Беспорядок существования: как энтропия движет Вселенной

23 янв Владимир Гильен Комментариев: 9

Слово «энтропия» и словосочетание «закон термодинамики» сегодня встречаются все чаще — в книгах, кино, интернете. Но мало кто знает, что означают эти понятия и какие процессы они описывают.

11.1K
Выбор редакции

Может ли двигатель работать со 100%-ной эффективностью? В 1824 году на этот вопрос попытался ответить ученый по имени Николя Леонар Сади Карно, также известный как «отец термодинамики». В одной из своих теоретических моделей он поместил цилиндр с поршнем между двумя тепловыми резервуарами. Оба резервуара сохраняли постоянную температуру, но температура одного из них была выше, чем у другого.

 

Идея была в том, чтобы преобразить поток тепла между двумя резервуарами в работу. Именно для этого Карно и поместил цилиндр с поршнем между резервуарами. Однако он понял, что 100%-ной производительности добиться не удастся: часть тепла всегда уходила через цилиндр в холодный резервуар.

 

Первое начало термодинамики утверждает, что энергия не может быть создана или уничтожена — она может только менять свою форму. Но тут есть некоторые ограничения. Закон не определяет направление, в котором может произойти изменение, и не сообщает об обратимости этого изменения. Если мы сбросим с возвышения объект, потенциальная энергия преображается в кинетическую, и он падает. Однако после столкновения с землей он не отскочит обратно на ту же высоту, с которой упал. Почему так происходит? Чтобы понять это, необходимо рассмотреть важный термин — спонтанный процесс.

 

Спонтанный процесс

 

Спонтанным процессом в термодинамике называется процесс, способный произойти без какого-либо вмешательства извне: у него должно быть достаточно времени на это. Капните в стакан с водой чернила — они «спонтанно» распространятся по всему стакану, тогда как сахар необходимо размешать, чтобы он растворился. Когда на улице жарко, комната нагревается «спонтанно», но, чтобы охладить ее, вам потребуется кондиционер.

 

Спонтанное распространение чернил в воде / © Reddit/BigMurph

Спонтанное распространение чернил в воде / © Reddit/BigMurph

 

Исходя из собственного опыта мы знаем, что некоторые происходящие в наших жизнях события спонтанны. Однако ученым надо было найти способ определения спонтанности любого события. Им был необходим способ определения направления, в котором происходит изменение. Эта самая нужда породила то, что сегодня мы называем вторым началом термодинамики.

 

Второе начало термодинамики

 

Законы термодинамики определяют, как работа, тепло и энергия влияют на какую-либо систему. Система — это любая ограниченная область во Вселенной, по которой может передаваться энергия. Все, что находится за пределами этой системы, считается ее окружением.

 

Второе начало термодинамики утверждает, что в спонтанном процессе общая энтропия Вселенной всегда возрастает. Что же такое энтропия?

 

Энтропия

 

Если вы вдруг никогда прежде не сталкивались с этим термином, можете ассоциировать его с «беспорядком». Однако в термодинамике определение энтропии чуть более развернуто.

 

Прежде всего, чтобы понять, что такое энтропия, надо уяснить, что все энергии квантованы. Когда электроны в атоме получают энергию, они впитывают ее только в целых кратных небольшого количества энергии, называемого «квантом».

 

Когда капля чернил падает в стакан воды, она распространяется по жидкости. Так же, если у вас на столе лежит кусок горячего металла, его тепло распространяется по всей окружающей его среде. Представьте себе, что у вас есть коробка с пятью молекулами газа, которая стоит рядом с этим куском металла. Металл передаст пять квантов тепла газу. Получит ли каждая молекула газа по одному кванту энергии? Не обязательно.

 

Вполне возможно, что две молекулы получат по два кванта, а одна — только один, тогда как две другие единицы не получат вообще ничего. Возможно, что одна молекула получит три кванта, другая — два, остальные — ничего. В этом случае есть целых 126 возможных комбинаций процесса передачи квантов тепла

 

Эти молекулы газа также могут сталкиваться друг с другом и обмениваться кинетической энергией. Однако общая энергия не может превзойти количество предоставленной системе энергии.

 

Эксперимент с горячим металлом и коробкой с пятью молекулами газа / © Science ABC

Эксперимент с горячим металлом и коробкой с пятью молекулами газа / © Science ABC

 

Каждая из этих комбинаций называется микросостоянием. Общий уровень энергии называется макросостоянием. Энтропия — это мера вероятностей распределения энергии между молекулами.

 

Энтропия — переменная состояния, которая описывает физическое состояние системы — вроде давления, температуры и объема. Энтропию можно объяснить следующей математической формулой:

 

S=kBlnΩ,

 

где S — энтропия, kB — постоянная Больцмана, Ω — мера вероятности. Постоянная Больцмана — это физическая константа, определяющая среднюю кинетическую энергию частиц газа в соотношении с температурой. Для вычисления энтропии эта константа умножается на натуральный логарифм числа микросостояний (мера вероятности).

 

Изменение в энтропии также можно вычислить делением полученного тепла на температуру. Полученное тепло повышает кинетическую энергию частиц.

 

По сути, энтропия — это значение числа способов распределения энергии между молекулами, находящимися в системе.

 

Энтропия теплового двигателя

 

Вернемся к двигателю Карно и попробуем выяснить, при каких условиях возможен тепловой двигатель. Предположим, что температура горячего резервуара имеет значение TH, а температура холодного резервуара — TC. Количество тепла QH извлекается из резервуара для выполнения работы.

 

Таким образом, изменение энтропии в горячем резервуаре можно вычислить по следующей формуле:

 

ΔSH = -QH / TH

 

Q — отрицательна, так как тепло извлекается из резервуара.

 

После выполнения работы поршнем в двигателе и его возвращения в изначальное состояние изменение энтропии двигателя (ΔSE) будет иметь значение 0.

 

Если мы предположим, что для выполнения работы используется вся энергия, а холодный резервуар совсем не получает тепла, то энтропия холодного резервуара (ΔSС) тоже будет иметь значение 0.

 

Следовательно:

 

Беспорядок существования: как энтропия движет Вселенной

 

Общая энтропия Вселенной становится отрицательной, а значит, не может быть спонтанной.

 

Теперь предположим, что холодный резервуар получает количество тепла QC и не используется для выполнения работы. В таком случае энтропия холодного резервуара: (ΔSC) — QC / TC.

 

Так мы получаем следующее:

 

Беспорядок существования: как энтропия движет Вселенной

 

Единственный случай, при котором двигатель может работать, — когда энтропия Вселенной (ΔSuniverse) положительна или если положительно значение QC / TC — QH / TH, как и гласит второе начало термодинамики.

 

Универсальный закон

 

Второе начало термодинамики движет Вселенной. Нам известно, что Вселенная расширяется. Согласно второму началу термодинамики, энтропия Вселенной также должна возрастать. Звезды — источник энергии Вселенной. К тому моменту, когда последняя звезда испустит свой последний фотон, уровень энтропии будет невероятно высок. Переживать по этому поводу не стоит: все мы уйдем в небытие задолго до этого. Тогда-то и погибнет Вселенная, так как больше не останется энергии для увеличения ее энтропии.

С точки зрения науки

Naked Science Facebook VK Twitter
11.1K
Комментарии
"пистон" стоило бы заменить на более понятное слово "поршень".
Режет глаз и ухо машинный перевод
почти сразу после публикации и поменял. в процессе написания как-то не пришло в голову это слово. но, все равно, спасибо, что заметили. иногда бывает что-то ускользает поначалу из виду :)
Аватар пользователя Netbook
Однако есть жизнь, уменьшающая энтропию материи, путем излучения энергии, так что у вселенной еще не всё потеряно.
Теперь я объясню, действительное значение второго закона термодинамики, энтропии.
К сожалению у меня нет возможности полноценного ответа, в коротком комментарии, невежеству автора данной статьи.
Значение второго закона термодинамики в физике уникально тем, что постулирует неравенство в физике или необратимость физических процессов, постулирует невозможность описать физический процесс с помощью математической формулы, на том основании, что температуры тел не складываются и принцип суперпозиции в физике ничтожен.
Объясняю, автору статьи, и прочим продвинутым (типо шо), наиболее доходчиво- принцип суперпозиции, это когда, из двух меньших величин делают большую, как в математике, но в физике нет сложений.
И поэтому, когда бросают тело с высоты, а оно отскакивает и деформирует поверхность, это доказывает, что закон сохранения в физике - фуфло, как и закон всемирного тяготения Ньютона, поэтому автор придумал новый термин - спонтанность, надо же прятать, как то, свою глупость.

