конспект лекций, вопросы к экзамену

Законы и парадоксы термодинамики (демон Максвелла, тепловая смерть).

Термодинамика – это наука, которая разрабатывает общие методы исследования энергетических явлений.

Данная наука является разделом молекулярной физики. Термодинамика рассматривает макроскопические свойства тел и явлений, не занимаясь молекулярным строением вещества. Но, не смотря на общие выводы, термодинамика дает возможность сделать предположения относительно течения микропроцессов.

Основные законы термодинамики

Открытие закона сохранения энергии дало начало термодинамическим исследованиям. Термодинамику считают количественной теорией тепловых процессов. Развитие техники, появление первых тепловых двигателей дало толчок для развития данной науки. Первой задачей термодинамики стало: получение оптимальных условий использования теплоты при совершении работы. Термодинамику называют описательной (феноменологической) теорией.

Для описания процессов обмена энергией в термодинамике применяют понятия и величины, смысл которых не связан с представлениями о микромире. Это так называемые макроскопические (феноменологические, термодинамические) параметры. Данные понятия имеют смысл только для макроскопических тел.

Первый закон термодинамики - закон сохранения и превращения энергии. Энергия не исчезает и не творится вновь, а только переходит из одной формы в другую: механическая работа, кинетическая энергия и тепловая могут превращаться друг в друга.

Второй закон термодинамики гласит: Если любой вид энергии можно трансформировать в эквивалентное количества тепла, то в случае обратного превращения полная трансформация невозможна. Свободная энергия способна к превращениям и к совершению полезной работы. Связанная энергия составляет ту «непроизводительную» часть, которая не переходит в другие формы и рассеивается в виде тепла, характеризуя меру термодинамической неупорядоченности системы, называемую эктропией. Коэффициент полезного действия живой клетки определяется: КПД = Внешняя работа / Вырабатываемая энергия * 100%. Вследствие энтропии КПД живых организмов всегда очень низок. При мышечном сокращении, например, 80% энергии теряются в виде теплоты и только 20% превращаются в механическую работу.

Третий закон описывает поведение энтропии вблизи абсолютного температурного нуля. Есть еще одно начало, последнее. Оно носит название “нулевой закон термодинамики”. Смысл его заключается в том, что любая замкнутая система придет к состоянию термодинамического равновесия и из него выйти уже самостоятельно не сможет. При этом ее начальное состояние может быть любым.

Достоинством термодинамического метода можно считать то, что термодинамические методы и соотношения не сохраняются при развитии или даже принципиальном изменении представлений о строении вещества. Общие термодинамические соотношения можно применять к веществам в любом состоянии (газам, твердым телам, жидкостям, даже электромагнитному излучению).

К недостаткам термодинамического метода можно отнести то, что для применения общих соотношений термодинамики для конкретных случаев необходима информация о свойствах вещества. Это требует опытного исследования каждого конкретного вещества.

 

Энтропия — широко используемый в естественных и точных науках термин. Впервые введён в рамках термодинамики как функция состояния термодинамической системы. Энтропия определяет меру необратимого рассеивания энергии или бесполезности энергии, ибо не всю энергию системы можно использовать для превращения в какую-нибудь полезную работу. Для понятия энтропии в данном разделе физики используют название термодинамическая энтропия.

Парадоксами термодинамики называют физические теории, вписывающиеся в данную парадигму, однако не подтвержденные эмпирически.

Парадокс Гиббса — отсутствие непрерывности для энтропии при переходе от смешения различных газов к смешению тождественных газов, когда, например, при переходе от бесконечно мало отличающихся идеальных газов к тождественным расчётное значение энтропии смешения падает скачком до нуля, что представляется неожиданным и нелогичным.

Хотя парадокс Гиббса касается поведения термодинамической энтропии, его объяснение выходит за рамки собственно термодинамики. Парадокс был сформулирован Дж. У. Гиббсом в 1875 г. одновременно с вариантом его объяснения. Сам Гиббс ничего парадоксального в поведении энтропии смешения не усматривал; термин «парадокс Гиббса» впервые был, вероятно, использован О. Видебургом (1894).

Иногда парадоксом Гиббса называют кажущуюся неаддитивность энтропии при соединении двух объёмов одного и того же идеального газа.

Тепловая смерть Вселенной - это теория, выдвинутая Р. Клаузиусом в 1865, согласно которой Вселенная рассматривается как замкнутая система, поэтому согласно второму началу термодинамики, энтропия Вселенной стремится к максимуму, в результате чего со временем в ней должны прекратиться все макроскопические процессы.

Вселенная: споры о замкнутой и незамкнутой системе

Вспомним для начала, в чем заключается суть второго начала термодинамики: при протекании необратимых процессов в замкнутой системе энтропия системы возрастает. Для сравнения: в незамкнутых системах энтропия может как возрастать, так и убывать, а также оставаться без изменения.

Вернемся к нашей Вселенной. Вселенная, по мнению Клаузиуса, является, бесспорно, замкнутой системой, так как она не обменивается энергией с другими системами (ведь не существует никакой другой Вселенной вне нашей?). Как замкнутая система Вселенная стремится к равновесному состоянию - состоянию с максимумом энтропии. Таким образом, все происходящие во Вселенной процессы должны рано или поздно затухнуть, прекратиться.

Почему критикуют теорию тепловой смерти Вселенной?

Критика теории тепловой смерти Вселенной основывается в основном на утверждении, что, несмотря на логичность аргументов, тепловая смерть все еще не наступила. Тем не менее, мнения ученых разделились относительно будущего нашей Вселенной.

Гипотеза неверна, потому что:

1 версия: Одни ученые утверждают, что тепловая смерть Вселенной невозможна, так как второй закон термодинамики неверен или просто неточен, так как не применим ко всей Вселенной в целом. Дело в том, что состояние с максимумом энтропии можно воспринимать лишь как идеал, так как закон возрастания энтропии не носит абсолютный характер (а подчинен вероятностным законам). Другими словами, из-за случайных флуктуаций (колебаний) энтропия в системе будет всегда ниже максимума.

2 версия: Еще одним аргументом против теории Клаузиуса становится понимание Вселенной как бесконечной, поэтому ее нельзя назвать ни замкнутой, ни незамкнутой системой (так как эти критерии используются для конечных объектов). Поэтому вполне логично предположить, что в условиях бесконечности второй закон термодинамики не применим в принципе, или должен быть дополнен.

В любом случае знания о Вселенной еще ничтожно малы, поэтому любые прогнозы относительно будущего Вселенной остаются лишь догадками. Например, сегодня среди ученых есть и сторонники теории тепловой смерти Вселенной, которые утверждают, что подобный сценарий развития событий должен рассматриваться наравне с другими, так как человечество до сих пор не может утверждать наверняка, является ли Вселенная бесконечной, или же она все-таки конечна, поэтому может пониматься как замкнутая система.

Демон Максвелла

Важный элемент мысленного эксперимента крупного английского физика Максвелла. Предназначался для нападения на второй принцип термодинамики. В мысленном эксперименте Максвелла рядом с отверстием в пробирке, разделяющей сосуд с движущимися молекулами, располагается гипотетическое существо / механизм / энергетическая плёнка. Демон пропускает в одну сторону быстрые «горячие» молекулы, а в другую — медленные «холодные». Что из этого получается:

  • Мы можем получать дармовую энергию просто из окружающей среды за счёт её охлаждения (создать очень высокую температуру в одной половине сосуда и очень низкую — в другой).

  • Другими словами, это вечный двигатель второго рода: КПД 100 %, любая энергия утилизируется полностью.

  • В необозримо далёком будущем демон Максвелла позволил бы предотвратить Тепловую Смерть Вселенной. Ну, хотя бы теоретически, т. к. технологически неясно, как можно построить такой циклопический фильтр. И то, не факт, что произойдёт именно тепловая смерть Вселенной: космос может, наоборот, обратиться обратно в сингулярность.

Современные физики типа Хокинга, обосновывая невозможность демона Максвелла, ссылаются на уменьшение энтропии в области, в которой он работает.

24.12.2019; 08:00
просмотров: 72