თერმოდინამიკა, როგორც ფიზიკური მეცნიერების დამოუკიდებელი ფილიალი, წარმოიშვა XIX საუკუნის პირველ ნახევარში. გათენდა მანქანების ხანა. სამრეწველო რევოლუცია მოითხოვდა სითბოს ძრავების მუშაობასთან დაკავშირებული პროცესების შესწავლას და გააზრებას. მანქანების ეპოქის გარიჟრაჟზე, მარტოხელა გამომგონებლებს შეეძლოთ გამოიყენონ მხოლოდ ინტუიცია და "poke მეთოდი". არ არსებობდა საზოგადოებრივი წესრიგი აღმოჩენებისა და გამოგონების შესახებ, ვერავის აზრადაც კი არ მოსვლია, რომ ისინი შეიძლება სასარგებლო ყოფილიყო. მაგრამ როდესაც თერმული (და ცოტა მოგვიანებით, ელექტრო) მანქანები გახდა წარმოების საფუძველი, სიტუაცია შეიცვალა. მეცნიერებმა საბოლოოდ ნელ-ნელა გამოასწორეს მე-19 საუკუნის შუა პერიოდამდე არსებული ტერმინოლოგიური გაუგებრობა და გადაწყვიტეს რა ეწოდოს ენერგიას, რა ძალას, რა იმპულსს.
რას ამტკიცებს თერმოდინამიკა
დავიწყოთ საერთო ცოდნით. კლასიკური თერმოდინამიკა ემყარება რამდენიმე პოსტულატს (პრინციპს), რომლებიც თანმიმდევრულად იქნა შემოღებული მე-19 საუკუნის განმავლობაში. ანუ ეს დებულებები არ არისმის ფარგლებში დასამტკიცებელია. ისინი ჩამოყალიბდა ემპირიული მონაცემების განზოგადების შედეგად.
პირველი კანონი არის ენერგიის შენარჩუნების კანონის გამოყენება მაკროსკოპული სისტემების ქცევის აღწერილობაში (რომელიც შედგება დიდი რაოდენობით ნაწილაკებისგან). მოკლედ, ის შეიძლება ჩამოყალიბდეს შემდეგნაირად: იზოლირებული თერმოდინამიკური სისტემის შიდა ენერგიის მარაგი ყოველთვის რჩება მუდმივი.
თერმოდინამიკის მეორე კანონის მნიშვნელობა არის განსაზღვროს მიმართულება, რომლითაც მიმდინარეობს პროცესები ასეთ სისტემებში.
მესამე კანონი საშუალებას გაძლევთ ზუსტად განსაზღვროთ ისეთი რაოდენობა, როგორიცაა ენტროპია. განიხილეთ ეს უფრო დეტალურად.
ენტროპიის კონცეფცია
თერმოდინამიკის მეორე კანონის ფორმულირება შემოგვთავაზა 1850 წელს რუდოლფ კლაუზიუსმა: „შეუძლებელია სითბოს სპონტანურად გადატანა ნაკლებად გახურებული სხეულიდან უფრო ცხელზე“. ამავე დროს, კლაუსიუსმა ხაზი გაუსვა სადი კარნოს დამსახურებას, რომელმაც ჯერ კიდევ 1824 წელს დაადგინა, რომ ენერგიის პროპორცია, რომელიც შეიძლება გარდაიქმნას სითბოს ძრავის მუშაობაში, დამოკიდებულია მხოლოდ გამათბობელსა და მაცივარს შორის ტემპერატურულ განსხვავებაზე.
თერმოდინამიკის მეორე კანონის შემდგომი განვითარებისას კლაუსიუსმა შემოგვთავაზა ენტროპიის კონცეფცია - ენერგიის რაოდენობის საზომი, რომელიც შეუქცევად გარდაიქმნება სამუშაოდ გარდაქმნისთვის შეუფერებელ ფორმაში. კლაუსიუსმა ეს მნიშვნელობა გამოხატა ფორმულით dS=dQ/T, სადაც dS განსაზღვრავს ენტროპიის ცვლილებას. აქ:
dQ - სითბოს ცვლილება;
T - აბსოლუტური ტემპერატურა (გაზომილი კელვინში).
