23.01.2019
Редакция Naked Science
6

Беспорядок существования: как энтропия движет Вселенной

3.4

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.

Энтропия
©Wikipedia

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

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

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:

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:

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.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Вчера, 14:13
Алиса Гаджиева

Мужчину и женщину похоронили 2500 лет назад и снабдили средством для разговора с Осирисом, необходимыми внутренними органами и большим числом слуг.

Вчера, 15:32
Ольга Иванова

Это касается не только жизни на Земле, но и, как предполагают исследователи из Франции и Великобритании, на других планетах.

10 часов назад
Василий Парфенов

Ученые смогли измерить время «жизни» хиггсовского бозона с высокой точностью. Для этого пришлось разработать новый весьма хитрый метод проведения эксперимента и анализа данных. Зато теперь человечество обладает эмпирическим подтверждением важнейших элементов одной из главных теорий современной физики — Стандартной модели.

3 декабря
Сергей Васильев

Биологи обнаружили, что обширные скопления пластика позволяют прибрежным животным осваивать открытое море, прежде для них недоступное, и распространяться по всем уголкам океана.

5 декабря
Василий Парфенов

Вопрос активности венерианских вулканов занимает планетологов давно. Если они до сих пор извергаются или делали это недавно по геологическим меркам, то недра второй планеты от Солнца по-прежнему активны. Однако получить достоверные данные подтверждающие или опровергающие активность вулканов на Венере до сих пор не получалось. Зато недавно ученые получили еще одно пусть и косвенное, но вполне надежное свидетельство «бурной жизни» геологических формирований на «сестре Земли».

3 декабря
Алиса Гаджиева

У погибшего почти 70 миллионов лет назад хищника была трудная жизнь: помимо обычного набора проблем, таких как схватки с сородичами, он страдал от зубной боли.

12 ноября
Мария Азарова

Кошки оказывались сбиты с толку, когда их человек, как им казалось, «телепортировался» в новое, неожиданное место. Однако они не реагировали таким же образом на чужих людей или других животных.

3 декабря
Сергей Васильев

Биологи обнаружили, что обширные скопления пластика позволяют прибрежным животным осваивать открытое море, прежде для них недоступное, и распространяться по всем уголкам океана.

25 ноября
НИУ ВШЭ

Мобильные ученые публикуются в индексируемых журналах в два раза чаще. К такому выводу пришли исследователи из НИУ ВШЭ.

[miniorange_social_login]

Комментарии

6 Комментариев

27.01.2019
-
0
+
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".
И СНОВА СТАРЫЕ БРЕДНИ
23.01.2019
-
0
+
Однако есть жизнь, уменьшающая энтропию материи, путем излучения энергии, так что у вселенной еще не всё потеряно.
-
0
+
"пистон" стоило бы заменить на более понятное слово "поршень". Режет глаз и ухо машинный перевод
    23.01.2019
    -
    0
    +
    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 :)
Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: