نشأت الديناميكا الحرارية كفرع مستقل من العلوم الفيزيائية في النصف الأول من القرن التاسع عشر. لقد بزغ عصر الآلات. تطلبت الثورة الصناعية دراسة وفهم العمليات المرتبطة بتشغيل المحركات الحرارية. في فجر عصر الآلة ، كان بإمكان المخترعين المنفردين استخدام الحدس و "طريقة الوخز" فقط. لم يكن هناك نظام عام للاكتشافات والاختراعات ، ولا يمكن حتى أن يخطر ببال أي شخص أنها يمكن أن تكون مفيدة. لكن عندما أصبحت الآلات الحرارية (وبعد ذلك بقليل ، الكهربائية) أساس الإنتاج ، تغير الوضع. قام العلماء أخيرًا بفرز الارتباك المصطلحي الذي ساد حتى منتصف القرن التاسع عشر ، وقرروا ما نسميه الطاقة ، وما هي القوة ، وما هو الدافع.
ما تفترضه الديناميكا الحرارية
لنبدأ بالمعرفة العامة. تستند الديناميكا الحرارية الكلاسيكية إلى العديد من الافتراضات (المبادئ) التي تم تقديمها على التوالي طوال القرن التاسع عشر. هذا هو ، هذه الأحكام ليست كذلكيمكن إثباته بداخله. تمت صياغتها كنتيجة لتعميم البيانات التجريبية.
القانون الأول هو تطبيق قانون حفظ الطاقة على وصف سلوك الأنظمة العيانية (التي تتكون من عدد كبير من الجسيمات). باختصار ، يمكن صياغتها على النحو التالي: يظل مخزون الطاقة الداخلية لنظام ديناميكي حراري معزول ثابتًا دائمًا.
معنى القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو تحديد الاتجاه الذي تسير فيه العمليات في مثل هذه الأنظمة.
يسمح لك القانون الثالث بتحديد كمية مثل الانتروبيا بدقة. النظر في الأمر بمزيد من التفصيل.
مفهوم الانتروبيا
تم اقتراح صياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية في عام 1850 من قبل رودولف كلاوسيوس: "من المستحيل نقل الحرارة تلقائيًا من جسم أقل تسخينًا إلى جسم أكثر سخونة." في الوقت نفسه ، أكد كلاوسيوس على ميزة سادي كارنو ، الذي أثبت منذ عام 1824 أن نسبة الطاقة التي يمكن تحويلها إلى عمل محرك حراري تعتمد فقط على اختلاف درجة الحرارة بين السخان والثلاجة.
في مزيد من التطوير للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، يقدم Clausius مفهوم الانتروبيا - مقياس لكمية الطاقة التي تتحول بشكل لا رجعة فيه إلى شكل غير مناسب للتحويل إلى عمل. عبّر Clausius عن هذه القيمة بواسطة الصيغة dS=dQ / T ، حيث تحدد dS التغيير في الانتروبيا. هنا:
dQ - تغير الحرارة ؛
T - درجة الحرارة المطلقة (التي تُقاس بوحدة كلفن).
مثال بسيط: المس غطاء محرك السيارة أثناء تشغيل المحرك. هو واضحأكثر دفئا من البيئة. لكن محرك السيارة غير مصمم لتسخين غطاء المحرك أو الماء في المبرد. من خلال تحويل الطاقة الكيميائية للبنزين إلى طاقة حرارية ، ثم إلى طاقة ميكانيكية ، فإنه يقوم بعمل مفيد - فهو يقوم بتدوير العمود. لكن معظم الحرارة الناتجة تضيع ، لأنه لا يمكن استخلاص أي عمل مفيد منه ، وما يخرج من أنبوب العادم ليس بأي حال من الأحوال بنزين. في هذه الحالة ، تُفقد الطاقة الحرارية ، لكنها لا تختفي ، لكنها تتبدد (تتبدد). يبرد غطاء المحرك الساخن ، بالطبع ، وكل دورة من الأسطوانات في المحرك تضيف الحرارة إليه مرة أخرى. وبالتالي ، يميل النظام إلى الوصول إلى التوازن الديناميكي الحراري.
ميزات الانتروبيا
اشتق Clausius المبدأ العام للقانون الثاني للديناميكا الحرارية في الصيغة dS ≧ 0. ويمكن تعريف معناه المادي على أنه "عدم تناقص" للإنتروبيا: في العمليات القابلة للعكس لا يتغير ، في عمليات لا رجعة فيها يزيد.
وتجدر الإشارة إلى أن جميع العمليات الحقيقية لا رجوع فيها. مصطلح "غير متناقص" يعكس فقط حقيقة أن نسخة مثالية ممكنة نظريا مدرجة أيضا في النظر في هذه الظاهرة. أي أن كمية الطاقة غير المتوفرة في أي عملية تلقائية تزداد.
إمكانية الوصول إلى الصفر المطلق
قدم ماكس بلانك مساهمة جادة في تطوير الديناميكا الحرارية. بالإضافة إلى العمل على التفسير الإحصائي للقانون الثاني ، قام بدور نشط في افتراض القانون الثالث للديناميكا الحرارية. الصيغة الأولى تنتمي إلى W alter Nernst وتشير إلى 1906. تعتبر نظرية نرنستسلوك نظام التوازن عند درجة حرارة تميل إلى الصفر المطلق. يجعل القانونان الأول والثاني للديناميكا الحرارية من المستحيل معرفة ما ستكون عليه الإنتروبيا في ظل ظروف معينة.
عندما تكون T=0 K ، تكون الطاقة صفرية ، تتوقف جزيئات النظام عن الحركة الحرارية الفوضوية وتشكل بنية مرتبة ، بلورة باحتمال ديناميكي حراري يساوي واحدًا. هذا يعني أن الإنتروبيا تختفي أيضًا (أدناه سنكتشف سبب حدوث ذلك). في الواقع ، حتى أنها تفعل ذلك قبل ذلك بقليل ، مما يعني أن تبريد أي نظام ديناميكي حراري ، أي جسم إلى الصفر المطلق أمر مستحيل. ستقترب درجة الحرارة بشكل تعسفي من هذه النقطة ، لكنها لن تصل إليها.
Perpetuum mobile: لا ، حتى لو كنت تريد حقًا
قام كلوسيوس بتعميم وصياغة القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية بهذه الطريقة: تظل الطاقة الإجمالية لأي نظام مغلق دائمًا ثابتة ، ويزداد إجمالي الانتروبيا مع مرور الوقت.
يفرض الجزء الأول من هذا البيان حظراً على آلة الحركة الدائمة من النوع الأول - جهاز يعمل بدون تدفق للطاقة من مصدر خارجي. يحظر الجزء الثاني أيضًا آلة الحركة الدائمة من النوع الثاني. مثل هذه الآلة ستحول طاقة النظام إلى عمل دون تعويض إنتروبيا ، دون انتهاك قانون الحفظ. سيكون من الممكن ضخ الحرارة من نظام التوازن ، على سبيل المثال ، لقلي البيض المخفوق أو صب الفولاذ بسبب طاقة الحركة الحرارية لجزيئات الماء ، وبالتالي تبريده.
يحظر القانونان الثاني والثالث للديناميكا الحرارية آلة الحركة الدائمة من النوع الثاني.
للأسف ، لا يمكن الحصول على شيء من الطبيعة ، ليس فقط بالمجان ، بل عليك أيضًا دفع عمولة.
موت حراري
هناك مفاهيم قليلة في العلم تسببت في الكثير من المشاعر الغامضة ليس فقط بين عامة الناس ، ولكن أيضًا بين العلماء أنفسهم ، بقدر ما تسببت في الإنتروبيا. قام الفيزيائيون ، وقبل كل شيء كلاوسيوس نفسه ، على الفور تقريبًا باستقراء قانون عدم التناقص ، أولاً على الأرض ، ثم إلى الكون بأكمله (لم لا ، لأنه يمكن أيضًا اعتباره نظامًا ديناميكيًا حراريًا). نتيجة لذلك ، بدأ النظر إلى الكمية المادية ، وهي عنصر مهم في الحسابات في العديد من التطبيقات التقنية ، على أنها تجسيد لنوع من الشر العالمي الذي يدمر عالمًا مشرقًا ولطيفًا.