И СНОВА СТАРЫЕ БРЕДНИ
Старые бредни в чем, что вы не знаете школьной программы по физике и не знаете второго закона термодинамики, автор статьи то же его не знает.
Александр Попов, в школе надо учиться, а не по курилкам прятаться, тогда темной материи в голове будет меньше, ну хотя бы мысли научитесь формулировать, предложения составлять, аргументировать ответ, а не мычать.
Примеры, опыты физического взаимодействия, приведенные автором, в качестве доказательства спонтанности, выдает его полную некомпетентность в физике. В чем проявляется некомпетентность автора?!
Опыт по растворению чернил в воде. Уверен, что все со мной согласятся и даже автор, что с поверхности воды, постоянно испаряются и конденсируются молекулы воды, то есть молекулы жидкости постоянно двигаются, естественно, и только потому, что процесс теплообмена непрерывен и происходит при постоянной температуре. А если автору или Александру Попову это не понятно, посмотрите на градусник в своей квартире и сравните с температурой батарей отопления и окон в квартире.
Чернила имеют сложный физико-химический состав, но твердая фракция в составе чернил тяжелее воды, поэтому чернила опускаются вниз, перемешиваясь жидкостью, чернила бывают на водной основе так и на основе различных спиртов, поэтому чернила имеют свойство высыхать. Чернила, как и состав воды не является однородным, в воде растворен воздух, различные соли, твердые частицы, поэтому молекулы воды и частицы движутся ускорением и замедлением, неоднородность движения мы и наблюдаем в данном опыте. И никакой спонтанности, на все есть причина.
Когда ученый не знает, как объяснить физ. опыт он придумывает всякие термины - типо, спонтанность, или квант энергии. Что такое кванты, и почему появился квантованный Макс Планк, объясню следующий раз.
Ключевое суждение автора об энтропии - тепло повышает кинетическую энергию частиц???
Рассмотрим в опыте так ли это, для этого возьмем два равных металлических шара, и столкнем их, а затем будем их нагревать до определенных температур, по возрастанию, и вновь сталкивать. И какая чудная закономерность проявится в результате опыта - чем выше температура взаимодействующих тел, тем меньше кинетическое взаимодействие тел, то есть меньшую скорость приобретают тела при взаимодействии. Аналогичная закономерность и проявиться и при кипячении воды в закрытом сосуде, когда наряду с испарением жидкости одномоментно будет происходить конденсация жидкости. То есть при по подводе тепла энтропия жидкости возрастать не будет.
Многие мне возразят, а как же теплый воздух поднимается вверх, проблема не только в том, что в природе не существует замкнутых систем, а главная беда, катастрофа в физике заключается в том, что автор, как и другие ученые воспринимают тепло, как ''квант'' энергии, а вот другие энергии, например гравитацию в упор не видят, а ведь под действием гравитации ''холодная'' частица движется гораздо быстрее, чем под действием тепла.
На частицу одномоментно, действуют несколько воздействий, но если оставить только тепло и гравитацию, то накроется медным тазиком квантовый комикс, поскольку разделить тепловое воздействие от гравитационного невозможно. Никакая энергия не может, проявлять себя без одномоментного противодействия другой энергии. (закон моего имени)
Аватар пользователя Wlad Wlad
Блин! Второе начало термодинамики верно только ДЛЯ ЗАКРЫТЫХ систем. В нашей Вселенной НЕ СУЩЕСТВУЕТ закрытых систем. И мы НЕ ЗНАЕМ закрыта или открыта сама Вселенная.
И энтропия - это БРЕД. Мы наблюдаем УСЛОЖНЕНИЕ систем, а не "тепловую смерть".

Быстрый вход

Или авторизуйтесь с помощью:

на сайте, чтобы оставить комментарий.
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку