Termodinamiğin ikinci yasası

Tarihsel olarak termodinamiğin ikinci yasası, ısı motorlarının çalışmasının analizinden ortaya çıkmıştır (S. Carnot, 1824). Bunun birkaç eşdeğer formülasyonu vardır. "Termodinamiğin ikinci yasası" adı ve tarihsel olarak ilk formülasyonu (1850) R. Clausius'a aittir.

Enerjinin korunumu ve dönüşümü yasasını ifade eden termodinamiğin birinci yasası, termodinamik süreçlerin akış yönünün belirlenmesine izin vermez. Ayrıca enerjinin korunduğu birinci yasayla çelişmeyen ancak doğada gerçekleşmeyen birçok süreç hayal edilebilir.

Deneyimler, farklı enerji türlerinin, diğer enerji türlerine dönüşme yeteneği açısından eşit olmadığını göstermektedir. Mekanik enerji tamamen herhangi bir cismin iç enerjisine dönüştürülebilir. İç enerjinin diğer türlere ters dönüşümü için belirli kısıtlamalar vardır: iç enerji stoğu hiçbir durumda tamamen diğer enerji türlerine dönüştürülemez. Doğadaki süreçlerin yönü, enerji dönüşümlerinin belirtilen özellikleriyle bağlantılıdır.

Termodinamiğin ikinci yasası, sonlu bir hızda meydana gelen makroskobik süreçlerin tersinmezliğini belirleyen ilkedir.

Tamamen mekanik (sürtünmesiz) veya elektrodinamik (Joule ısı salınımı olmadan) tersine çevrilebilir süreçlerin aksine, sonlu bir sıcaklık farkında (yani sonlu bir hızda akma) ısı transferiyle, sürtünmeyle, gazların difüzyonuyla, gazların bir alana genleşmesiyle ilişkili süreçler. boşluk, Joule ısısının açığa çıkması vb. geri döndürülemez, yani kendiliğinden yalnızca bir yönde akabilirler.

Termodinamiğin ikinci yasası, doğal süreçlerin yönünü yansıtır ve makroskobik sistemlerdeki enerji dönüşümlerinin olası yönlerine kısıtlamalar getirerek doğada hangi süreçlerin mümkün olduğunu ve hangilerinin olmadığını gösterir.

Termodinamiğin ikinci yasası, termodinamik çerçevesinde kanıtlanamayan bir önermedir. Deneysel gerçeklerin genelleştirilmesine dayanarak oluşturuldu ve çok sayıda deneysel onay aldı.

Termodinamiğin ikinci yasasının ifadeleri

1). Carnot'un formülasyonu: Bir ısı motorunun en yüksek verimliliği, çalışma akışkanının türüne bağlı değildir ve tamamen sınırlayıcı sıcaklıklarla belirlenir., makinenin çalıştığı aralık.

2). Clausius'un formülasyonu: Tek sonucu enerjinin daha az ısıtılmış bir cisimden ısı biçiminde aktarılması olan hiçbir süreç mümkün değildir., daha sıcak bir vücuda.

Termodinamiğin ikinci yasası, ısının daha az ısıtılan bir cisimden daha sıcak olana transferini yasaklamaz. Böyle bir geçiş soğutma makinesinde gerçekleştirilir, ancak aynı zamanda dış kuvvetler sistem üzerinde iş yapar, yani. bu geçiş sürecin tek sonucu değildir.

3). Kelvin formülasyonu: döngüsel süreç mümkün değil, bunun tek sonucu ısının dönüşümüdür, ısıtıcıdan alınan, eşdeğer bir işe.

İlk bakışta böyle bir formülasyon ideal bir gazın izotermal genleşmesiyle çelişiyormuş gibi görünebilir. Aslında ideal bir gazın bir cisimden aldığı ısının tamamı tamamen işe dönüştürülür. Ancak ısının elde edilmesi ve işe dönüştürülmesi sürecin tek nihai sonucu değildir; ayrıca işlem sonucunda gazın hacminde de bir değişiklik meydana gelir.

Not:: "Tek sonuç" sözlerine dikkat etmek gerekir; Söz konusu süreçlerin tek olmaması durumunda ikinci yasanın yasakları kaldırılır.

4). Ostwald'ın formülasyonu: ikinci türden bir sürekli hareket makinesinin uygulanması imkansızdır.

İkinci türden bir sürekli hareket makinesi, periyodik olarak çalışan bir cihazdır, bir ısı kaynağını soğutarak çalışır.

Böyle bir motora örnek olarak denizden ısı alan ve bunu gemiyi hareket ettirmek için kullanan bir gemi motoru verilebilir. Böyle bir motor neredeyse sonsuz olacaktır çünkü. Çevredeki enerji arzı neredeyse sınırsızdır.

İstatistiksel fizik açısından termodinamiğin ikinci yasası istatistiksel bir karaktere sahiptir: sistemin en olası davranışı için geçerlidir. Dalgalanmaların varlığı bunun tam olarak uygulanmasını engellemektedir, ancak herhangi bir ciddi ihlal olasılığı son derece düşüktür.

Entropi

"Entropi" kavramı 1862 yılında R. Clausius tarafından bilime kazandırılmış ve iki kelimeden oluşmuştur: " tr"- enerji" kinaye» - Dönüyorum.

Termodinamiğin sıfır yasasına göre, izole edilmiş bir termodinamik sistem zamanla kendiliğinden termodinamik denge durumuna geçer ve dış koşullar değişmeden kalırsa keyfi olarak uzun bir süre bu dengede kalır.

Denge durumunda, sistemin her türlü enerjisi, sistemi oluşturan atom ve moleküllerin kaotik hareketinin termal enerjisine dönüştürülür. Böyle bir sistemde makroskobik bir süreç mümkün değildir.

Entropi, yalıtılmış bir sistemin denge durumuna geçişinin niceliksel bir ölçüsü olarak hizmet eder. Sistem denge durumuna geçtikçe entropisi artar ve denge durumuna ulaşıldığında maksimuma ulaşır.

Entropi, termodinamik sistemin durumunun bir fonksiyonudur ve şu şekilde gösterilir: .

Teorik gerekçe: azaltılmış ısı,entropi

Carnot çevriminin verimliliğine ilişkin ifadeden: şu şekildedir veya çalışma akışkanının buzdolabına verdiği ısı miktarını kabul ediyoruz: .

O zaman son ilişki şu şekilde yazılabilir:

İzotermal bir süreçte cisim tarafından alınan ısının, ısı veren cismin sıcaklığına oranına denir. azaltılmış ısı miktarı:

Formül (2) dikkate alındığında formül (1) şu şekilde temsil edilebilir:

onlar. Carnot çevrimi için azaltılmış ısı miktarlarının cebirsel toplamı sıfırdır.

Sürecin sonsuz küçük bir bölümünde vücuda verilen azaltılmış ısı miktarı: .

İsteğe bağlı bir bölüm için azaltılmış ısı miktarı:

Titiz bir teorik analiz, herhangi bir tersinir dairesel süreç için azaltılmış ısı miktarlarının toplamının sıfır olduğunu göstermektedir:

İntegralin (4) sıfıra eşitliğinden, integralin, yalnızca sistemin durumu tarafından belirlenen ve sistemin bu duruma gelme yoluna bağlı olmayan bir fonksiyonun toplam diferansiyeli olduğu sonucu çıkar:

Tek değer durumu işlevi, toplam diferansiyel olan ,entropi denir .

Formül (5) yalnızca tersinir süreçler için geçerlidir; dengenin olmadığı tersinmez süreçler durumunda böyle bir gösterim geçerli değildir.

Entropi özellikleri

1). Entropi keyfi bir sabite kadar belirlenir. Fiziksel anlamı olan entropinin kendisi değil, iki durumun entropileri arasındaki farktır:

. (6)

Örnek: Eğer sistem (ideal gaz) durum 1'den durum 2'ye denge geçişi yaparsa, entropideki değişim şöyle olur:

,

Nerede ; .

onlar. İdeal bir gazın durum 1'den durum 2'ye geçişi sırasında entropisindeki değişiklik, geçiş sürecinin türüne bağlı değildir.

Genel durumda, formül (6)'da entropi artışı entegrasyon yoluna bağlı değildir.

2) Entropinin mutlak değeri, termodinamiğin üçüncü yasası (Nernst teoremi) kullanılarak belirlenebilir:

Herhangi bir cismin sıcaklığı mutlak sıfıra yaklaştığında entropisi de sıfıra yaklaşır: .

Böylece, entropinin başlangıç ​​referans noktası için şu nokta alınır: .

3). Entropi ilave bir miktardır, yani. Birkaç cisimden oluşan bir sistemin entropisi, her bir cismin entropilerinin toplamıdır: .

4). İç enerji gibi entropi de termodinamik sistemin parametrelerinin bir fonksiyonudur .

5), Sabit entropide meydana gelen sürece denir izantropik.

Isı transferi olmayan denge süreçlerinde entropi değişmez.

Özellikle, tersinir bir adyabatik süreç izentropiktir: bunun için; yani .

6). Sabit hacimde entropi, vücudun iç enerjisinin monoton olarak artan bir fonksiyonudur.

Aslında termodinamiğin birinci yasasından şu sonuç çıkıyor: , Daha sonra . Ama sıcaklık her zaman Bu nedenle, artışlar ve kanıtlanması gereken aynı işarete sahiptir.

Çeşitli süreçlerdeki entropi değişimi örnekleri

1). İdeal bir gazın izobarik genişlemesi ile

2). İdeal bir gazın izokorik genişlemesi ile

3). İdeal bir gazın izotermal genleşmesinde

.

4). Faz geçişleri sırasında

Örnek: Belirli bir sıcaklıktaki bir buz kütlesinin buhara dönüşümü sırasında entropideki değişimi bulun.

Çözüm

Termodinamiğin birinci yasası: .

Mendeleev-Clapeyron denkleminden şu şekilde çıkar: .

O zaman termodinamiğin birinci yasasına ilişkin ifadeler şu şekli alacaktır:

.

Bir toplanma durumundan diğerine geçiş sırasında entropideki toplam değişiklik, bireysel süreçlerdeki değişikliklerden oluşur:

A). Buzun sıcaklıktan erime noktasına kadar ısıtılması:

buzun özgül ısı kapasitesi nerede.

B). Eriyen buz: , buzun erimesinin özgül ısısı nerede.

İÇİNDE). Suyu sıcaklıktan kaynama noktasına kadar ısıtmak:

suyun özgül ısı kapasitesi nerede.

G). Suyun buharlaşması: suyun buharlaşma özgül ısısı nerede.

O halde toplam entropi değişimi:

Entropi Arttırma Prensibi

Herhangi bir kapalı sistemin entropisi, içinde meydana gelen süreçler azalmaz:

veya son işlem için: , dolayısıyla: .

Eşit işareti tersinir bir süreci, eşitsizlik işareti ise tersinmez bir süreci ifade eder. Son iki formül termodinamiğin ikinci yasasının matematiksel ifadesidir. Böylece, "entropi" kavramının tanıtılması, termodinamiğin ikinci yasasını kesin olarak matematiksel olarak formüle etmeyi mümkün kıldı.

Geri dönüşü olmayan süreçler bir denge durumunun oluşmasına yol açar. Bu durumda izole bir sistemin entropisi maksimuma ulaşır. Böyle bir sistemde makroskobik bir süreç mümkün değildir.

Entropideki değişimin büyüklüğü, sürecin geri döndürülemezlik derecesinin niteliksel bir özelliğidir.

Entropinin arttırılması ilkesi yalıtılmış sistemler için geçerlidir. Sistem izole edilmezse entropisi azalabilir.

Çözüm: Çünkü tüm gerçek süreçler geri döndürülemezdir, bu durumda kapalı bir sistemdeki tüm süreçler entropisinde bir artışa yol açar.

İlkenin teorik olarak doğrulanması

Carnot çevrimini gerçekleştiren, bir ısıtıcı, bir buzdolabı, bir çalışma akışkanı ve yapılan işin bir "tüketicisinden" (çalışma akışkanıyla yalnızca iş biçiminde enerji alışverişi yapan bir cisim) oluşan kapalı bir sistemi ele alalım. Bu, entropi değişimi şu şekilde olan tersinir bir süreçtir:

,

çalışma akışkanının entropisindeki değişim nerede; ısıtıcının entropisindeki değişimdir; buzdolabının entropisindeki değişimdir; – işin “tüketicisinin” entropisindeki değişiklik.

Soldaki çizimde: Hıristiyan muhafazakarların termodinamiğin ikinci yasasına karşı protestosu. Posterlerdeki yazılar: Üzeri çizili "entropi" kelimesi; "Bilimin ve oy vermenin temel ilkelerini kabul etmiyorum."

TERMODİNAMİĞİN İKİNCİ KÖKENİ VE YARATILIŞ SORULARI

2000'li yılların başında, bir grup muhafazakar Hıristiyan, temel bir bilimsel prensibin - termodinamiğin ikinci yasasının (soldaki fotoğrafa bakınız) kaldırılmasını talep etmek için Kongre Binası'nın (Kansas, ABD) merdivenlerinde toplandı. Bunun nedeni, Evrenin ısıl ölümünü öngören bu fiziksel yasanın, Yaratıcıya olan inançlarıyla çeliştiğine inanmalarıydı. Göstericiler, böyle bir geleceğe doğru ilerleyen bir dünyada yaşayıp çocuklarına bunu öğretmek istemediklerini söyledi. Termodinamiğin ikinci yasasına karşı yürütülen kampanyanın önderlik ettiği kişi, bu yasanın "çocuklarımızın evreni yardımsever ve sevgi dolu bir Tanrı tarafından yaratılmış bir dünya olarak anlamasını tehdit ettiğine" inanan Kansas eyaleti senatöründen başkası değil.

Paradoksal olarak, aynı ABD'de, Yaratılış Araştırma Enstitüsü başkanı Duane Gish'in liderliğindeki başka bir Hıristiyan eğilim, tam tersine, termodinamiğin ikinci yasasını bilimsel olarak düşünmekle kalmıyor, aynı zamanda ona şevkle başvuruyor. dünyanın Tanrı tarafından yaratıldığına inanılır. Ana argümanlarından biri, etraftaki her şeyin yaratılışa değil, kendiliğinden yok olmaya eğilimli olması nedeniyle yaşamın kendiliğinden ortaya çıkamayacağıdır.

Bu iki Hıristiyan eğilimi arasındaki bu kadar çarpıcı çelişki karşısında doğal bir soru ortaya çıkıyor: Bunlardan hangisi doğru? Peki haklı olan var mı?

Bu makalede termodinamiğin ikinci yasasını uygulamanın mümkün olduğu ve nerede imkansız olduğunu ve bunun Yaradan'a olan inançla nasıl bağlantılı olduğunu ele alacağız.

Termodinamikısı ve diğer enerji formlarının ilişkilerini ve dönüşümlerini inceleyen bir fizik dalıdır. Termodinamiğin ilkeleri (bazen kanunları) olarak adlandırılan birkaç temel prensibe dayanmaktadır. Bunların arasında belki de en ünlüsü ikinci başlangıçtır.

Termodinamiğin ikinci yasasının yukarıdakilere ek olarak başka formülasyonları da vardır. Bahsettiğimiz tüm yaratılış tartışması bunlardan birinin etrafında dönüyor. Bu formülasyon, birazdan tanımamız gereken entropi kavramıyla ilgilidir.

Entropi(tanımlardan birine göre) sistemin düzensizliğinin veya rastgeleliğinin bir göstergesidir. Basit bir ifadeyle, sistemde ne kadar kaos hüküm sürerse entropisi de o kadar yüksek olur. Termodinamik sistemler için entropi ne kadar yüksek olursa, sistemi oluşturan maddi parçacıkların (örneğin moleküllerin) hareketi de o kadar kaotik olur.

Zamanla bilim insanları entropinin daha geniş bir kavram olduğunu ve yalnızca termodinamik sistemlere uygulanamayacağını fark etti. Genel olarak, herhangi bir sistemde değişebilen - artabilen veya azalabilen belirli miktarda kaos vardır. Bu durumda entropiden bahsetmek yerinde olacaktır. İşte bazı örnekler:

· Bir bardak su. Su donup buza dönüşürse, molekülleri bir kristal kafese bağlanır. Bu, suyun erimesi ve moleküllerin rastgele hareket etmesi durumundan daha büyük bir düzene (daha az entropi) karşılık gelir. Bununla birlikte, eridikten sonra su hala belirli bir şekli - içinde bulunduğu camı - korur. Su buharlaşırsa moleküller daha da yoğun hareket eder ve kendilerine sağlanan hacmin tamamını kaplayarak daha da düzensiz hareket ederler. Böylece entropi daha da artar.

· Güneş Sistemi. Onda da hem düzen hem de düzensizlik gözlemlenebilir. Gezegenler yörüngelerinde öyle bir hassasiyetle hareket ediyorlar ki, gökbilimciler bin yıl sonraki herhangi bir zamanda onların konumlarını tahmin edebiliyorlar. Bununla birlikte, güneş sisteminde daha düzensiz hareket eden birkaç asteroit kuşağı vardır; çarpışır, kırılır ve bazen diğer gezegenlere düşer. Kozmologlara göre, başlangıçta tüm güneş sistemi (Güneş'in kendisi hariç), daha sonra katı gezegenlerin oluştuğu bu tür asteroitlerle doluydu ve bu asteroitler şimdiye kadar olduğundan daha da kaotik bir şekilde hareket ediyordu. Eğer bu doğruysa, güneş sisteminin (Güneş dışında) entropisi başlangıçta daha yüksekti.

· Gökada. Bir galaksi, merkezi etrafında hareket eden yıldızlardan oluşur. Ancak burada bile belli bir düzensizlik var: Yıldızlar bazen çarpışıyor, hareket yönünü değiştiriyor ve yörüngelerinin karşılıklı etkisi nedeniyle ideal değiller, biraz kaotik bir şekilde değişiyorlar. Yani bu sistemde entropi sıfıra eşit değildir.

· Çocuk odası. Küçük çocuğu olanlar için entropi artışı sıklıkla kendi gözleriyle gözlemlenir. Temizlik yapıldıktan sonra dairede göreceli bir düzen hakim olur. Ancak bir veya iki çocuğun uyanık halde orada kalması için birkaç saat (ve bazen daha az), bu dairenin entropisinin önemli ölçüde artması için yeterlidir ...

Son örnek sizi gülümsettiyse, büyük ihtimalle entropinin ne olduğunu anlamışsınızdır.

