Другий закон термодинаміки. Трактування, теоретичне і практичне обґрунтування
У фізиці, так як вона є точною наукою, більшість догм доводиться емпіричним шляхом. Саме таким чином був виведений другий закон термодинаміки, який сьогодні вивчається в кожній школі. Незворотність теплових процесів - ось про що він говорить. Варто відзначити, що на початкових етапах вивчення таке трактування куди більш зрозуміла.
Загальні уявлення
Фізичним принципом, який обмежує напрямки різних процесів в термодинамічних системах, є другий закон термодинаміки. Визначення даного терміну було сформовано в 19 столітті, спочатку Рудольфом Клаузісом, а потім Вільямом Томсоном (лордом Кельвіном). Відповідно до двох постулатів в світі не може існувати якийсь вічний двигун другого роду. Немає і не буде такої установки, яка б тепло, що виходить від всіх речей, живих істот і явищ, перетворювала в енергію для своєї постійної роботи. Виходячи з цього було виведено правило, що ККД не може дорівнювати одиниці. Порівняти це можна з роботою холодильника, де температура, припустимо, буде дорівнює абсолютного нуля. В таких умовах кругової обмін теплом виключений.
Формулювання Рудольфа Клаузиса
Першим озвучив другий закон термодинаміки Р. Клаузиса - німецький фізик-практик і математик. За його словами, круговий процес, в якому результат досягається шляхом передачі теплоти від менш нагрітого тіла до більш нагрітого, неможливий. Іншими словами, температура в повній або частковій мірі може вільно переходити від більш теплого тіла до більш охолодженого, але у зворотному напрямку цей процес відбуватиметься не зможе. Це наочним чином демонструє нам відсутність циклічності, замкнутого кола. Такі поняття неприйнятні для термодинаміки. Між тілами просто відбувається обмін теплом, і в результаті цих дій не проводиться зайва енергія.
Постулат, виведений лордом Кельвіном
Аналогічне визначення другий закон термодинаміки отримав в працях Томсона - британського фізика і механіка. Теоретично він звучить так: «Циклічний процес, єдиним результатом якого могла б бути робота, що отримується шляхом охолодження теплого тіла або резервуара, неможливий». Щоб зрозуміти більш ясно таке трактування, уявімо собі якусь машину (відповідно до термодинамічних постулатом вона існувати не може). Вона періодично охолоджує резервуар з постійно гарячою водою, отримуючи від цього теплову енергію. За рахунок цієї енергії машина піднімає різні вантажі, як будівельний кран. При цьому в ній немає мотора, силових установок та іншого механічного наповнення. У погляду емпіричної фізики таке неможливо.
Що спільного?
Тепер розглянемо, яким чином ці два трактування об'єднуються і на що в принципі спирається другий закон термодинаміки. Ентропія - та сама міра хаосу, яка збільшується в процесі обміну теплом. Саме вона є сполучною елементом для опису Клаузиса і Кельвіна. Але повернемося трохи назад. Друге початок термодинаміки говорить, що при обміні теплом енергія убуває (тому отримання роботи ніяк неможливо), але при цьому міра хаосу збільшується. Цей процес незворотній, і часто його називають стихійним. У термодинаміки ентропія постійно примножується, але її знищення неможливо. Саме тому навіть 100 відсотків енергії, які знаходяться в будь-якому тілі, не можуть перетворитися в роботу.
Що таке міра хаосу?
Саме поняття ентропії вперше було сформульовано устами Клаузиса. Воно застосовувалося для визначення міри незворотного процесу розсіювання енергії. Це була свого роду різниця відхилення реального процесу від ідеального. Ентропія в замкнених системах, де будь-які процеси відбуваються циклічно, має постійну величину. Якщо ж процес незворотний (що безпосередньо стосується термодинаміки), то ентропія завжди має позитивне значення. Також варто виділити, що міра хаосу породжується абсолютно всіма процесами, які відбуваються у Всесвіті. При постійних показниках обсягу та енергії якого-небудь тіла або резервуара ентропія постійно зростає. Якщо дані показники періодично змінюються, то міра хаосу може зменшитися за рахунок виробленої роботи, але її повне знищення неможливо. При цьому варто відзначити, що ентропія Всесвіту не зменшується. Вона залишається або в нормі, або безповоротно збільшується.
Наочний приклад
Другий закон термодинаміки можна пояснити на стандартному прикладі, який часто призводять школярам. У нас є два тіла з різною температурою. Більш нагріта субстанція буде віддавати своє тепло менш нагрітої до тих пір, поки їх температурні показники не зрівняються. В ході даного процесу ентропія у першого, більш теплого тіла зменшиться на менший показник, ніж вона збільшиться у другого, більш прохолодного тіла. В результаті подібний мимовільний процес створить ентропію системи, показник якої буде вище, ніж сумарне значення ентропій двох тіл в первісному положенні. Іншими словами, міра хаосу системи двох субстанцій, отримана в результаті обміну теплом, збільшилася.
Теплова смерть Всесвіту
Проводячи свої розслідування, Клаузиса прийшов до висновку, що яким би відкритим нам не здавалося простір (наша планета, її окремі території, акваторії і т.д.), все це знаходиться в космосі. Всесвіт, в свою чергу, є величезним замкнутим простором, в рамках якого відбуваються макроскопічні процеси. В силу того, що в замкнутій системі ентропія постійно збільшує свій показник, наш світ наближається до того, що скоро в ньому міра хаосу досягне нескінченної величини. Це означає, що всі процеси попросту припиняться за рахунок того, що енергія вичерпає себе. Така критична точка, якої ми досягнемо, можливо, в якомусь майбутньому, отримала назву теплової смерті. Виходить, що всі наші дії (руху, ходьба, біг), всі явища, які відбуваються на планеті (подих вітру, цунамі, руху літосферних плит), - все це викликає необоротне збільшення ентропії і вичерпує енергію.
Спростування теорії
Судити про все космосі осіб досі не може. Ми бачимо лише частину світу, в якому живемо, і досліджуємо цей куточок, доводячи певні закони і формуючи на основі цього свої уявлення. Тому перше спростування можливості теплової смерті, яка заснована на другому законі термодинаміки, полягає в тому, що Всесвіт може і не бути замкнутою системою. Достеменно відомо, що 85 відсотків космосу складається з антиматерії, властивості якої нікому невідомі. Друге спростування полягає в тому, що наш космос, навіть якщо і замкнутий, є суцільною флуктуацией. З-за різних коливань і змін розмірів, мас, показників енергії і температури ентропія не збільшується (в сумарному, вселенському значенні) і не зменшується. Отже, ми і так перебуваємо в стані термодинамічної рівноваги, або ж, словами Клаузиса, в стані теплової смерті.
Підводимо підсумки
Другий закон термодинаміки нерозривно пов'язаний з розвитком точних наук. Він був відкритий на зорі науково-технічного прогресу і став, можна сказати, відправною точкою для подальших робіт вчених у галузі математики, фізики та астрономії. Варто відзначити, що все це ми представляємо суто в земних умовах. Цілком імовірно, що в іншому середовищі, де гравітаційні поля мають іншу силу, термодинаміка буде працювати за зовсім іншою схемою.
