Другий закон термодинаміки

Другий закон термодинаміки — закон зростання ентропії: у замкнутої (тобто ізольованої в тепловому і механічному відношенні) системі ентропія або залишається незмінною (якщо в системі протікають оборотні, рівноважні процеси), або зростає (при нерівних процесах) і в стані рівноваги досягає максимуму. Існують і інші еквівалентні формулювання другого початку термодинаміки, що належать різним ученим: неможливі перехід теплоти від тіла більш холодного до тіла, більш нагрітому, без яких-небудь інших змін у системі або навколишньому середовищі (Р.Клаузиус); неможливо створити періодично чинну, тобто здійснюючу якийсь термодинамічний цикл, машину, уся робота якої зводилася б до підняття деякого вантажу (механічній роботі) і відповідному охолодженню теплового резервуара (В.Томсон, М. Планк); неможливо побудувати вічний двигун другого роду, тобто теплову машину, що у результаті вчинення кругового процесу (циклу) цілком перетворить теплоту, одержувану від якогось одного «невичерпного» джерела (океану, атмосфери і т.д.) у роботу (В.Оствальд).

В.Томсон (лорд Кельвин) сформулював принцип неможливості створення вічного двигуна другого роду, у 1852 році прийшов до формування концепції «теплової смерті» усесвітом. Її суть розкривається в таких положеннях. По-перше, у всесвітом існує тенденція до марнування механічної енергії По-друге відновлення механічної енергії в старій кількості не може бути здійснено. По-третє, у майбутньому Земля опинеться в негожому для життя людини стані. Через 20 років Клаузіус приходить до того ж висновку, сформулював другий початок термодинаміки у виді: ентропія всесвітом ринеться до максимуму. (Під ентропією він розумів розмір, що подає собою суму всіх перетворень, що повинні були мати місце, щоб призвести систему в її теперішній стан.).

Суть у тому, що в замкнутій системі ентропія може тільки зростати або залишатися постійною. Інакше кажучи, у всякій ізольованій системі теплові процеси однонаправлені, що і призводить до збільшення ентропії. Варто ентропії досягти максимуму, як теплові процеси в такій системі припиняються, що означає прийняття всіма тілами системи однакової температури і перетворення усіх форм енергії в теплову. Настання стана термодинамічної рівноваги призводить до припинення всіх макропроцесів, що й означає стан «теплової смерті» .

Для поширення другого початку термодинаміки на інші необоротні процеси було введене поняття ентропії як міри безладдя. Для ізольованих систем (н пропускаючих тепло) другий початок термодинаміки можна висловити такою уявою: ентропія системи ніколи не зменшується. Система, що знаходиться в стані рівноваги, має максимальну ентропію.

Поняття ентропії зв’язують і з поняттям інформації. Система, що знаходиться в упорядкованому стані, містить багато інформації, а неупорядкована система містить мало інформації. Так, наприклад, текст книги містить багато інформації, а випадковий набір букв не несе інформації. Інформацію тому й ототожнюють із негативною ентропією (або негэнтропией). При рості ентропії інформація зменшується.

Серед множини висунутих проти цього висновка заперечень найбільше відомим було заперечення Максвела. Він виходив із того, що другий початок має обмежену область примірення. Максвел вважав другий початок термодинаміки справедливим, поки ми маємо справу з тілами, що володіють великою масою, коли немає можливості розрізняти в цих масах окремі молекули і працювати з ними. Він запропонував проробити уявний експеримент — уявити собі істоту, спроможне стежити за кожній молекулою у всіх її прямуваннях, і розділити якийсь судину на дві частини перегородкою з маленьким отвором у ній. Ця істота (назване «демоном Максвела»), спроможне розрізняти окремі молекули, буде поперемінно те відчиняти, те закривати отвір таким чином, щоб молекули, що швидко рухаються, могли переходити в іншу половину. У цьому випадку «демон Максвелла» без витрати роботи зміг би підвищити температуру в першій половині судини і понизити в другий усупереч другому початку термодинаміки.

Даний процес асиметричний у часу — без зовнішнього утручання він не може стати оборотним. Тобто. безтямно очікувати в цьому випадку, що гази повернуться в початкове положення. Можна сказати, що в природі порядок ринеться поступитися місцем безладдя. Проте можна призвести приклади, що начебто б суперечать даному принципу зростання ентропії. Так, живі системи у своєму розвитку ускладнюються, що виростають із рідини кристали є упорядоченнее цієї рідини і т.д. Проте повна ентропія системи разом із навколишнім середовищем зростає, тому що біологічні процеси здійснюються за рахунок ентропії сонячного випромінювання і т.д.

Л.Больцман, що почав спробу пояснити, чому порядок поступається місцем безладдя, сформулював H-теорему, що є результатом з'єднання двох підходів до наближення газу до стана рівноваги — макроскопічного (законів ньютонівської механіки, що описують прямування молекул) і мікроскопічного (вихідного з уявлення газу як прагнучого до безладного перерозподілу). З теореми випливав висновок про те, що ентропія може тільки зростати — таке поводження термодинамічних систем у часу.

Проте з Н-теоремою Больцмана виявився пов’язаним парадокс, навколо якого виникнула дискусія. Суть полягає в тому, що за допомогою однієї заснованої на механіці Ньютона молекулярної теорії довести постійний ріст ентропії замкнутої системи не можна, оскільки ньютоновская механіка симетрична в часу — будь-яке прямування атомів, заснований на законах ньютонівської механіки. може бути подане як відбуваючогося в оберненому напрямку. Так як асиметрію не можна вивести із симетрії, то теорема Больцмана (який на основі лише однієї механіки Ньютона підтверджує, що зростання ентропії асиметричного в часу) не може бути вірної - для доказу необхідно було до законів механіки додати й асиметрію. Так що чисто механічна інтепретація закону зростання ентропії надавалася неспроможної. На це першим звернули увагу Й. Лошмідт і Э.Цермело.

При висновку Н-теореми Больцман крім механіки Ньютона спирався на припущення про молекулярний хаос, що, проте, не завжди вірно. По теорії імовірності, можливість того, що молекули газу в згаданому раніше судині будуть рухатися не хаотично, а кинуться в якусь одну його половину, не є нульовий, хоча і исчезающе мала. Тому можна сказати, що в принципі можуть бути випадки, коли ентропія убуває, а хаотичне прямування молекул буде упорядковуватися. Таким чином, Н-теорема Больцмана описує механізм переходу газу зі стана з низькою ентропією в рівноважне, але не пояснює, чому це відбувається в тому самому напрямку в часу, як-от із минулого в майбутнє. А разом це так, то больцманівська модель позбавляється тимчасової асиметрії.

Але тимчасова асиметрія — це реальний факт. Упорядкованість реальних систем може виникати за рахунок зовнішніх впливів, а не за рахунок внутрішніх безладних флуктуацій (будинок, наприклад, споруджується будівельниками, а не в результаті внутрішніх хаотичних прямувань). У реальності всі системи формуються під впливом навколишнього середовища. Для розрізнення реальних систем, що, відокремлюючись від навколишнім Всесвітом, приходять у стан із низькою ентропією, і больцманівських постійно ізольованих від навколишнього середовища систем, Г. Рейхенбах назвав перші структурами, що гілкуюються — у їх ієрархії упорядкованість кожній залежить від попередньої. Структура, що гілкується, поводиться асиметрично в часу через схований вплив ззовні. При цьому причина асиметрії - не в самій системі, а у впливі. У реальному світі больцманівських систем немає.

Асиметричні в часу процеси існують і у галузях за межами термодинаміки. Прикладом таких процесів можуть служити хвиля (у тому числі радіохвилі). Так, радіохвилі поширюються від передавача в навколишній простір, але не навпаки. Аналогічно існує справа з поширенням хвиль від кинутого в ставок каменю. Хвилі, що біжать від джерела (припустимо, кинутого в ставок каменю) у різні сторони, називають запізнілими. У принципі можливі і хвилі, що випереджають, що можуть виникнути тоді, коли обурення спочатку проходять через віддалену точку, а потім сходяться в місці поширення джерела хвилі. Ізольований ставок є симетрична в часу система, як і больцманівська судина з газом. Кинутий у нього камінь створює гілкуючу структуру. Радіохвиля ж обернено не повернеться, тому що поширюється в безмежному просторі. Тут ми маємо справу з необмеженою диссипацией (розсіюванням) хвиль і часток, що являє собою ще один тип необоротної тимчасової асиметрії. Виходить, утворення структур, що гілкуються, і необоротна асиметрія безкінечного хвилястого прямування роблять необхідним урахування великомасштабних властивостей Всесвітом.

Таким чином, дискусія з приводу другого початку термодинаміки призвів до висновка, що закони мікросвіту ситуацію з «демоном Максвела» роблять нездійсненної, але водночас вона сприяла з’ясуванню того, що другий початок термодинаміки є законом статистичним.

Другий закон термодинаміки — один із основних законів фізики, закон про неспадання ентропії в ізольованій системі. Він накладає обмеження на кількість корисної роботи, яку може здійснити тепловий двигун. На засадничому рівні другий закон термодинаміки визначає напрямок протікання процесів у фізичній системі - від порядку до безпорядку. Існує багато різних формулювань другого закону термодинаміки, загалом еквівалентних між собою.

Для системи із сталою температурою існує певна функція стану S — ентропія, яка визначається таким чином, що.

1. Адіабатичний перехід із рівноважного стану A в рівноважний стан B можливий лише тоді, коли.

.

2. Приріст ентропії у квазістаціонарному процесі дорівнює.

.

де T — температура.

Статистична фізика вводить нове означення ентропії, на перший погляд дуже відмінне від визначення термодинаміки. Воно задається формулою Больцмана:

.

де Г — кількість мікроскопічних станів, які відповідають даному макроскопічному стану, — стала Больцмана.

Із статистичного означення ентропії очевидно, що зростання ентропії відповідає переходу до такого макроскопічного стану, який характеризується найбільшим значенням мікроскопічних станів.