Termodinamiğin ikinci yasasına dönecek olursak, dediğimiz gibi onun entropi kavramıyla ilgili başka bir formülasyonu daha olduğunu hatırlıyoruz. Şöyle geliyor: Yalıtılmış bir sistemde entropi azalamaz. Başka bir deyişle, dış dünyadan tamamen kopmuş bir sistemde düzensizlik kendiliğinden azalamaz; yalnızca artabilir veya aşırı durumlarda aynı düzeyde kalabilir.

Sıcak, kilitli bir odaya bir buz küpü koyarsanız bir süre sonra eriyecektir. Ancak bu odadaki su birikintisi asla kendi başına bir buz küpüne dönüşmeyecektir. Oradaki parfüm şişesini açın, koku odaya yayılacaktır. Ama hiçbir şey onu şişeye geri döndüremez. Oraya bir mum yakarsan söner ama hiçbir şey dumanın tekrar muma dönüşmesini sağlayamaz. Tüm bu süreçler yönlüdür ve geri döndürülemez. Sadece bu odada değil, tüm Evrende meydana gelen süreçlerin bu kadar geri döndürülemezliğinin nedeni tam olarak termodinamiğin ikinci yasasında yatmaktadır.

Ancak bu yasa, tüm görünürdeki basitliğine rağmen, klasik fiziğin en zor ve sıklıkla yanlış anlaşılan yasalarından biridir. Gerçek şu ki, onun ifadelerinde bazen yeterince dikkat edilmeyen bir kelime var - "izole edilmiş" kelimesi. Termodinamiğin ikinci yasasına göre entropi (kaos) yalnızca yalıtılmış sistemlerde azalamaz. Kanun budur. Ancak diğer sistemlerde bu artık bir yasa değildir ve entropi artabilir veya azalabilir.

Yalıtılmış sistem nedir? Termodinamik açısından genel olarak ne tür sistemlerin mevcut olduğuna bakalım:

· Açık. Bunlar dış dünyayla madde (ve muhtemelen enerji) alışverişi yapan sistemlerdir. Örnek: araba (benzin, hava tüketir, ısı üretir).

· Kapalı. Bunlar çevredeki dünyayla madde alışverişi yapmayan ancak onunla enerji alışverişi yapabilen sistemlerdir. Örnek: uzay aracı (mühürlüdür ancak güneş panelleriyle güneş enerjisini emer).

· İzole edilmiş (kapalı). Bunlar dış dünyayla madde ve enerji alışverişi yapmayan sistemlerdir. Örnek: termos (kapalı ve ısıyı korur).

Belirttiğimiz gibi, termodinamiğin ikinci yasası listelenen sistem türlerinin yalnızca üçüncüsü için geçerlidir.

Örnek vermek gerekirse, kilitli bir sıcak oda ve içinde eriyen bir buz parçasından oluşan bir sistemi hatırlayalım. İdeal durumda bu, yalıtılmış bir sisteme karşılık geliyordu ve bu durumda entropisi arttı. Ancak şimdi dışarının çok soğuk olduğunu ve pencereyi açtığımızı hayal edelim. Sistem açıldı: odaya soğuk hava girmeye başladı, odadaki sıcaklık sıfırın altına düştü ve daha önce su birikintisine dönüşen buz parçamız yeniden dondu.

Gerçek hayatta kilitli bir oda bile izole bir sistem değildir çünkü aslında cam ve hatta tuğlalar ısının içeri girmesine izin verir. Yukarıda da belirttiğimiz gibi ısı da bir enerji türüdür. Dolayısıyla kilitli oda aslında izole değil, kapalı bir sistemdir. Tüm pencereleri ve kapıları sıkıca kapatsak bile, ısı yine de yavaş yavaş odadan çıkacak, donacak ve su birikintimiz de buza dönüşecektir.

Benzer bir örnek ise dondurucu odasıdır. Dondurucu kapalı olduğu sürece sıcaklığı oda sıcaklığıyla aynıdır. Ancak ağa bağladığınız anda soğumaya başlıyor ve sistemin entropisi azalmaya başlıyor. Bu, böyle bir sistemin kapalı hale gelmesi, yani çevreden enerji (bu durumda elektrik) tüketmesi nedeniyle mümkün olmaktadır.

İlk durumda (bir parça buz içeren bir oda) sistemin çevreye enerji vermesi, ikinci durumda (donduruculu bir oda) ise tam tersine onu alması dikkat çekicidir. Ancak her iki sistemin de entropisi azaldı. Bu, termodinamiğin ikinci yasasının değişmez bir yasa olarak hareket etmeyi bırakması için, genel durumda, önemli olanın enerji transferinin yönü değil, sistem ile sistem arasındaki böyle bir transferin kendisi olduğu anlamına gelir. çevreleyen dünya.

CANSIZ DOĞADA ENTROPİ AZALMASI ÖRNEKLERİ. Yukarıda tartışılan sistem örnekleri insan tarafından yaratılmıştır. Cansız doğada, aklın katılımı olmadan entropinin azaldığına dair örnekler var mı? Evet, istediğin kadar.

Eğer akıllıysanız ve biraz vakit ayırırsanız buna benzer binlerce örneği hatırlayıp yazabilirsiniz. Listelenen durumların çoğunda, entropideki azalmanın izole bir kaza değil, bir düzenlilik olduğuna dikkat etmek önemlidir - buna eğilim, bu tür sistemlerin yapısının doğasında vardır. Yani bu, doğru koşullar her ortaya çıktığında gerçekleşir ve bu koşullar var olduğu sürece çok uzun bir süre devam edebilir. Bu örneklerin tümü entropiyi azaltan karmaşık mekanizmalara ya da aklın müdahalesine ihtiyaç duymaz.

Elbette sistem izole değilse içindeki entropinin azalmasına hiç gerek yok. Aksine, kendiliğinden daha sık meydana gelen entropi artışı, yani kaosun artmasıdır. Her halükarda, dikkat edilmeyen veya bakımı yapılan herhangi bir şeyin kural olarak bozulup kullanılamaz hale gelmesine ve iyileşmemesine alışığız. Hatta bunun maddi dünyanın belirli bir temel özelliği olduğu bile söylenebilir - kendiliğinden bozulma arzusu, entropinin artmasına yönelik genel eğilim.

Ancak bu alt başlık, bu genel eğilimin yalnızca izole sistemlerde geçerli olduğunu göstermiştir. Diğer sistemlerde entropinin artması bir yasa değildir; her şey belirli bir sistemin özelliklerine ve içinde bulunduğu koşullara bağlıdır. Tanım gereği termodinamiğin ikinci yasası bunlara uygulanamaz. Bazı açık veya kapalı sistemlerde entropi artsa bile, bu termodinamiğin ikinci yasasının yerine getirilmesi değil, yalnızca bir bütün olarak maddi dünyanın özelliği olan entropinin artmasına yönelik genel eğilimin bir tezahürüdür. ama mutlak olmaktan uzaktır.

Hevesli bir gözlemci yıldızlı gökyüzüne baktığında, deneyimli bir gökbilimci ona teleskopla baktığında, her ikisi de onun sadece güzelliğini değil, aynı zamanda bu makrokozmosta hüküm süren muhteşem düzeni de gözlemleyebilir.

Peki bu sıralama, evreni Tanrı'nın yarattığını kanıtlamak için kullanılabilir mi? Şöyle bir mantık yürütmek doğru olur mu: Evren, termodinamiğin ikinci yasasına göre kaosa girmediğine göre, bu onun Tanrı tarafından kontrol edildiğini kanıtlar mı?

Belki evet diye düşünmeye alışkınsınızdır. Ama aslında sanılanın aksine hayır. Daha doğrusu, bununla bağlantılı olarak biraz farklı kanıtların kullanılması mümkün ve gereklidir, ancak termodinamiğin ikinci yasasını kullanamazsınız.

İlk önce Ta ki evrenin yalıtılmış bir sistem olduğu kanıtlanana kadar. Elbette bunun tersi kanıtlanmamış olsa da, termodinamiğin ikinci yasasının genel olarak buna uygulanabileceğini kesin olarak söylemek hala imkansızdır.

Ancak diyelim ki Evrenin bir sistem olarak izolasyonu gelecekte kanıtlanacak (bu oldukça mümkün). Sonra ne?

ikinci olarak Termodinamiğin ikinci yasası, belirli bir sistemde tam olarak neyin hüküm süreceğini söylemez: düzen mi yoksa kaos mu? İkinci yasa bu düzenin veya düzensizliğin hangi yöne doğru değişeceğini, izole bir sistemde kaosun artacağını söyler. Peki evrendeki düzen hangi yönde değişiyor? Bir bütün olarak Evren hakkında konuşursak, o zaman kaos (aynı zamanda entropi) de artar. Burada Evreni tek tek yıldızlar, galaksiler veya bunların kümeleriyle karıştırmamak önemlidir. Bireysel galaksiler (kendi Samanyolumuz gibi) çok kararlı yapılar olabilir ve milyonlarca yıl boyunca hiç bozulmamış gibi görünmektedir. Ancak bunlar izole edilmiş sistemler değildir: Çevredeki alana sürekli olarak enerji (ışık ve ısı gibi) yayarlar. Yıldızlar yanar ve yıldızlararası uzaya sürekli olarak madde (“güneş rüzgarı”) yayar. Bu nedenle Evren, yıldızların ve galaksilerin yapılandırılmış maddesinin kaotik olarak dağılmış enerji ve gaza sürekli bir dönüşüm sürecinden geçer. Peki bu entropide bir artış değilse nedir?

Bu bozunma süreçleri elbette çok yavaş bir hızda gerçekleştiğinden, onları hissetmiyor gibiyiz. Ancak onları çok yüksek bir hızda (mesela trilyon kat daha hızlı) gözlemleyebilseydik, o zaman yıldızların doğumu ve ölümünün çok dramatik bir tablosu gözlerimizin önünde ortaya çıkacaktı. Evrenin başlangıcından bu yana var olan ilk nesil yıldızların çoktan öldüğünü hatırlamakta fayda var. Kozmologlara göre gezegenimiz, bir zamanlar sönmüş bir yıldızın varlığının ve patlamasının kalıntılarından oluşuyor; bu tür patlamalar sonucunda tüm ağır kimyasal elementler oluşur.

Bu nedenle, Evreni izole bir sistem olarak düşünürsek, hem geçmişte hem de bugün termodinamiğin ikinci yasası bir bütün olarak yerine getirilmiştir. Bu, Allah'ın koyduğu kanunlardan biridir ve bu nedenle Evren'de diğer fizik kanunları gibi işler.

Yukarıda söylenenlere rağmen, Evren'de hüküm süren düzen ile bağlantılı pek çok şaşırtıcı şey vardır, ancak bu termodinamiğin ikinci yasasından değil, başka nedenlerden kaynaklanmaktadır.

Böylece, "Newsweek" dergisinde (11/09/98 sayısı), Evrenin yaratılışıyla ilgili keşiflerin bizi hangi sonuçlara götürdüğü değerlendirildi. Gerçeklerin "enerjinin ve hareketin kökeninin yoktan, yani yoktan, muazzam bir ışık ve enerji patlamasıyla ortaya çıktığına tanıklık ettiğini" söyledi; bu, daha ziyade [İncil'deki kitaptaki] Yaratılış'ın tanımına karşılık geliyor." Newsweek dergisinin evrenin doğuşunun bu olayın İncil'deki tanımıyla benzerliğini nasıl açıkladığına dikkat edin.

Dergi şöyle yazıyor: “Serbest bırakılan kuvvetler şaşırtıcı derecede (harika bir şekilde?) dengeliydi ve hâlâ da öyle: Büyük Patlama biraz daha az güçlü olsaydı, evrenin genişlemesi daha yavaş olurdu ve çok geçmeden (birkaç milyon yıl içinde) olurdu. veya birkaç dakika içinde - en azından yakında) süreç tersine dönecek ve çöküş meydana gelecektir. Patlama biraz daha güçlü olsaydı, Evren çok inceltilmiş bir "sıvı çorbaya" dönüşebilir ve yıldızların oluşumu imkansız hale gelebilirdi. Varolma şansımız kelimenin tam anlamıyla astronomik derecede küçüktü. Büyük Patlama sırasında madde ve enerjinin uzayın hacmine oranının ideal oranın yüzde bir katrilyon civarında kalması gerekirdi.

Newsweek, Evrenin yaratılışını kontrol eden ve şunu bilen Birinin var olduğunu ileri sürdü: "Bir derece bile kaldırılsa (yukarıda belirtildiği gibi, hata payı yüzde birin katrilyonda biri kadardı), ... ve sonuç sadece uyumsuzluk olmazdı. ama sonsuz entropi ve buz.

Astrofizikçi Alan Lightman şunu kabul etti: "Evrenin bu kadar son derece organize bir şekilde yaratılmış olması [bilim insanları için] bir sırdır." Kendisi, "Başarılı olduğunu iddia eden herhangi bir kozmolojik teorinin eninde sonunda bu entropi gizemini açıklamak zorunda kalacağını", yani evrenin neden kaosa sürüklenmediğini ekledi. Açıkçası, olayların doğru gelişme olasılığının bu kadar düşük olması bir kaza olamaz. (Alıntı: Uyanış!, 6/22/99 sayısı, s. 7.)

Yukarıda belirtildiği gibi yaratılışçı çevrelerdeki popüler teoriler, termodinamiğin ikinci yasasının cansız maddeden yaşamın kendiliğinden ortaya çıkmasının imkansızlığını kanıtladığı yönündedir. 1970'lerin sonu ve 1980'lerin başında Yaratılış Araştırmaları Enstitüsü bu konuyla ilgili bir kitap yayınladı ve hatta bu konuda SSCB Bilimler Akademisi ile yazışmalar yapmaya çalıştı (yazışmalar başarısız oldu).

Ancak yukarıda da gördüğümüz gibi termodinamiğin ikinci yasası yalnızca yalıtılmış sistemlerde işler. Ancak Dünya, sürekli olarak Güneş'ten enerji aldığı ve tam tersine onu uzaya verdiği için izole bir sistem değildir. Ve canlı bir organizma (hatta örneğin canlı bir hücre) ayrıca çevre ve madde ile alışveriş yapar. Dolayısıyla termodinamiğin ikinci yasası tanım gereği bu konuya uygulanmaz.

Yukarıda, maddi dünyanın entropinin artmasına yönelik belirli bir genel eğilime sahip olduğu, bu nedenle şeylerin yaratıldığından daha sık yok edildiği ve kaosa sürüklendiği de belirtilmişti. Ancak belirttiğimiz gibi bu bir kanun değildir. Dahası, bize tanıdık gelen makrokozmostan ayrılırsak ve mikrokozmosa - atomların ve moleküllerin dünyasına (yani, sanıldığı gibi, yaşamın başladığı yer) dalarsak, o zaman bunun çok olduğunu göreceğiz. içindeki entropi artış süreçlerini tersine çevirmek daha kolaydır. Bazen sistemin entropisinin azalmaya başlaması için kör, kontrolsüz bir darbe yeterlidir. Gezegenimiz kesinlikle bu tür etkilerin örnekleriyle doludur: atmosferdeki güneş radyasyonu, okyanusun dibindeki volkanik ısı, dünya yüzeyindeki rüzgar vb. Ve bunların bir sonucu olarak, birçok süreç zaten onlar için ters, "olumsuz" yönde akıyor veya ters yön onlar için "uygun" hale geliyor (yukarıdaki "Cansız doğadaki azalan entropi örnekleri" alt başlığındaki örneklere bakın). Dolayısıyla entropiyi artırmaya yönelik genel eğilimimiz bile yaşamın ortaya çıkışına mutlak bir kural olarak uygulanamaz: Bunun çok fazla istisnası vardır.

Elbette yukarıdakiler, termodinamiğin ikinci yasası yaşamın kendiliğinden oluşmasını yasaklamadığına göre yaşamın kendi kendine ortaya çıkabileceği anlamına gelmez. Böyle bir süreci imkansız kılan veya son derece ihtimal dışı kılan başka birçok şey var, ancak bunların artık termodinamik ve onun ikinci yasasıyla ilgisi yok.

Örneğin bilim insanları, yapay koşullar altında, Dünya'nın birincil atmosferinde beklenen koşulları taklit ederek çeşitli amino asit türleri elde etmeyi başardılar. Amino asitler yaşamın bir tür yapı taşıdır: canlı organizmalarda proteinler (proteinler) onlardan yapılır. Ancak yaşam için gerekli olan proteinler, belirli bir sırayla birbirine bağlanan ve özel bir formda özel bir şekilde dizilen yüzlerce, bazen binlerce amino asitten oluşur (sağdaki şekle bakınız). Amino asitleri rastgele bir sırayla bağlarsanız, yalnızca nispeten basit bir fonksiyonel protein yaratma olasılığı ihmal edilebilir düzeyde olacaktır; o kadar küçük ki, bu olay asla gerçekleşmeyecektir. Bunların rastgele oluştuğunu kabul etmek, dağlarda birkaç tuğla benzeri taş bulduğunuzda, yakındaki taş evin doğal süreçlerin etkisi altında aynı taşlardan rastgele oluştuğunu iddia etmekle hemen hemen aynı şeydir.

Öte yandan, yaşamın varlığı için proteinler de tek başına yeterli değildir: Rastgele oluşumları da inanılmaz olan, daha az karmaşık DNA ve RNA moleküllerine gerek yoktur. DNA aslında protein yapmak için gerekli olan yapılandırılmış bilgilerin bulunduğu dev bir depodur. Bu bilgiyi kopyalayıp düzelten ve "üretim amacıyla" kullanan tam bir protein ve RNA kompleksi tarafından sunulur. Bütün bunlar, bileşenleri ayrı ayrı hiçbir anlam ifade etmeyen ve hiçbiri ondan çıkarılamayan tek bir sistemdir. Parlak Tasarımcı'nın onun yaratılışında çalıştığını anlamak için bu sistemin yapısını ve çalışma prensiplerini daha derinlemesine araştırmaya başlamak yeterlidir.

Termodinamiğin ikinci yasası genel olarak bir Yaratıcıya olan inançla uyumlu mudur? Sadece var olduğu gerçeğiyle değil, Evreni ve Dünyadaki yaşamı da yarattığı gerçeğiyle (Yaratılış 1:1–27; Vahiy 4:11); dünyanın sonsuza kadar var olacağına söz verdiğini (Mezmur 103:5) Bu, hem Güneş'in hem de Evren'in şu veya bu şekilde ebedi olacağı anlamına gelir; insanların yeryüzünde cennette sonsuza kadar yaşayacaklarını ve asla ölmeyeceklerini (Mezmur 36:29; Matta 25:46; Vahiy 21:3, 4)?

Termodinamiğin ikinci yasasına olan inancın, Yaratıcıya ve O'nun vaatlerine olan inançla tamamen uyumlu olduğunu rahatlıkla söyleyebiliriz. Bunun nedeni de bizzat bu yasanın formülasyonunda yatmaktadır: "İzole bir sistemde entropi azalamaz." Herhangi bir izole sistem, Yaratıcı dahil, hiç kimse onun işine müdahale etmediği sürece izole kalır. Ancak müdahale edip tükenmez gücünün bir kısmını ona gönderdiğinde, sistem artık izole olmayacak ve termodinamiğin ikinci yasası burada işlemeyi bırakacaktır. Yukarıda bahsettiğimiz entropinin artmasına yönelik daha genel eğilim için de aynı şey söylenebilir. Evet, atomlardan Evren'e kadar çevremizde var olan hemen hemen her şeyin zamanla yok olma ve bozulma eğiliminde olduğu açıktır. Ancak Yaradan her türlü bozulma sürecini durdurmak ve hatta gerekli gördüğünde tersine çevirmek için gerekli güce ve bilgeliğe sahiptir.

İnsanlar tarafından genel olarak hangi süreçlerin sonsuz yaşamı imkansız hale getirdiği öne sürülüyor?

· Birkaç milyar yıl sonra güneş sönecek. Eğer Yaradan onun işine hiç karışmasaydı bu olurdu. Ancak O, Evrenin Yaratıcısıdır ve Güneş'in sonsuza kadar yanmasını sağlayacak kadar muazzam bir enerjiye sahiptir. Örneğin, enerji harcayarak Güneş'te meydana gelen nükleer reaksiyonları, sanki onu birkaç milyar yıl daha yakıtla dolduruyormuşçasına tersine çevirebilir ve ayrıca Güneş'in güneş rüzgarı şeklinde kaybettiği madde hacimlerini yeniden doldurabilir.

· Er ya da geç Dünya bir asteroit ya da kara delikle çarpışacak. Bunun olasılığı ne kadar küçük olursa olsun, vardır ve bu nedenle sonsuzluk boyunca kesinlikle gerçekleşecektir. Ancak Tanrı, gücünü kullanarak Dünya'yı her türlü zarardan önceden koruyabilir, bu tür tehlikeli nesnelerin gezegenimize yaklaşmasını engelleyebilir.

· Ay dünyadan uzaklaşacak ve dünya yaşanmaz hale gelecektir. Ay, üzerindeki iklimin az çok sabit kalması sayesinde dünya ekseninin eğimini dengeler. Ay yavaş yavaş Dünya'dan uzaklaşıyor, bunun sonucunda gelecekte eksen eğimi değişebilir ve iklim dayanılmaz hale gelebilir. Ancak Allah elbette ki bu tür feci değişimleri önleyecek ve Ay'ı kendi uygun gördüğü yörüngede tutabilecek güce sahiptir.

Hiç şüphe yok ki maddi dünyadaki şeyler eskimeye, bozulmaya ve yok olmaya eğilimlidir. Ancak Tanrı'nın bizzat dünyayı bu şekilde yarattığını unutmamalıyız. Ve bu onun planının bir parçasıydı. Dünya, Tanrı'dan ayrı olarak sonsuza kadar var olacak şekilde tasarlanmamıştır. Tam tersine Allah'ın kontrolünde sonsuza kadar var olacak şekilde yaratılmıştır. Ve Tanrı, dünyayı yaratma konusunda hem bilgeliğe hem de güce sahip olduğuna göre, onun, yarattıklarıyla sonsuza kadar ilgilenecek ve içindeki her şeyi kendi kontrolü altında tutacak aynı güce ve bilgeliğe sahip olduğundan şüphe etmek için hiçbir nedenimiz yok.

Aşağıdaki Kutsal Kitap ayetleri Güneş'in, Ay'ın, Dünya'nın ve insanların sonsuza kadar var olacağına dair güvence verir:
· « Güneş ve ay var olduğu sürece nesilden nesile sizden korkacaklar» (Mezmur 72:5)
· « [Dünya] sonsuza kadar sarsılmayacak, sonsuza kadar» (Mezmur 103:5)
· « Doğrular dünyayı miras alacak ve onda sonsuza kadar yaşayacak» (Mezmur 37:29)

Dolayısıyla hiçbir şey bizi termodinamiğin ikinci yasasına inanmaktan ve onu doğru bir bilimsel prensip olarak görmekten, aynı zamanda son derece dindar insanlar olmaktan ve Tanrı'nın İncil'de kayıtlı tüm vaatlerinin gerçekleşmesini beklemekten alıkoyamaz.

Peki eğer inançlı biriyseniz yazının başında bahsettiğimiz dini gruplardan hangisine sesinizi katarsınız? Termodinamiğin ikinci yasasının kaldırılmasını talep eden Hıristiyan muhafazakarların yukarıda anlatılan gösterisine katılanlara? Yoksa bu yasayı, yaşamın Tanrı tarafından yaratıldığının kanıtı olarak kullanan yaratılışçılara mı? Ben kimse için değilim.

İnananların çoğu, inançlarını öyle ya da böyle savunma eğilimindedir ve bazıları bunun için, Yaratıcının varlığını büyük ölçüde doğrulayan bilimin verilerini kullanır. Ancak Kutsal Kitap'taki ciddi bir prensibi hatırlamamız bizim için önemlidir: "Biz... her konuda dürüst olmak isteriz" (İbraniler 13:18). Dolayısıyla Allah'ın varlığını ispatlamak için yanlış argümanlara başvurmak elbette yanlış olacaktır.

Bu makaleden de gördüğümüz gibi, Tanrı'nın varlığı veya yokluğu termodinamiğin ikinci yasasını kanıtlamadığı veya çürütmediği gibi, termodinamiğin ikinci yasası da Tanrı'nın varlığının kanıtı olarak kullanılamaz. İkinci yasa, Yaratıcının varlığı sorunuyla ve diğer fiziksel yasaların büyük çoğunluğuyla (örneğin, evrensel çekim yasası, momentumun korunumu yasası, Arşimed yasası, veya termodinamiğin diğer tüm ilkeleri).

Tanrı'nın yarattıkları bize çok sayıda ikna edici kanıtın yanı sıra Yaratıcının varlığına dair dolaylı kanıtlar da sağlar. Bu nedenle, daha önce delil olarak kullandığımız ifadelerden herhangi birinin yanlış çıkması durumunda, inancınızı savunmak için yalnızca dürüst argümanlar kullanmak amacıyla bunu reddetmekten korkmamalısınız.

Termodinamiğin ikinci yasası- Isı, daha az ısınan bir cisimden daha sıcak olan bir cisme kendiliğinden aktarılamaz. Isı bir cismin iç enerjisidir.

İki ısı rezervuarıyla temas kurabilen bir sistem düşünün. Tank sıcaklıkları (ısıtıcı) Ve (buzdolabı).. Başlangıç ​​durumunda (madde 1) sistemin sıcaklığı . Onu ısıtıcıyla termal temasa getirelim ve basıncı yarı statik olarak azaltarak hacmi artıralım.

Sistem aynı sıcaklığa sahip ancak daha büyük hacimli ve daha düşük basınçlı bir duruma geçti (konum 2). Aynı zamanda sistem tarafından iş yapıldı ve ısıtıcı, ısı miktarını ona aktardı. Daha sonra ısıtıcıyı çıkarıyoruz ve adiabat boyunca yarı statik olarak sistemi sıcaklıktaki bir duruma aktarıyoruz (konum 3). Bu durumda sistem işi yapacaktır. Daha sonra sistemi buzdolabına temas ettirerek sistemin hacmini istatistiksel olarak azaltıyoruz. Bu durumda sistemin serbest bırakacağı ısı miktarı buzdolabı tarafından emilecektir - sıcaklığı aynı kalacaktır Sistem üzerinde iş yapılmıştır (veya sistem negatif iş yapmıştır -). Sistemin durumu (konum 4), sistemi adiabat (konum 1) boyunca başlangıç ​​durumuna döndürmenin mümkün olacağı şekilde seçilir. Bu durumda sistem negatif iş yapacaktır. sistem orijinal durumuna geri döndü, ardından döngü sonrasında iç enerji aynı kaldı, ancak iş sistem tarafından yapıldı. Bundan, işin yapılması sırasında enerjideki değişikliklerin ısıtıcı ve buzdolabı tarafından telafi edildiği anlaşılmaktadır. Araç , - işin yapılması için harcanan ısı miktarı. Yeterlik (verimlilik) aşağıdaki formülle belirlenir:

.

Dolayısıyla şu sonuç çıkıyor.

Carnot teoremi diyor ki Carnot çevrimine göre çalışan bir ısı motorunun verimliliği yalnızca hem ısıtıcının hem de buzdolabının sıcaklıklarına bağlıdır, ancak makinenin tasarımına ve çalışma maddesinin türüne bağlı değildir.

İkinci Carnot teoremi diyor - Herhangi bir ısı motorunun verimi, aynı ısıtıcı ve soğutucu sıcaklıklarında Carnot çevrimine göre çalışan ideal bir motorun verimini aşamaz.

Clausius eşitsizliği:

Buradan, işlemin gerçekleştiği mutlak sıcaklığa bağlı olarak dairesel işlem sırasında sistemin aldığı ısı miktarının pozitif olmayan bir değer olduğu görülebilir. Süreç yarı statik ise eşitsizlik eşitliğe dönüşür:

Bu, herhangi bir yarı statik dairesel işlemde sistem tarafından alınan azaltılmış ısı miktarının sıfır olduğu anlamına gelir. .

sonsuzda alınan temel azaltılmış ısı miktarıdır

küçük süreç.

finalde alınan temel indirgenmiş ısı miktarıdır

işlem.

Sistemin entropisi Orada durum fonksiyonu keyfi bir sabite kadar tanımlanır.

Entropi farkı iki denge durumunda ve tanım gereği, herhangi bir yarı statik yol boyunca durumdan duruma aktarılması için sisteme bildirilmesi gereken azaltılmış ısı miktarına eşittir.

Entropi şu fonksiyonla ifade edilir:

.

Sistemin denge durumundan denge durumuna yol boyunca geçtiğini ve geçişin geri döndürülemez (kesikli) olduğunu varsayalım. Yarı statik durumdaki bir sistem orijinal durumuna farklı bir şekilde döndürülebilir. Clausius eşitsizliğine dayanarak şunu yazabiliriz:

Kendiliğinden ve kendiliğinden olmayan süreçler. Termodinamik olarak tersinir ve tersinmez süreçler. Tersinir bir sürecin işi ve ısısı. Termodinamiğin ikinci yasasının formülasyonu. Entropi ve özellikleri. Entropinin sıcaklığa, basınca ve hacme bağımlılığı. Faz geçişleri sırasında entropi değişimi. Termodinamiğin ikinci yasasının istatistiksel yorumu. Sistemin durumunun termodinamik olasılığı kavramı. Boltzmann-Planck denklemi. Maddenin mutlak entropisinin hesaplanması. Farklı sıcaklıklardaki bir kimyasal reaksiyon sırasında entropi değişiminin hesaplanması.

Termodinamiğin birinci yasası, sistemin toplam enerjisinin değişmezliği nedeniyle, bir enerji biçiminin diğerine dönüşümü hakkında hesaplamalar yapılmasına izin verir, ancak bu sürecin olasılığı, derinliği ve olasılığı hakkında sonuç çıkarmak imkansızdır. yön.

Bu soruları yanıtlamak için pratik verilere dayanarak termodinamiğin ikinci yasası formüle edildi. Buna dayanarak, sürecin kendiliğinden akış olasılığı, içinde ilerlediği sınırlar ve koşullar ve iş veya ısı şeklinde ne kadar enerji açığa çıkacağı hakkında hesaplamalar yapmak ve sonuçlar çıkarmak mümkündür.

İkinci yasa yalnızca makroskopik sistemlere uygulanır. Termodinamiğin ikinci yasasının ifadeleri:

R. Clausius'un ifadesi:

Isı, daha az ısıtılmış bir gövdeden daha sıcak bir gövdeye kendiliğinden aktarılamaz.

Tek sonucu ısının işe dönüşmesi olan bir süreç imkansızdır.

M. Planck ve W. Thomson tarafından önerilen ifadeler:

Tüm eylemleri bir ısı kaynağının soğutulması yoluyla iş üretimine indirgenecek bir makine (ikinci tür sürekli hareket makinesi) yapmak imkansızdır.

Bir ısı motorunun çalışmasını düşünün; Isıtıcı adı verilen bir gövdeden ısıyı emerek çalışan bir makine. T1 sıcaklığına sahip bir ısıtıcı, Q1 ısısını bir çalışma akışkanına, örneğin genleşme işi A'yı gerçekleştiren ideal bir gaza aktarır; Orijinal durumuna dönmek için, çalışma akışkanının belirli bir miktarda ısı Q2'yi daha düşük bir T2 sıcaklığına (buzdolabı) sahip gövdeye aktarması gerekir ve

Bir ısı motoru tarafından gerçekleştirilen A işinin, ısıtıcıdan alınan Q1 ısı miktarına oranına, h makinesinin termodinamik performans katsayısı (COP) denir:

Isı motoru diyagramı

Termodinamiğin ikinci yasasının matematiksel bir ifadesini elde etmek için, ideal bir ısı motorunun (sürtünme ve ısı kaybı olmadan tersinir şekilde çalışan bir makine; çalışma akışkanı ideal bir gazdır) çalışmasını düşünün. Makinenin çalışması, tersinir bir döngüsel süreç olan Carnot termodinamik döngüsü ilkesine dayanmaktadır (Şekil 1.2).

Döngünün tüm bölümleri üzerinde çalışmak için ifadeler yazalım:

Carnot döngüsü.

1 - 2 İzotermal genleşme.

Gaz kesinlikle tersine çevrilebilir şekilde genişler, Q ısısını emer ve bu ısıya eşdeğer iş üretir.

2 - 3 Adyabatik genişleme.

Sıcaklık T 2'ye düşer:

4 - 1 Adyabatik sıkıştırma.

Sistem orijinal durumuna geri döner.

Döngüdeki genel çalışma:

3 - 4 İzotermal sıkıştırma.

Gaz, Q soğutucusuna işe eşdeğer ısı verir (formüle bakın)

Carnot çevrimine göre çalışan ideal bir ısı motorunun verimliliği:

Bir ısı motorunun maksimum veriminin yalnızca ısıtıcı ile buzdolabı arasındaki sıcaklık farkıyla belirlendiği sonucu çıkar. Herhangi bir çevrim sonsuz küçük Carnot çevrimlerine bölünebildiğinden, ortaya çıkan ifade herhangi bir çevrimde tersinir olarak çalışan bir ısı motoru için geçerlidir.

Geri dönüşü olmayan bir şekilde çalışan bir ısı makinesi için:

Genel durum için şunu yazabiliriz:

Bundan, verimliliğin bire eşit olabileceği, ancak T 2'nin 0 0 K'ye eşit olması durumunda, ki bu pratik olarak ulaşılamaz olduğu görülebilir.

Bu aşamada entropi kavramının tanıtılması tavsiye edilir. Sistemin iç enerjisi şartlı olarak "serbest" ve "bağlı" enerjilerden oluşur ve "serbest" enerji işe, "bağlı" enerji ise yalnızca ısıya dönüştürülebilir. Sınırlanan enerjinin değeri ne kadar büyük olursa, sıcaklık farkı o kadar küçük olur ve T = sabitte ısı makinesi iş yapamaz. Bağlı enerjinin ölçüsü, entropi adı verilen yeni bir termodinamik durum fonksiyonudur.

Entropinin tanımını Carnot döngüsüne dayanarak sunuyoruz. (I.41) ifadesini aşağıdaki forma dönüştürelim:

Buradan, tersinir bir Carnot çevrimi için, ısı miktarının, ısının sisteme aktarıldığı sıcaklığa oranının (indirgenmiş ısı olarak adlandırılır) sabit bir değer olduğunu elde ederiz.

Bu herhangi bir tersinir çevrimsel süreç için doğrudur, çünkü her biri için temel Carnot çevrimlerinin toplamı olarak temsil edilebilir.

Keyfi bir tersinir çevrim için indirgenmiş ısıların cebirsel toplamı sıfırdır:

Herhangi bir döngü için kapalı döngü integrali yazabilirsiniz:

Kapalı döngü integrali sıfıra eşitse, integral işaretinin altındaki ifade, bir durum fonksiyonunun toplam diferansiyelidir; bu durum fonksiyonu entropi S'dir:

Sistem tersinir olarak durum 1'den durum 2'ye geçerse, entropideki değişiklik şöyle olacaktır:

Entropideki değişimin değerini termodinamiğin birinci yasasına ilişkin ifadelere koyarsak, tersinir süreçler için termodinamiğin iki yasasına yönelik ortak bir analitik ifade elde ederiz:

Geri dönüşü olmayan süreçler için aşağıdaki eşitsizlikler yazılabilir:

Tersinir bir sürecin işi her zaman tersinmez olarak yürütülen aynı sürecinkinden daha büyüktür. Yalıtılmış bir sistemi (dQ = 0) düşünürsek, tersinir bir süreç için dS = 0 ve kendiliğinden tersinmez bir süreç için dS > 0 olduğunu göstermek kolaydır.

Yalıtılmış sistemlerde yalnızca entropi artışının eşlik ettiği süreçler kendiliğinden ilerleyebilir.

Yalıtılmış bir sistemin entropisi kendiliğinden azalamaz.

Bu sonuçların her ikisi de aynı zamanda termodinamiğin ikinci yasasının formülasyonlarıdır.

Entropinin istatistiksel yorumu

Klasik mekaniğin kavramları moleküler sistemlere uygulandığında, atom maddi bir noktaya benzetilir ve ona üç serbestlik derecesi atanır (yani bu düşüncedeki serbestlik derecesi sayısı, atomun konumunu belirleyen bağımsız değişkenlerin sayısıdır). uzaydaki mekanik sistem). Atomların bu şekilde ayırt edilebildiği ve adeta numaralandırılabileceği varsayılmaktadır.

Klasik termodinamik, sistemin iç yapısını dikkate almaksızın devam eden süreçleri dikkate alır; dolayısıyla klasik termodinamik çerçevesinde entropinin fiziksel anlamını göstermek imkansızdır. Bu sorunu çözmek için L. Boltzmann ısı teorisine istatistiksel gösterimler kattı. Sistemin her durumuna bir termodinamik olasılık atanır (sistemin belirli bir makro durumunu oluşturan mikro durumların sayısı olarak tanımlanır), bu durum ne kadar büyükse, o kadar düzensiz veya belirsizdir. Dolayısıyla entropi, bir sistemdeki düzensizliğin derecesini tanımlayan bir durum fonksiyonudur. Entropi S ile termodinamik olasılık W arasındaki niceliksel ilişki Boltzmann formülüyle ifade edilir:

İstatistiksel termodinamik açısından termodinamiğin ikinci yasası şu şekilde formüle edilebilir:

Sistem kendiliğinden maksimum termodinamik olasılığa sahip bir duruma geçme eğilimindedir.

Termodinamiğin ikinci yasasının istatistiksel yorumu, entropiye sistemin durumunun termodinamik olasılığının ölçüsünün özel bir fiziksel anlamını verir.

İstatistiksel ağırlık kavramı. Önceki örnekte elde edilen sonuçları özetleyerek, belirli bir makrodurumu uygulama yollarının sayısının, N elemanın C kombinasyonlarının sayısına n'ye eşit olduğunu kanıtlayabiliriz.

C = N!/(n! (N - n)!), burada n! = n (n - 1) (n - 2) 3 2 1.

İstatistiksel ağırlık veya termodinamik olasılık W, belirli bir makrodurumun gerçekleştirilebileceği yolların sayısıdır.

W(n, N - n) = N!/(n! (N - n)))

Termodinamik olasılığın olağan olasılıkla orantılı olduğunu kanıtlamak kolaydır. Formülden, moleküllerin hacim üzerinde düzgün bir şekilde dağıldığı durumun en yüksek olasılığa sahip olduğu sonucu çıkmaktadır. Ancak dalgalanma adı verilen bu denge durumundan sapmaların her an mümkün olması önemlidir.

Termodinamik (Yunanca θέρμη - "ısı", δύναμις - "kuvvet") makroskobik sistemlerin en genel özelliklerini ve bu tür sistemlerde enerji aktarımı ve dönüşüm yöntemlerini inceleyen bir fizik dalıdır.

Termodinamikte, sıcaklık kavramının tanımlanabileceği durumlar ve süreçler incelenir. Termodinamik (T.), deneysel gerçeklerin genellemelerine dayanan fenomenolojik bir bilimdir. Termodinamik sistemlerde meydana gelen işlemler, çok sayıda parçacıktan oluşan sistemleri tanımlamak için sunulan ve bireysel moleküllere ve atomlara uygulanamayan makroskobik niceliklerle (sıcaklık, basınç, bileşenlerin konsantrasyonları) tanımlanır. mekanik veya elektrodinamikte tanıtılan büyüklüklere.

Modern fenomenolojik termodinamik, çeşitli önermelere dayanarak geliştirilen titiz bir teoridir. Bununla birlikte, bu varsayımların termodinamik sistemlerin oluşturulduğu parçacıkların etkileşiminin özellikleri ve yasalarıyla bağlantısı istatistiksel fizik tarafından verilmektedir. İstatistiksel fizik aynı zamanda termodinamiğin uygulanabilirliğinin sınırlarının netleştirilmesine de olanak sağlar.

Termodinamiğin yasaları genel niteliktedir ve maddenin atomik düzeydeki yapısının belirli ayrıntılarına bağlı değildir. Bu nedenle termodinamik, enerji, ısı mühendisliği, faz geçişleri, kimyasal reaksiyonlar, taşınım olayları ve hatta kara delikler gibi çok çeşitli bilim ve teknoloji konularında başarıyla uygulanmaktadır. Termodinamik, fizik ve kimya, kimya mühendisliği, havacılık ve uzay mühendisliği, makine mühendisliği, hücre biyolojisi, biyomedikal mühendisliği, malzeme biliminin çeşitli alanları için önemlidir ve ekonomi gibi alanlarda bile uygulamasını bulur.

Termodinamik tarihinde önemli yıllar

• Bir bilim olarak termodinamiğin kökeni, sıcaklık kavramını ortaya atan ve ortam sıcaklığındaki değişikliklere yanıt veren ilk cihazı tasarlayan (1597) G. Galilei'nin adıyla ilişkilidir.
• Çok geçmeden G. D. Fahrenheit (G. D. Fahrenheit, 1714), R. Reaumur (R. Reaumur, 1730) ve A. Celsius (A. Celsius, 1742) bu prensibe uygun olarak sıcaklık ölçekleri oluşturdu.
• J. Black, 1757'de gizli füzyon ısısı ve ısı kapasitesi kavramlarını zaten tanıttı (1770). Ve Wilke (J. Wilcke, 1772), kalorinin tanımını, 1 g suyu 1 °C ısıtmak için gereken ısı miktarı olarak tanıttı.
• Lavoisier (A. Lavoisier) ve Laplace (P. Laplace) 1780'de bir kalorimetre tasarladılar (bkz. Kalorimetri) ve ilk kez atımı deneysel olarak belirlediler. bir dizi maddenin ısı kapasitesi.
• 1824'te N. L, S. Carnot, ısı motorlarının çalışma prensiplerinin incelenmesine yönelik bir çalışma yayınladı.
• B. Clapeyron, termodinamik süreçlerin grafiksel bir temsilini ortaya koydu ve sonsuz küçük döngüler yöntemini geliştirdi (1834).
• G. Helmholtz, enerjinin korunumu yasasının evrensel doğasına dikkat çekti (1847). Daha sonra R. Clausius ve W. Thomson (Kelvin; W. Thomson), termodinamiğin birinci yasasına ve termodinamiğin ikinci yasasına dayanan termodinamiğin teorik aygıtını sistematik olarak geliştirdiler.
• 2. yasanın gelişimi Clausius'u entropinin tanımına (1854) ve entropi artışı yasasını formüle etmeye (1865) yöneltti.
• Termodinamik potansiyeller yöntemini öneren J. W. Gibbs'in (1873) çalışmalarından başlayarak termodinamik denge teorisi geliştirildi.
• 2. katta. 19. yüzyıl Gerçek gazlarla ilgili çalışmalar yapıldı. Sıvı-buhar sisteminin kritik noktasını ilk keşfeden (1861) T. Andrews'un deneyleri özel bir rol oynadı, varlığı D. I. Mendeleev (1860) tarafından tahmin edildi.
• 19. yüzyılın sonuna doğru Düşük sıcaklıkların elde edilmesinde büyük ilerleme kaydedilmiş, bunun sonucunda O2, N2 ve H2 sıvılaştırılmıştır.
• 1902'de Gibbs, istatistiksel fizik çerçevesinde tüm temel termodinamik ilişkilerin elde edildiği bir makale yayınladı.
• Kinetik arasındaki ilişki Vücudun özellikleri ve termodinamiği. özellikleri L. Onsager (L. Onsager, 1931) tarafından belirlenmiştir.
• 20. yüzyılda Çeşitli faz geçişlerinin gerçekleştiği katıların yanı sıra kuantum sıvıları ve sıvı kristallerin termodinamiğini yoğun bir şekilde araştırdı.
• LD Landau (1935-37), kendiliğinden simetri kırılması kavramına dayanan genel bir faz geçişleri teorisi geliştirdi.

Termodinamiğin bölümleri

Modern fenomenolojik termodinamik genellikle denge termodinamik sistemlerini ve bu tür sistemlerdeki süreçleri inceleyen denge (veya klasik) termodinamik ve termodinamik dengeden sapmanın nispeten küçük olduğu ve yine de bir termodinamiğe izin veren sistemlerdeki dengesiz süreçleri inceleyen dengesiz termodinamik olarak ikiye ayrılır. Tanım.

Denge (veya klasik) termodinamik

Denge termodinamiğinde iç enerji, sıcaklık, entropi ve kimyasal potansiyel gibi değişkenler devreye girer. Bunların hepsine termodinamik parametreler (değerler) denir. Klasik termodinamik, termodinamik parametrelerin birbirleriyle ve fiziğin diğer dallarında dikkate alınan fiziksel niceliklerle, örneğin bir sisteme etki eden yerçekimi veya elektromanyetik alanla olan bağlantılarını inceler. Kimyasal reaksiyonlar ve faz geçişleri de klasik termodinamiğin konusuna girmektedir. Bununla birlikte, kimyasal dönüşümlerin önemli bir rol oynadığı termodinamik sistemlerin incelenmesi kimyasal termodinamiğin konusudur ve ısı mühendisliği teknik uygulamalarla ilgilenir.

Klasik termodinamik aşağıdaki bölümleri içerir:

• Termodinamiğin ilkeleri (bazen kanunlar veya aksiyomlar da denir)
• basit termodinamik sistemlerin durum denklemleri ve özellikleri (ideal gaz, gerçek gaz, dielektrikler ve mıknatıslar, vb.)
• basit sistemlerle denge süreçleri, termodinamik çevrimler
• denge dışı süreçler ve azalmayan entropi yasası
• termodinamik fazlar ve faz geçişleri

Ayrıca modern termodinamik aşağıdaki alanları da içerir:

• dışbükey analize dayalı termodinamiğin titiz bir matematiksel formülasyonu
• kapsamlı olmayan termodinamik

Termodinamik denge durumunda olmayan sistemlerde, örneğin hareketli bir gazda, denge termodinamik ilişkilerinin sistemin her noktasında yerel olarak karşılandığı varsayıldığı yerel denge yaklaşımı kullanılabilir.

Dengesizlik termodinamiği

Denge dışı termodinamikte değişkenler sadece uzayda değil zamanda da yerel olarak kabul edilir, yani formüllerinde zaman açıkça yer alabilir. Fourier'nin ısı iletimi üzerine klasik çalışmasının, Analitik Isı Teorisi'nin (1822), yalnızca dengesiz termodinamiğin ortaya çıkışının değil, aynı zamanda Carnot'nun, Ateşin İtici Gücü ve Geliştirilebilen Makineler Üzerine Düşünceler adlı çalışmasının da ilerisinde olduğunu belirtmek gerekir. Klasik termodinamik tarihinde genellikle başlangıç ​​noktası olarak kabul edilen bu Kuvvet (1824).

Termodinamiğin temel kavramları

Termodinamik sistem- Zihinsel olarak veya fiilen çevreden izole edilmiş, etkileşim halinde olan bir vücut veya vücut grubu.

homojen sistem- özellikleri farklı olan sistemin parçalarını (fazlarını) ayıran yüzeylerin bulunmadığı bir sistem.

heterojen sistem- Sistemin farklı özelliklere sahip kısımlarını ayıran yüzeylerin bulunduğu bir sistem.

Faz- heterojen bir sistemin fiziksel ve kimyasal özellikleri bakımından aynı olan, sistemin diğer kısımlarından görünür arayüzlerle ayrılan bir dizi homojen parça.

Yalıtılmış sistemÇevresiyle madde ve enerji alışverişi yapmayan sistem.

Kapalı sistem- Çevreyle enerji alışverişi yapan ancak madde alışverişi yapmayan bir sistem.

açık sistem- Çevreyle hem madde hem de enerji alışverişi yapan bir sistem.

Bir sistemin tüm fiziksel ve kimyasal özelliklerinin toplamı onu karakterize eder. termodinamik durum. Söz konusu sistemin herhangi bir makroskobik özelliğini karakterize eden tüm nicelikler, durum parametreleri. Bu sistemi benzersiz bir şekilde karakterize etmek için, adı verilen belirli sayıda parametrenin kullanılmasının gerekli olduğu deneysel olarak tespit edilmiştir. bağımsız; diğer tüm parametreler bağımsız parametrelerin fonksiyonları olarak kabul edilir. Sıcaklık, basınç, konsantrasyon vb. gibi doğrudan ölçülebilen parametreler genellikle bağımsız durum parametreleri olarak seçilir. Sistemin termodinamik durumundaki herhangi bir değişiklik (en az bir durum parametresindeki değişiklik) termodinamik süreç.

Tersine çevrilebilir süreç- Sistemin ortamda herhangi bir değişiklik bırakmadan orijinal durumuna geri dönmesini sağlayan bir süreç.

denge süreci- Sistemin sürekli bir dizi denge durumundan geçtiği bir süreç.

Enerji sistemin iş yapma yeteneğinin bir ölçüsüdür; Maddenin hareketinin ve etkileşiminin genel niteliksel ölçüsü. Enerji maddenin doğal bir özelliğidir. Vücudun belirli kuvvetler alanındaki konumundan kaynaklanan potansiyel enerji ile vücudun uzaydaki konumundaki değişiklikten kaynaklanan kinetik enerji arasında ayrım yapın.

Sistemin iç enerjisi sistemi oluşturan tüm parçacıkların kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamıdır. Bir sistemin iç enerjisini, sistemin toplam enerjisinden bir bütün olarak sistemin kinetik ve potansiyel enerjisinin çıkarılmasıyla da tanımlamak mümkündür.

Enerji Transfer Formları

Bir sistemden diğerine enerji aktarım biçimleri iki gruba ayrılabilir.

1. Birinci grup, iki bitişik cismin moleküllerinin kaotik çarpışmalarıyla oluşan yalnızca bir hareket geçişi biçimini içerir; iletimle (ve aynı zamanda radyasyonla). Bu şekilde iletilen hareketin ölçüsü ısıdır. Isı, moleküllerin düzensiz hareketi yoluyla bir enerji aktarım şeklidir.
2. İkinci grup, ortak özelliği çok büyük sayıda molekülü (yani makroskopik kütleleri) kapsayan kütlelerin herhangi bir kuvvetin etkisi altında hareketi olan çeşitli hareket geçiş biçimlerini içerir. Bunlar, kütleçekim alanında cisimlerin yükselmesi, belirli bir miktardaki elektriğin daha büyük bir elektrostatik potansiyelden daha küçük bir elektrostatik potansiyele geçişi, bir gazın basınç altında genleşmesi vb.'dir. Bu tür yöntemlerle iletilen hareketin ortak bir ölçüsü, iş - parçacıkların düzenli hareketi yoluyla bir tür enerji aktarımı.

Isı ve iş, maddi dünyanın belirli bir kısmından diğerine hareketin niteliksel ve niceliksel olarak iki farklı aktarım biçimini karakterize eder. Isı ve iş bir vücutta muhafaza edilemez. Isı ve iş yalnızca bir süreç meydana geldiğinde ortaya çıkar ve yalnızca süreci karakterize eder. Statik koşullar altında ısı ve iş yoktur. Termodinamiğin başlangıç ​​noktası olarak aldığı ısı ile iş arasındaki fark ve ısı ile işin karşıtlığı, yalnızca çok sayıda molekülden oluşan cisimler için anlamlıdır, çünkü bir molekül için veya birkaç molekülden oluşan bir küme için ısı ve iş kavramları anlamını yitirir. Bu nedenle termodinamik yalnızca çok sayıda molekülden oluşan cisimleri dikkate alır; makroskobik sistemler denir.

Termodinamiğin Üç Yasası

Termodinamiğin ilkeleri, termodinamiğin temelini oluşturan bir dizi varsayımdır. Bu hükümler bilimsel araştırmalar sonucunda belirlenmiş ve deneysel olarak kanıtlanmıştır. Termodinamiğin aksiyomatik olarak inşa edilebilmesi için varsayımlar olarak kabul edilirler.

Termodinamiğin ilkelerinin gerekliliği, termodinamiğin, sistemlerin makroskobik parametrelerini, mikroskobik yapılarına ilişkin özel varsayımlar olmaksızın tanımlamasıyla ilgilidir. İstatistiksel fizik iç yapıya ilişkin sorularla ilgilenir.

Termodinamiğin kanunları bağımsızdır, yani hiçbiri diğer prensiplerden türetilemez. Newton'un üç yasasının mekanikteki benzerleri, termodinamikte "ısı" ve "iş" kavramlarını birbirine bağlayan üç ilkedir:

• Termodinamiğin sıfır yasası termodinamik dengeden bahseder.
• Termodinamiğin birinci yasası enerjinin korunumuyla ilgilidir.
• Termodinamiğin ikinci yasası ısı akışıyla ilgilidir.
• Termodinamiğin üçüncü yasası mutlak sıfırın erişilemezliğiyle ilgilidir.

Termodinamiğin genel (sıfır) yasası

Termodinamiğin genel (sıfır) yasası, iki cismin birbirine ısı aktarabiliyorsa termal dengede olduğunu belirtir ancak bu gerçekleşmez.

Sıcaklıkları eşit olan iki cismin birbirine ısı aktarmadığını tahmin etmek kolaydır. Örneğin, bir insan vücudunun sıcaklığını termometreyle ölçerseniz (ölçüm sonunda kişinin sıcaklığı ile termometrenin sıcaklığı eşit olacaktır) ve ardından aynı termometreyle sıcaklığı ölçerseniz banyodaki suyun ısısı ve her iki sıcaklığın da aynı olduğu ortaya çıkıyor (termometreli bir kişi ile termometreli bir kişinin suyla termal dengesi vardır), bir kişinin banyodaki suyla termal dengede olduğunu söyleyebiliriz.

Yukarıdakilerden termodinamiğin sıfırıncı yasasını şu şekilde formüle edebiliriz: Üçüncüsü ile termal dengede olan iki cisim, aynı zamanda birbirleriyle de termal dengededir.

Fiziksel açıdan bakıldığında, aynı sıcaklığa sahip iki cisim arasında ısı akışı olmadığından termodinamiğin sıfırıncı yasası başlangıç ​​noktasını belirler. Yani sıcaklığın termal dengenin bir göstergesinden başka bir şey olmadığını söyleyebiliriz.

Termodinamiğin birinci yasası

Termodinamiğin birinci yasası, enerjinin iz bırakmadan kaybolmadığını belirten termal enerjinin korunumu yasasıdır.

Sistem, çevredeki cisimler üzerinde W işi yaparken (veya çevreleyen cisimler sistem üzerinde iş yaparken) termal enerji Q'yu emebilir veya serbest bırakabilir; sistemin başlangıç ​​değeri Uini olan iç enerjisi ise şöyle olacaktır: Ucon'a eşit:

Uend-Ustart = ΔU = Q-W

Isı enerjisi, iş ve iç enerji sistemin sabit olan toplam enerjisini belirler. Sistem belirli bir miktarda termal enerji Q'yu aktarırsa (uzaklaştırırsa), iş yokluğunda, U sisteminin iç enerji miktarı Q kadar artacaktır (azalacaktır).

Termodinamiğin ikinci yasası

Termodinamiğin ikinci yasası, ısı enerjisinin yalnızca tek bir yönde akabileceğini belirtir: sıcaklığı yüksek olan bir cisimden sıcaklığı daha düşük olan bir cisme doğru, ancak bunun tersi mümkün değildir.

Termodinamiğin üçüncü yasası

Termodinamiğin üçüncü yasası, sonlu sayıda aşamadan oluşan herhangi bir sürecin mutlak sıfır sıcaklığına ulaşılmasına izin vermeyeceğini belirtir (buna önemli ölçüde yaklaşılsa da).