هناك أيضًا مثل هذه الآراء بين العلماء: بما أنه وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، فإن الانتروبيا تنمو بشكل لا رجوع فيه ، عاجلاً أم آجلاً ، تتحلل كل طاقة الكون إلى شكل منتشر ، وسيأتي "الموت الحراري". ما الذي يوجد ليكون سعيدا؟ كلاوسيوس ، على سبيل المثال ، تردد لعدة سنوات في نشر نتائجه. بالطبع ، أثارت فرضية "الموت الحراري" العديد من الاعتراضات على الفور. حتى الآن شكوك جدية في صحتها
فارز الخفي
في عام 1867 ، أظهر جيمس ماكسويل ، أحد مؤلفي نظرية الحركية الجزيئية للغازات ، في تجربة بصرية للغاية (وإن كانت خيالية) التناقض الظاهري للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. يمكن تلخيص التجربة على النحو التالي
يجب ألا يكون هناك وعاء به غاز. تتحرك الجزيئات الموجودة فيه بشكل عشوائي ، وسرعاتها متعددةتختلف ، لكن متوسط الطاقة الحركية هو نفسه في جميع أنحاء الوعاء. الآن نقسم الوعاء بقسم إلى قسمين منفصلين. سيبقى متوسط سرعة الجزيئات في نصفي الوعاء كما هو. يتم حماية هذا الحاجز بواسطة شيطان صغير يسمح للجزيئات "الساخنة" الأسرع باختراق جزء ، والجزيئات "الباردة" الأبطأ إلى جزء آخر. نتيجة لذلك ، سوف يسخن الغاز في النصف الأول ويبرد في النصف الثاني ، أي أن النظام سينتقل من حالة التوازن الديناميكي الحراري إلى فرق جهد درجة الحرارة ، مما يعني انخفاض الانتروبيا.
المشكلة برمتها هي أنه في التجربة لا يقوم النظام بهذا الانتقال تلقائيًا. يتلقى الطاقة من الخارج ، بسبب فتح القسم وإغلاقه ، أو يشتمل النظام بالضرورة على شيطان ينفق طاقته على واجبات حارس البوابة. الزيادة في إنتروبيا الشيطان ستغطي النقص في غازه.
جزيئات جامحة
خذ كوب من الماء واتركه على الطاولة. ليس من الضروري مشاهدة الكوب بل يكفي العودة بعد فترة وفحص حالة الماء فيه. سنرى أن عددها قد انخفض. إذا تركت الكوب لفترة طويلة ، فلن يكون هناك ماء فيه على الإطلاق ، حيث سيتبخر كله. في بداية العملية ، كانت جميع جزيئات الماء في منطقة معينة من الفضاء محدودة بجدران الزجاج. في نهاية التجربة ، انتشروا في جميع أنحاء الغرفة. في حجم الغرفة ، تتمتع الجزيئات بفرصة أكبر لتغيير موقعها دون أي شيءعواقب ذلك على حالة النظام. لا توجد طريقة يمكننا من خلالها جمعهم في "مجموعة" ملحومة وإعادتهم إلى الكوب لشرب الماء مع الفوائد الصحية.
هذا يعني أن النظام قد تطور إلى حالة إنتروبيا أعلى. بناءً على القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، أو الانتروبيا ، أو عملية تشتت جزيئات النظام (في هذه الحالة ، جزيئات الماء) لا رجوع فيه. لماذا هذا؟
لم يجيب كلوسيوس على هذا السؤال ، ولم يستطع أحد آخر قبل لودفيج بولتزمان.
ماكرو والدول الصغرى
في عام 1872 ، قدم هذا العالم التفسير الإحصائي للقانون الثاني للديناميكا الحرارية في العلوم. بعد كل شيء ، فإن الأنظمة العيانية التي تتعامل معها الديناميكا الحرارية تتكون من عدد كبير من العناصر التي يخضع سلوكها للقوانين الإحصائية.
دعنا نعود إلى جزيئات الماء. أثناء الطيران بشكل عشوائي في جميع أنحاء الغرفة ، يمكنهم اتخاذ أوضاع مختلفة ، وبعض الاختلافات في السرعات (تتصادم الجزيئات باستمرار مع بعضها البعض ومع الجسيمات الأخرى في الهواء). يُطلق على كل متغير من حالة نظام الجزيئات اسم microstate ، وهناك عدد كبير من هذه المتغيرات. عند تنفيذ الغالبية العظمى من الخيارات ، لن تتغير الحالة الكلية للنظام بأي شكل من الأشكال.
