfirmime të shumta eksperimentale.

Deklaratat e ligjit të dytë të termodinamikës

1). Formulimi i Carnot: efikasiteti më i lartë i një motori me nxehtësi nuk varet nga lloji i lëngut të punës dhe përcaktohet plotësisht nga temperaturat kufizuese, ndërmjet të cilave operon makina.

2). Formulimi i Clausius: një proces është i pamundur, rezultati i vetëm i të cilit është transferimi i energjisë në formën e nxehtësisë nga një trup më pak i nxehtë, për një trup më të ngrohtë.

Ligji i dytë i termodinamikës nuk ndalon transferimin e nxehtësisë nga një trup më pak i nxehtë në një trup më të nxehtë. Një tranzicion i tillë ndodh në një makinë ftohëse, por në të njëjtën kohë forcat e jashtme kryejnë punë në sistem, d.m.th. ky tranzicion nuk është rezultati i vetëm i procesit.

3). Formulimi Kelvin: procesi rrethor nuk është i mundur, rezultati i vetëm i të cilit është shndërrimi i nxehtësisë, marrë nga ngrohësi, në punë ekuivalente.

Në pamje të parë, mund të duket se ky formulim bie ndesh me zgjerimin izotermik të një gazi ideal. Në të vërtetë, e gjithë nxehtësia e marrë nga një gaz ideal nga një trup shndërrohet plotësisht në punë. Megjithatë, marrja e nxehtësisë dhe shndërrimi i saj në punë nuk është i vetmi rezultat përfundimtar i procesit; Përveç kësaj, si rezultat i procesit, ndodh një ndryshim në vëllimin e gazit.

P.S.: duhet t'i kushtoni vëmendje fjalëve "rezultati i vetëm"; ndalimet e parimit të dytë hiqen nëse proceset në fjalë nuk janë të vetmet.

4). formulimi i Ostwald: zbatimi i një makinerie me lëvizje të përhershme të llojit të dytë është i pamundur.

Një makinë me lëvizje të përhershme e llojit të dytë është një pajisje që funksionon periodikisht, i cili funksionon duke ftohur një burim nxehtësie.

Një shembull i një motori të tillë do të ishte motori i një anijeje, i cili tërheq nxehtësinë nga deti dhe e përdor atë për të shtyrë anijen. Një motor i tillë do të ishte praktikisht i përjetshëm, sepse... Furnizimi me energji në mjedis është praktikisht i pakufishëm.

Nga pikëpamja e fizikës statistikore, ligji i dytë i termodinamikës është statistikor në natyrë: është i vlefshëm për sjelljen më të mundshme të sistemit. Ekzistenca e luhatjeve pengon zbatimin e saktë të tij, por gjasat për ndonjë shkelje të rëndësishme janë jashtëzakonisht të vogla.

Entropia

Koncepti i "entropisë" u fut në shkencë nga R. Clausius në 1862 dhe formohet nga dy fjalë: " sq" - energji " tropojane- E kthej.

Sipas ligjit zero të termodinamikës, një sistem termodinamik i izoluar, me kalimin e kohës, hyn spontanisht në një gjendje ekuilibri termodinamik dhe qëndron në të për një kohë të pacaktuar nëse kushtet e jashtme mbeten të pandryshuara.

Në një gjendje ekuilibri, të gjitha llojet e energjisë në sistem shndërrohen në energji termike të lëvizjes kaotike të atomeve dhe molekulave që përbëjnë sistemin. Asnjë proces makroskopik nuk është i mundur në një sistem të tillë.

Entropia shërben si një masë sasiore e kalimit të një sistemi të izoluar në një gjendje ekuilibri. Ndërsa sistemi kalon në një gjendje ekuilibri, entropia e tij rritet dhe arrin maksimumin kur arrihet gjendja e ekuilibrit.

Entropia është një funksion i gjendjes së një sistemi termodinamik, i shënuar me: .

Sfondi teorik: nxehtësia e reduktuar,entropia

Nga shprehja për efikasitetin e ciklit Carnot: rrjedh se ose , ku është sasia e nxehtësisë që lëshon lëngu punues në frigorifer, pranojmë: .

Atëherë relacioni i fundit mund të shkruhet si:

Raporti i nxehtësisë së marrë nga një trup në një proces izotermik me temperaturën e trupit që çliron nxehtësinë quhet sasi e reduktuar e nxehtësisë:

Duke marrë parasysh formulën (2), formula (1) mund të përfaqësohet si:

ato. për ciklin Carnot, shuma algjebrike e sasive të reduktuara të nxehtësisë është e barabartë me zero.

Sasia e reduktuar e nxehtësisë që i jepet trupit në një pjesë infinite të vogël të procesit: .

Sasia e dhënë e nxehtësisë për një zonë arbitrare:

Analiza rigoroze teorike tregon se për çdo proces rrethor të kthyeshëm shuma e sasive të reduktuara të nxehtësisë është e barabartë me zero:

Nga fakti që integrali (4) është i barabartë me zero, rezulton se integrani është diferenciali i plotë i një funksioni, i cili përcaktohet vetëm nga gjendja e sistemit dhe nuk varet nga rruga me të cilën sistemi ka ardhur në këtë. shteti:

Funksioni i shtetit me një vlerë të vetme, diferenciali total i të cilit është ,quhet entropi .

Formula (5) është e vlefshme vetëm për proceset e kthyeshme në rastin e proceseve të pakthyeshme jo ekuilibër, një paraqitje e tillë është e pasaktë.

Vetitë e entropisë

1). Entropia përcaktohet deri në një konstante arbitrare. Kuptimi fizik nuk është vetë entropia, por ndryshimi midis entropive të dy gjendjeve:

. (6)

Shembull: nëse një sistem (gazi ideal) bën një kalim ekuilibri nga gjendja 1 në gjendjen 2, atëherë ndryshimi i entropisë është i barabartë me:

,

Ku; .

ato. ndryshimi i entropisë së një gazi ideal gjatë kalimit të tij nga gjendja 1 në gjendjen 2 nuk varet nga lloji i procesit të tranzicionit.

Në përgjithësi, në formulën (6), rritja e entropisë nuk varet nga rruga e integrimit.

2). Vlera absolute e entropisë mund të përcaktohet duke përdorur ligjin e tretë të termodinamikës (teorema e Nernst):

Entropia e çdo trupi priret në zero, ndërsa temperatura e tij priret në zero absolute: .

Kështu, pika fillestare e referencës për entropinë merret në .

3). Entropia është një sasi shtesë, d.m.th. Entropia e një sistemi me disa trupa është shuma e entropive të secilit trup: .

4). Ashtu si energjia e brendshme, entropia është një funksion i parametrave të sistemit termodinamik .

5), quhet një proces që ndodh në entropi konstante isentropike.

Në proceset e ekuilibrit pa transferim të nxehtësisë, entropia nuk ndryshon.

Në veçanti, një proces adiabatik i kthyeshëm është isentropik: për të; , d.m.th. .

6). Në vëllim konstant, entropia është një funksion në rritje monoton i energjisë së brendshme të trupit.

Në të vërtetë, nga ligji i parë i termodinamikës rrjedh se kur kemi: , Pastaj . Por temperatura është gjithmonë aty. Prandaj, rritjet kanë të njëjtën shenjë, siç kërkohej të vërtetohej.

Shembuj të ndryshimeve të entropisë në procese të ndryshme

1). Gjatë zgjerimit izobarik të një gazi ideal

2). Gjatë zgjerimit izokorik të një gazi ideal

3). Gjatë zgjerimit izotermik të një gazi ideal

.

4). Gjatë kalimeve fazore

Shembull: gjeni ndryshimin e entropisë kur një masë akulli në temperaturë shndërrohet në avull.

Zgjidhje

Ligji i parë i termodinamikës: .

Nga ekuacioni Mendeleev–Klapejron del: .

Atëherë shprehjet për ligjin e parë të termodinamikës do të marrin formën:

.

Kur kaloni nga një gjendje grumbullimi në një tjetër, ndryshimi i përgjithshëm në entropi konsiston në ndryshime në procese individuale:

A). Ngrohja e akullit nga temperatura në pikën e shkrirjes:

, ku është kapaciteti termik specifik i akullit.

B). Shkrirja e akullit: , ku është nxehtësia specifike e shkrirjes së akullit.

IN). Ngrohja e ujit nga temperatura në pikën e vlimit:

, ku është kapaciteti specifik termik i ujit.

G). Avullimi i ujit: , ku është nxehtësia specifike e avullimit të ujit.

Atëherë ndryshimi total i entropisë është:

Parimi i rritjes së entropisë

Entropia e një sistemi të mbyllur për çdo proceset që ndodhin në të nuk zvogëlohen:

ose për procesin përfundimtar: , pra: .

Shenja e barabartë i referohet një procesi të kthyeshëm, shenja e pabarazisë i referohet një procesi të pakthyeshëm. Dy formulat e fundit janë shprehja matematikore e ligjit të dytë të termodinamikës. Kështu, futja e konceptit të "entropisë" bëri të mundur formulimin në mënyrë rigoroze matematikore të ligjit të dytë të termodinamikës.

Proceset e pakthyeshme çojnë në vendosjen e një gjendje ekuilibri. Në këtë gjendje, entropia e sistemit të izoluar arrin maksimumin e saj. Asnjë proces makroskopik nuk është i mundur në një sistem të tillë.

Madhësia e ndryshimit të entropisë është një karakteristikë cilësore e shkallës së pakthyeshmërisë së procesit.

Parimi i rritjes së entropisë vlen për sistemet e izoluara. Nëse sistemi nuk është i izoluar, atëherë entropia e tij mund të ulet.

konkluzioni: sepse Meqenëse të gjitha proceset reale janë të pakthyeshme, atëherë të gjitha proceset në një sistem të mbyllur çojnë në një rritje të entropisë së tij.

Arsyetimi teorik i parimit

Le të shqyrtojmë një sistem të mbyllur të përbërë nga një ngrohës, një frigorifer, një lëng pune dhe një “konsumator” i punës së kryer (një trup që shkëmben energji me lëngun punues vetëm në formën e punës), duke kryer një cikël Carnot. Ky është një proces i kthyeshëm, ndryshimi në entropi është i barabartë me:

,

ku është ndryshimi i entropisë së lëngut punues; – ndryshimi i entropisë së ngrohësit; – ndryshimi i entropisë së frigoriferit; – ndryshimi i entropisë së “konsumatorit” të veprës.

Ligji i dytë i termodinamikës– nxehtësia nuk mund të transferohet spontanisht nga një trup më pak i nxehtë në një trup më të nxehtë. Nxehtësia i referohet energjisë së brendshme të një trupi.

Konsideroni një sistem të aftë për të kontaktuar dy rezervuarë termikë. Temperaturat e rezervuarit (ngrohës) Dhe (frigorifer).. Në gjendjen fillestare (pika 1), temperatura e sistemit është . Le ta vendosim atë në kontakt termik me ngrohësin dhe, duke ulur pothuajse statikisht presionin, të rrisim volumin.

Sistemi kaloi në një gjendje me të njëjtën temperaturë, por me një vëllim më të madh dhe presion më të ulët (pozicioni 2). Në të njëjtën kohë, sistemi kryente punë, dhe ngrohësi transferoi një sasi nxehtësie në të. Më pas, heqim ngrohësin dhe e transferojmë sistemin në mënyrë adiabatike në mënyrë pothuajse statike në një gjendje me temperaturë (pika 3). Në këtë rast, sistemi do të kryejë punën. Më pas e sjellim sistemin në kontakt me frigoriferin dhe reduktojmë në mënyrë statike volumin e sistemit. Sasia e nxehtësisë që do të lëshojë sistemi do të absorbohet nga frigoriferi - temperatura e tij do të mbetet e njëjtë. Gjendja e sistemit (pika 4) zgjidhet e tillë që të jetë e mundur të kthehet në mënyrë adiabate sistemi në gjendjen e tij origjinale (pika 1). Në këtë rast, sistemi do të kryejë punë negative. sistemi u kthye në gjendjen e tij origjinale, pastaj energjia e brendshme pas ciklit mbeti e njëjtë, por puna u krye nga sistemi. Nga kjo rrjedh se ndryshimet në energji gjatë punës kompensoheshin nga ngrohësi dhe frigoriferi. Mjetet , është sasia e nxehtësisë që shkoi për të kryer punën. Efikasiteti (efikasiteti) përcaktohet nga formula:

.

Nga kjo rrjedh se.

Teorema e Carnot deklaron se Koeficienti i efikasitetit të një motori ngrohjeje që funksionon sipas ciklit Carnot varet vetëm nga temperaturat e ngrohësit dhe frigoriferit, por nuk varet nga dizajni i makinës, si dhe nga lloji i substancës së punës.

Teorema e dytë e Carnot lexon: efikasiteti i çdo motori me nxehtësi nuk mund të kalojë efikasitetin e një makinerie ideale që funksionon sipas ciklit Carnot me të njëjtat temperatura të ngrohësit dhe frigoriferit.

Pabarazia e Clausius:

Ai tregon se sasia e nxehtësisë që sistemi ka marrë gjatë një procesi rrethor, e lidhur me temperaturën absolute në të cilën ka ndodhur procesi, është një sasi jo pozitive. Nëse procesi është pothuajse statik, atëherë pabarazia kthehet në barazi:

Kjo do të thotë se sasia e reduktuar e nxehtësisë së marrë nga sistemi gjatë çdo procesi rrethor pothuajse statik është e barabartë me zero .

– sasia elementare e reduktuar e nxehtësisë e marrë në pafundësi

proces i vogël.

– sasia elementare e reduktuar e nxehtësisë së marrë në finale

procesi.

Entropia e sistemit ka një funksion i gjendjes së tij, i përcaktuar deri në një konstante arbitrare.

Diferenca e entropisë në dy gjendje ekuilibri dhe, sipas përkufizimit, është e barabartë me sasinë e reduktuar të nxehtësisë që duhet t'i jepet sistemit në mënyrë që ta transferojë atë nga një gjendje në tjetrën përgjatë çdo rruge kuazi-statike.

Entropia shprehet me funksionin:

.

Le të supozojmë se sistemi kalon nga një gjendje ekuilibri në një gjendje ekuilibri përgjatë rrugës , dhe tranzicioni është i pakthyeshëm (vijë e hijezuar). Një sistem pothuajse statik mund të kthehet në gjendjen e tij origjinale nëpërmjet një rruge tjetër. Bazuar në pabarazinë e Clausius, mund të shkruajmë:

§ 10.2. Ligji i dytë i termodinamikës. Entropia

Ligji i parë i termodinamikës, i cili në thelb është një shprehje e ligjit të ruajtjes së energjisë, nuk tregon drejtimin e shfaqjes së mundshme të proceseve. Kështu, për shembull, sipas ligjit të parë të termodinamikës, gjatë shkëmbimit të nxehtësisë do të ishte po aq i mundur transferimi spontan i nxehtësisë nga një trup më i nxehtë në një trup më pak të nxehtë dhe, anasjelltas, nga një trup më pak i nxehtë në një trup më të nxehtë. trupi. Nga përvoja e përditshme, megjithatë, dihet mirë se procesi i dytë është joreal në natyrë; për shembull, uji në një kazan nuk mund të nxehet spontanisht për shkak të ftohjes së ajrit në dhomë. Një shembull tjetër: kur një gur bie në tokë, ai nxehet, ekuivalente me një ndryshim në energjinë potenciale, procesi i kundërt - ngritja spontane e gurit vetëm për shkak të ftohjes së tij - është e pamundur.

Ligji i dytë i termodinamikës, si i pari, është një përgjithësim i të dhënave eksperimentale.

Ekzistojnë disa formulime të ligjit të dytë të termodinamikës: nxehtësia nuk mund të lëvizë spontanisht nga një trup me temperaturë më të ulët në një trup me temperaturë më të lartë (formulimi i Clausius), ose një makinë e lëvizjes së përhershme e llojit të dytë është e pamundur (formulimi i Tomsonit). d.m.th., një proces i tillë periodik është i pamundur, rezultati i vetëm i të cilit është se do të ishte shndërrimi i nxehtësisë në punë për shkak të ftohjes së trupit.

Në një motor ngrohjeje, puna kryhet për shkak të nxehtësisë së transferuar, por një pjesë e nxehtësisë transferohet domosdoshmërisht në frigorifer. Në Fig. 10.4 tregon në mënyrë skematike, përkatësisht, të pamundurën (a) dhe të mundshme (b), sipas ligjit të dytë, proceset periodike.

Le të shqyrtojmë disa koncepte termodinamike që na lejojnë të shprehim në mënyrë sasiore ligjin e dytë të termodinamikës.

Procesi 1-2 quhet i kthyeshëm nëse është e mundur të kryhet procesi i kundërt 2-1 përmes të gjitha gjendjeve të ndërmjetme në mënyrë që pasi sistemi të kthehet në gjendjen e tij origjinale, të mos ndodhin ndryshime në trupat përreth.

Një proces i kthyeshëm është një abstraksion fizik. Të gjitha proceset reale janë të pakthyeshme, qoftë edhe për shkak të pranisë së forcës së fërkimit, e cila shkakton ngrohjen e trupave përreth. Disa shembuj tipikë të proceseve të pakthyeshme: zgjerimi i gazit në hapësirë, difuzioni, shkëmbimi i nxehtësisë, etj. Për ta kthyer sistemin në gjendjen fillestare, në të gjitha këto raste është e nevojshme të kryhen punë nga trupa të jashtëm.

Një cikël ose proces rrethor është një proces në të cilin një sistem kthehet në gjendjen e tij origjinale.

G Grafiku i ciklit është një vijë e mbyllur. Cikli i paraqitur në Fig. 10.5, - direkt, korrespondon me një motor ngrohjeje, d.m.th një pajisje që merr një sasi nxehtësie nga një trup i caktuar - një transmetues nxehtësie (ngrohës), punon dhe punon dhe

transferon një pjesë të kësaj nxehtësie në një trup tjetër - një marrës nxehtësie (frigorifer) (Fig. 10.4, b).

Në këtë cikël, substanca punuese (gazi) në përgjithësi bën punë pozitive (Fig. 10.5): në procesin 1-a-2, gazi zgjerohet, puna është pozitive dhe numerikisht është e barabartë me sipërfaqen nën kurbë 1-a- 2; në procesin 2-b-1, puna është negative (ngjeshja e gazit) dhe numerikisht është e barabartë me sipërfaqen nën lakoren përkatëse. Përmbledhja algjebrike jep një punë të përgjithshme pozitive të bërë nga gazi për cikël. Është numerikisht e barabartë me sipërfaqen e kufizuar nga kurba e mbyllur 1-a-2-b-1.

Efikasiteti i një motori me nxehtësi ose cikli i drejtpërdrejtë është raporti i punës së bërë me sasinë e nxehtësisë së marrë nga substanca e punës

nga ngrohësi:

Meqenëse puna e një motori me nxehtësi kryhet për shkak të sasisë së nxehtësisë, dhe energjia e brendshme e substancës punuese nuk ndryshon gjatë ciklit (AU = 0), nga ligji i parë i termodinamikës rrjedh se puna në proceset rrethore. është e barabartë me shumën algjebrike të sasive të nxehtësisë: A = Q X + Q 2 .

Prandaj,

Sasia e nxehtësisë Q v e marrë nga substanca punuese është pozitive, sasia e nxehtësisë Q 2 e dhënë nga substanca punuese në frigorifer është negative.

RRETH Cikli vëllazëror 2 korrespondon me funksionimin e një makine ftohëse, d.m.th., një sistem që merr nxehtësinë nga frigoriferi dhe transferon më shumë nxehtësi në ngrohës. Siç del nga ligji i dytë i termodinamikës, ky proces (Fig. 10.6) nuk mund të ndodhë vetvetiu, ai ndodh për shkak të punës së trupave të jashtëm. Në këtë rast, gazi bën punë negative: puna e ngjeshjes në procesin 2-a-1 është negative, punë. Si rezultat i zgjerimit algjebrik në proces, 1-6-2 është pozitiv. Si rezultat i përmbledhjes, marrim punën negative të gazit, numerikisht e barabartë me sipërfaqen e kufizuar nga kurba 2-a-1-b-2.

Konsideroni ciklin Carnot (Fig. 10.7), pra një proces rrethor i përbërë nga dy izoterma 1-2, 3-4, të cilat korrespondojnë me temperaturat T 1 dhe T 2 (T 1 > T 2), dhe dy adiabat 2-3, 4-1. Në këtë cikël, substanca e punës është një gaz ideal. Transferimi i nxehtësisë nga ngrohësi në substancën e punës ndodh në temperaturën T 1 dhe nga substanca e punës në frigorifer - në temperaturën T 2 . Pa prova, theksojmë se efikasiteti i një cikli të kthyeshëm Carnot varet vetëm nga temperaturat T 1 dhe T 2 të ngrohësit dhe frigoriferit:

Carnot, bazuar në ligjin e dytë të termodinamikës, vërtetoi propozimet e mëposhtme: efikasiteti i të gjitha makinave të kthyeshme që funksionojnë në një cikël të përbërë nga dy izoterma dhe dy adiabat, me një ngrohës në temperaturën Tg dhe një frigorifer në temperaturën T2, janë të barabartë me secilën. të tjera dhe nuk varen nga substancat dhe strukturat punëtore të makinës që kryen ciklin; Efikasiteti i një makine të pakthyeshme është më i vogël se efikasiteti i një makine të kthyeshme.

Këto dispozita bazuar në (10.9) dhe (10.10) mund të shkruhen në formë

ku shenja "=" i referohet një cikli të kthyeshëm, dhe "<» - к необ­ратимому.

Kjo shprehje është një formulim sasior i parimit të dytë. Le të tregojmë se pasojë e tij janë të dyja formulimet cilësore të dhëna në fillim të seksionit.

Le të supozojmë se shkëmbimi i nxehtësisë ndodh ndërmjet dy trupave pa kryer punë, d.m.th. Q l + Q 2 = 0. Pastaj [shih. (10.11)] T 1 - T 2 > 0 dhe T 1 > T 2, që korrespondon me formulimin e Clausius: në një proces spontan, nxehtësia transferohet nga trupat me një temperaturë më të lartë në trupat me një temperaturë më të ulët.

Në rast se motori i nxehtësisë shpenzon plotësisht të gjithë energjinë e marrë gjatë shkëmbimit të nxehtësisë për të kryer punë dhe nuk e transferon energjinë në frigorifer, Q 2 = 0 dhe nga (10.11) kemi

gjë që është e pamundur, pasi T 1 dhe T 2 janë pozitive. Kjo pason formulimin e Thomson për pamundësinë e një makine me lëvizje të përhershme të llojit të dytë. Le të transformojmë shprehjen (10.11):

Raporti i sasisë së nxehtësisë së marrë ose të lëshuar nga substanca e punës me temperaturën në të cilën ndodh shkëmbimi i nxehtësisë quhet sasia e reduktuar e nxehtësisë.

Prandaj (10.12) mund të formulohet si më poshtë: shuma algjebrike e sasive të reduktuara të nxehtësisë për cikël nuk është më shumë se zero (në ciklet e kthyeshme është zero, në ciklet e pakthyeshme është më pak se zero).

Nëse gjendja e sistemit ndryshon jo sipas ciklit Carnot, por sipas ndonjë cikli arbitrar, atëherë ai mund të përfaqësohet si një grup ciklesh mjaft të vogla Carnot (Fig. 10.8). Pastaj shprehja (10.12) shndërrohet në shumën e sasive mjaft të vogla të reduktuara të nxehtësisë, e cila në kufi do të shprehet me integralin

Shprehja (10.13) është e vlefshme për çdo të pakthyeshme (shenjë "<») 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:

Bazuar në (10.13) për cikle të kthyeshme kemi

DHE
duke ndryshuar kufijtë e integrimit përgjatë rrugës b, marrim

Kjo e fundit do të thotë që shuma e sasive të reduktuara të nxehtësisë gjatë një kalimi të kthyeshëm të një sistemi nga një gjendje në tjetrën nuk varet nga procesi, dhe për një masë të caktuar gazi përcaktohet vetëm nga gjendja fillestare dhe përfundimtare e sistemit. . Në Fig. 10.9 tregon grafikët e proceseve të ndryshme të kthyeshme (a, b, c), për të cilat gjendjet fillestare 1 dhe 2 përfundimtare janë të zakonshme. Sasia e nxehtësisë dhe puna në këto procese janë të ndryshme, por shuma e sasive të dhëna të nxehtësisë rezulton të jetë e njëjtë.

Një karakteristikë fizike që nuk varet nga procesi ose lëvizja zakonisht shprehet si ndryshim midis dy vlerave të ndonjë funksioni që korrespondon me gjendjen përfundimtare dhe fillestare të procesit ose pozicionet e sistemit. Për shembull, pavarësia e punës së gravitetit nga trajektorja na lejon ta shprehim këtë punë përmes ndryshimit në energjitë e mundshme në pikat fundore të trajektores; Pavarësia e punës së forcave të fushës elektrostatike nga trajektoret e ngarkesës bën të mundur lidhjen e kësaj pune me diferencën potenciale midis pikave të fushës që janë kufitare kur ajo lëviz.

Në mënyrë të ngjashme, shuma e sasive të reduktuara të nxehtësisë për një proces të kthyeshëm mund të përfaqësohet si ndryshim midis dy vlerave të një funksioni të caktuar të gjendjes së sistemit, i cili quhet entropi:

ku S 2 dhe S 1 janë entropia në gjendjet përfundimtare 2 dhe fillestare, përkatësisht. Pra, entropia është një funksion i gjendjes së sistemit, ndryshimi në vlerat për dy gjendje është i barabartë me shumën e sasive të reduktuara të nxehtësisë gjatë kalimit të kthyeshëm të sistemit nga një gjendje në tjetrën.

Nëse procesi është i pakthyeshëm, atëherë barazia (10.15) nuk vlen. Le të jepet një cikël (Fig. 10.10), i përbërë nga një proces i kthyeshëm 2-b-1 dhe i pakthyeshëm 1-a-2. Meqenëse një pjesë e ciklit është e pakthyeshme, atëherë i gjithë cikli është i pakthyeshëm, prandaj, bazuar në (10.13), ne shkruajmë

Sipas (10.15), atëherë në vend të (10.16) marrim, ose

Pra, në një proces të pakthyeshëm, shuma e sasive të reduktuara të nxehtësisë është më e vogël se ndryshimi i entropisë. Duke kombinuar anët e djathta të (10.15) dhe (10.17), marrim

ku shenja “=” i referohet proceseve të kthyeshme, dhe shenja “>” i referohet proceseve të pakthyeshme.

Marrëdhënia (10.18) është marrë në bazë të (10.11) dhe për këtë arsye shpreh edhe ligjin e dytë të termodinamikës.

Le të përcaktojmë kuptimin fizik të entropisë.

Formula (10.15) jep vetëm ndryshimin në entropi, ndërsa vetë entropia përcaktohet deri në një konstante arbitrare:

Nëse sistemi ka kaluar nga një gjendje në tjetrën, atëherë pavarësisht nga natyra e procesit - nëse është i kthyeshëm apo i pakthyeshëm - ndryshimi i entropisë llogaritet duke përdorur formulën (10.15) për çdo proces të kthyeshëm që ndodh midis këtyre gjendjeve. Kjo për faktin se entropia është funksion i gjendjes së sistemit.

Diferenca në entropinë e dy gjendjeve llogaritet lehtësisht në një proces izotermik të kthyeshëm:

ku Q është sasia totale e nxehtësisë së marrë nga sistemi gjatë kalimit nga gjendja 1 në gjendjen 2 në një temperaturë konstante T. Formula e fundit përdoret kur llogaritet ndryshimi i entropisë në procese të tilla si shkrirja, avullimi, etj. Në këto në raste, Q është transformimi i nxehtësisë fazore. Nëse procesi ndodh në një sistem të izoluar (dQ = 0), atëherë [shih (10.18)] në një proces të kthyeshëm entropia nuk ndryshon: S 2 - S 1 = 0, S = konst, dhe në një proces të pakthyeshëm rritet. Kjo mund të ilustrohet me shembullin e shkëmbimit të nxehtësisë midis dy trupave që formojnë një sistem të izoluar dhe që kanë temperatura T 1 dhe T 2, përkatësisht (T 1 > T 2). Nëse një sasi e vogël nxehtësie dQ kalon nga trupi i parë në të dytin, atëherë entropia e trupit të parë zvogëlohet me dS 1 = dQ/T 1, dhe entropia e trupit të dytë rritet me dS 2 = dQ / T 2. Meqenëse sasia e nxehtësisë është e vogël, mund të supozojmë se temperaturat e trupave të parë dhe të dytë nuk ndryshojnë gjatë procesit të shkëmbimit të nxehtësisë. Ndryshimi total në entropinë e sistemit është pozitiv:

për rrjedhojë rritet edhe entropia e sistemit të izoluar. Nëse në këtë sistem do të kishte një transferim spontan të nxehtësisë nga një trup me temperaturë më të ulët në një trup me temperaturë më të lartë, atëherë entropia e sistemit do të zvogëlohej:

dhe kjo bie ndesh me (10.18). Kështu, proceset që çojnë në një ulje të entropisë së sistemit nuk mund të ndodhin në një sistem të izoluar (një formulim tjetër i ligjit të dytë të termodinamikës).

Rritja e entropisë në një sistem të izoluar nuk do të ndodhë pafundësisht. Në shembullin e diskutuar më sipër, temperaturat e trupave do të ulen me kalimin e kohës, transferimi i nxehtësisë midis tyre do të ndalet dhe do të ndodhë një gjendje ekuilibri (shih § 10.1). Në këtë gjendje, parametrat e sistemit do të mbeten të pandryshuara dhe entropia do të arrijë maksimumin.

Sipas teorisë kinetike molekulare, entropia me sukses mund të karakterizohet si një masë e çrregullimit të renditjes së grimcave në një sistem. Kështu, për shembull, ndërsa vëllimi i një gazi zvogëlohet, molekulat e tij detyrohen të zënë pozicione gjithnjë e më specifike në raport me njëra-tjetrën, gjë që korrespondon me një rregull më të madh në sistem, ndërsa entropia zvogëlohet. Kur një gaz kondensohet ose një lëng kristalizohet në një temperaturë konstante, nxehtësia lirohet dhe entropia zvogëlohet. Dhe në këtë rast, ka një rritje të rendit në rregullimin e grimcave.

Çrregullimi i gjendjes së sistemit karakterizohet në mënyrë sasiore nga probabiliteti termodinamik W t ep. Për të sqaruar kuptimin e tij, merrni parasysh një sistem të përbërë nga katër grimca gazi: a, b, c, d (Fig. 10.11). Këto grimca janë të vendosura në një vëllim të ndarë mendërisht në dy qeliza të barabarta dhe mund të lëvizin lirshëm në të.

Gjendja e sistemit, e përcaktuar nga numri i grimcave në qelizën e parë dhe të dytë, do të quhet makrostate; gjendja e sistemit, e përcaktuar nga cilat grimca specifike janë në secilën prej qelizave, është një mikrogjendje. Pastaj (Fig. 10.11, a) makrostati - një grimcë në qelizën e parë dhe tre grimca në të dytën - kryhet nga katër mikrostate. Makrostati, që korrespondon me vendosjen e katër grimcave në mënyrë të barabartë, dy në çdo qelizë, realizohet nga gjashtë mikrogjendje (Fig. 10.11.6).

Probabiliteti termodinamik është numri i mënyrave të vendosjes së grimcave ose numri i mikrogjendjeve që realizojnë një makrostate të caktuar.

Në shembujt e shqyrtuar, W t ep = 4 në rastin e parë dhe W t ep = 6 në rastin e dytë. Është e qartë se një shpërndarje uniforme e grimcave nëpër qeliza (dy secila) korrespondon me një probabilitet të lartë termodinamik. Nga ana tjetër, një shpërndarje uniforme e grimcave korrespondon me një gjendje ekuilibri me entropinë më të lartë. Nga teoria e probabilitetit është e qartë se një sistem, i lënë në vetvete, tenton të arrijë në një makrostate që realizohet në numrin më të madh të mënyrave, nga numri më i madh i mikrogjendjeve, d.m.th., në një gjendje me probabilitetin më të madh termodinamik.

Vini re se nëse një gazi i jepet mundësia të zgjerohet, molekulat e tij do të tentojnë të zënë në mënyrë uniforme të gjithë vëllimin e mundshëm, dhe në këtë proces entropia rritet. Procesi i kundërt - tendenca e molekulave për të zënë vetëm një pjesë të vëllimit, për shembull, gjysmë dhome - nuk do të korrespondonte me një gjendje me një probabilitet termodinamik dukshëm më të ulët dhe entropi më të ulët.

Nga kjo mund të konkludojmë se entropia është e lidhur me probabilitetin termodinamik. Boltzmann vërtetoi se entropia lidhet në mënyrë lineare me logaritmin e probabilitetit termodinamik:

ku k është konstanta e Boltzmann-it.

Ligji i dytë i termodinamikës është një ligj statistikor, në kontrast, për shembull, me ligjin e parë të termodinamikës ose ligjin e dytë të Njutonit.

Deklarata e parimit të dytë për pamundësinë e proceseve të caktuara është, në thelb, një deklaratë për probabilitetin e tyre jashtëzakonisht të ulët, praktikisht - pamundësinë, d.m.th.

Në një shkallë kozmike, vërehen devijime të konsiderueshme nga ligji i dytë i termodinamikës, por ai nuk është i zbatueshëm për të gjithë Universin, si dhe për sistemet që përbëhen nga një numër i vogël molekulash.

Si përfundim, vërejmë edhe një herë se nëse ligji i parë i termodinamikës përmban bilancin energjetik të procesit, atëherë ligji i dytë tregon drejtimin e tij të mundshëm. Ashtu si ligji i dytë i termodinamikës plotëson ndjeshëm ligjin e parë, ashtu edhe entropia plotëson konceptin e energjisë.

Duke shprehur ligjin e ruajtjes dhe transformimit të energjisë, ai nuk na lejon të vendosim drejtimin e proceseve termodinamike. Për më tepër, mund të imagjinohen shumë procese që nuk bien ndesh me parimin e parë, në të cilin energjia ruhet, por në natyrë ato nuk ndodhin. Shfaqja e ligjit të dytë të termodinamikës - nevoja për t'iu përgjigjur pyetjes se cilat procese në natyrë janë të mundshme dhe cilat jo - përcakton drejtimin e zhvillimit të proceseve.