لا يوجد شيء خارج الحدود ، لكن هناك شيء مستبعد للغاية
تربط العلاقة الشهيرة S=k lnW عدد الطرق الممكنة التي يمكن من خلالها التعبير عن حالة كبيرة معينة لنظام ديناميكي حراري (W) مع إنتروبياها S.تسمى قيمة W الاحتمال الديناميكي الحراري. الشكل النهائي لهذه الصيغة قدمه ماكس بلانك. المعامل k ، وهو قيمة صغيرة للغاية (1.38 × 10−23J / K) الذي يميز العلاقة بين الطاقة ودرجة الحرارة ، أطلق بلانك على ثابت بولتزمان تكريما للعالم الذي كان أول من اقترح تفسير إحصائي للثاني هو بداية الديناميكا الحرارية.
من الواضح أن W دائمًا رقم طبيعي 1 ، 2 ، 3 ، … N (لا يوجد عدد كسري من الطرق). ثم لا يمكن أن يكون اللوغاريتم W ، وبالتالي الانتروبيا ، سالبًا. مع الحالة الدقيقة الوحيدة الممكنة للنظام ، تصبح الإنتروبيا مساوية للصفر. إذا عدنا إلى زجاجنا ، يمكن تمثيل هذه الفرضية على النحو التالي: عادت جزيئات الماء ، التي تنطلق عشوائيًا حول الغرفة ، إلى الزجاج. في الوقت نفسه ، كرر كل واحد مساره بالضبط وأخذ نفس المكان في الزجاج الذي كان عليه قبل المغادرة. لا شيء يمنع تنفيذ هذا الخيار ، حيث تساوي الأنتروبيا صفرًا. فقط انتظر تنفيذ مثل هذا الاحتمال الضئيل لا يستحق كل هذا العناء. هذا مثال على ما يمكن عمله نظريًا فقط.
كل شيء مختلط في المنزل …
إذن الجزيئات تطير بشكل عشوائي في جميع أنحاء الغرفة بطرق مختلفة. لا يوجد انتظام في ترتيبها ، ولا يوجد ترتيب في النظام ، وبغض النظر عن كيفية تغيير خيارات الدول الصغيرة ، فلا يمكن تتبع بنية واضحة. كان الأمر نفسه في الزجاج ، ولكن نظرًا للمساحة المحدودة ، لم تغير الجزيئات موقعها بنشاط كبير.
الحالة الفوضوية والمضطربة للنظام هي الأكثرالاحتمال يتوافق مع أقصى إنتروبيا. الماء في الزجاج هو مثال على حالة الكون السفلي. يكاد يكون من المستحيل الانتقال إليها من الفوضى الموزعة بالتساوي في جميع أنحاء الغرفة.
دعونا نعطي مثالًا أكثر قابلية للفهم لنا جميعًا - تنظيف الفوضى في المنزل. لوضع كل شيء في مكانه ، علينا أيضًا أن ننفق الطاقة. في عملية هذا العمل ، نصبح ساخنين (أي أننا لا نتجمد). اتضح أن الانتروبيا يمكن أن تكون مفيدة. هذا هو الحال. يمكننا أن نقول أكثر: الإنتروبيا ، ومن خلالها يحكم القانون الثاني للديناميكا الحرارية (جنبًا إلى جنب مع الطاقة) الكون. دعنا نلقي نظرة أخرى على العمليات القابلة للعكس. هكذا سيبدو العالم إذا لم يكن هناك إنتروبيا: لا تطور ، لا مجرات ، نجوم ، كواكب. لا حياة…
مزيد من المعلومات حول "الموت الحراري". هناك أخبار جيدة. نظرًا لأنه وفقًا للنظرية الإحصائية ، فإن العمليات "المحظورة" غير مرجحة في الواقع ، تنشأ التقلبات في نظام التوازن الديناميكي الحراري - انتهاكات عفوية للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. يمكن أن تكون كبيرة بشكل تعسفي. عندما يتم تضمين الجاذبية في النظام الديناميكي الحراري ، لن يكون توزيع الجسيمات منتظمًا بشكل فوضوي ، ولن يتم الوصول إلى حالة الانتروبيا القصوى. بالإضافة إلى ذلك ، الكون ليس ثابتًا أو ثابتًا أو ثابتًا. لذلك ، فإن صياغة مسألة "الموت الحراري" لا معنى لها.