Duke përdorur konceptin e entropisë dhe pabarazisë Clausius, ligji i dytë i termodinamikës mund të formulohet si ligji i rritjes së entropisë së një sistemi të mbyllur gjatë proceseve të pakthyeshme: çdo proces i pakthyeshëm në një sistem të mbyllur ndodh në atë mënyrë që entropia e sistemit të rritet.

Mund të japim një formulim më konciz të ligjit të dytë të termodinamikës:

Në proceset që ndodhin në një sistem të mbyllur, entropia nuk zvogëlohet.Është e rëndësishme këtu që po flasim për sisteme të mbyllura, pasi në sistemet e hapura entropia mund të sillet në çdo mënyrë (zvogëlohet, rritet, mbetet konstante). Përveç kësaj, vërejmë edhe një herë se entropia mbetet konstante në një sistem të mbyllur vetëm gjatë proceseve të kthyeshme. Gjatë proceseve të pakthyeshme në një sistem të mbyllur, entropia gjithmonë rritet.

Formula e Boltzmann-it na lejon të shpjegojmë rritjen e entropisë të supozuar nga ligji i dytë i termodinamikës në një sistem të mbyllur gjatë proceseve të pakthyeshme: rritja e entropisë do të thotë tranzicion i sistemit nga më pak gjasa në më të mundshme gjendje. Kështu, formula e Boltzmann-it na lejon të japim një interpretim statistikor të ligjit të dytë të termodinamikës. Ai, duke qenë një ligj statistikor, përshkruan modelet e lëvizjes kaotike të një numri të madh grimcash që përbëjnë një sistem të mbyllur.

Le të tregojmë dy formulime të tjera të ligjit të dytë të termodinamikës:

1) sipas Kelvin: një proces rrethor është i pamundur, rezultati i vetëm i të cilit është shndërrimi i nxehtësisë së marrë nga ngrohësi në punë ekuivalente me të;

2) sipas Clausius : Një proces rrethor është i pamundur, rezultati i vetëm i të cilit është transferimi i nxehtësisë nga një trup më pak i nxehtë në një trup më të nxehtë.

Është e mundur të vërtetohet fare thjesht (e lëmë lexuesit) ekuivalencën e formulimeve Kelvin dhe Clausius. Përveç kësaj, tregohet se nëse një proces imagjinar kryhet në një sistem të mbyllur që bie ndesh me ligjin e dytë të termodinamikës në formulimin e Clausius, atëherë ai shoqërohet me një ulje të entropisë. Kjo dëshmon edhe ekuivalencën e formulimit të Clausius (dhe për rrjedhojë Kelvin) dhe formulimit statistikor, sipas të cilit entropia e një sistemi të mbyllur nuk mund të ulet.

Në mesin e shekullit të 19-të. u ngrit problemi i të ashtuquajturës vdekje termike e Universit . Duke e konsideruar Universin si një sistem të mbyllur dhe duke zbatuar ligjin e dytë të termodinamikës për të, Clausius e reduktoi përmbajtjen e tij në deklaratën se entropia e Universit duhet të arrijë maksimumin e saj. Kjo do të thotë se me kalimin e kohës, të gjitha format e lëvizjes duhet të kthehen në lëvizje termike.

Kalimi i nxehtësisë nga trupat e nxehtë në ato të ftohtë do të çojë në faktin se temperatura e të gjithë trupave në Univers do të jetë e barabartë, d.m.th. do të ndodhë ekuilibri i plotë termik dhe të gjitha proceset në Univers do të pushojnë - do të ndodhë vdekja termike e Universit. Gabimi i përfundimit në lidhje me vdekjen nga nxehtësia qëndron në faktin se nuk ka kuptim të zbatohet ligji i dytë i termodinamikës për sistemet e hapura, për shembull, për një sistem kaq të pakufishëm dhe në zhvillim të pafund si Universi. F. Engels gjithashtu vuri në dukje mospërputhjen e përfundimit për vdekjen nga nxehtësia në veprën e tij "Dialektika e natyrës".

Dy ligjet e para të termodinamikës ofrojnë informacion të pamjaftueshëm për sjelljen e sistemeve termodinamike në zero Kelvin. Ato plotësohen ligji i tretë i termodinamikës, ose Teorema e Nernst-it(W. F. G. Nernst (1864-1941) - fizikan dhe kimist fizik gjerman) - Dërrasë: Entropia e të gjithë trupave në një gjendje ekuilibri tenton në zero ndërsa temperatura i afrohet zeros Kelvin:

Meqenëse entropia përcaktohet deri në një konstante shtesë, është e përshtatshme të merret kjo konstante e barabartë me zero (gjithsesi, kini parasysh se ky është një supozim arbitrar, pasi entropia nga natyra e saj thelbi gjithmonë i përcaktuar deri në një konstante aditiv). Nga teorema Nernst-Planck rrjedh se kapacitetet e nxehtësisë S f Dhe C V në 0K ato janë zero.