მარტივი მაგალითი: შეეხეთ თქვენი მანქანის კაპოტს ძრავით. ის აშკარად არისუფრო თბილი ვიდრე გარემო. მაგრამ მანქანის ძრავა არ არის შექმნილი კაპოტის ან რადიატორში არსებული წყლის გასათბობად. ბენზინის ქიმიური ენერგიის თერმულ ენერგიად გარდაქმნით, შემდეგ კი მექანიკურ ენერგიად, ის აკეთებს სასარგებლო სამუშაოს - ატრიალებს ლილვს. მაგრამ წარმოებული სითბოს უმეტესი ნაწილი იხარჯება, რადგან მისგან რაიმე სასარგებლო სამუშაოს ამოღება შეუძლებელია და ის, რაც გამოდის გამონაბოლქვი მილიდან, არ არის ბენზინი. ამ შემთხვევაში თერმული ენერგია იკარგება, მაგრამ არ ქრება, არამედ იშლება (იფანტება). ცხელი კაპოტი, რა თქმა უნდა, კლებულობს და ძრავში არსებული ცილინდრების ყოველი ციკლი მას ისევ ამატებს სითბოს. ამრიგად, სისტემა მიდრეკილია მიაღწიოს თერმოდინამიკურ წონასწორობას.
ენტროპიის მახასიათებლები
კლაუზიუსმა გამოიღო თერმოდინამიკის მეორე კანონის ზოგადი პრინციპი ფორმულაში dS ≧ 0. მისი ფიზიკური მნიშვნელობა შეიძლება განისაზღვროს, როგორც ენტროპიის „არაკლებადი“: შექცევად პროცესებში ის არ იცვლება, შეუქცევად პროცესებში. ის იზრდება.
უნდა აღინიშნოს, რომ ყველა რეალური პროცესი შეუქცევადია. ტერმინი „არაკლებადობა“ასახავს მხოლოდ იმ ფაქტს, რომ თეორიულად შესაძლო იდეალიზებული ვერსიაც შედის ფენომენის განხილვაში. ანუ, ნებისმიერ სპონტანურ პროცესში იზრდება მიუწვდომელი ენერგიის რაოდენობა.
აბსოლუტური ნულის მიღწევის შესაძლებლობა
მაქს პლანკმა სერიოზული წვლილი შეიტანა თერმოდინამიკის განვითარებაში. მეორე კანონის სტატისტიკურ ინტერპრეტაციაზე მუშაობის გარდა, მან აქტიური მონაწილეობა მიიღო თერმოდინამიკის მესამე კანონის პოსტულაციაში. პირველი ფორმულირება ეკუთვნის ვალტერ ნერნსტს და ეხება 1906 წ. ნერნსტის თეორემა განიხილავსწონასწორული სისტემის ქცევა აბსოლუტური ნულისკენ მიდრეკილ ტემპერატურაზე. თერმოდინამიკის პირველი და მეორე კანონები შეუძლებელს ხდის იმის გარკვევას, თუ რა იქნება ენტროპია მოცემულ პირობებში.
როდესაც T=0 K, ენერგია ნულის ტოლია, სისტემის ნაწილაკები წყვეტენ ქაოტურ თერმულ მოძრაობას და ქმნიან მოწესრიგებულ სტრუქტურას, კრისტალს, რომლის თერმოდინამიკური ალბათობა უდრის ერთს. ეს ნიშნავს, რომ ენტროპიაც ქრება (ქვემოთ გავარკვევთ, რატომ ხდება ეს). სინამდვილეში, ამას ცოტა ადრეც კი აკეთებს, რაც ნიშნავს, რომ ნებისმიერი თერმოდინამიკური სისტემის, ნებისმიერი სხეულის აბსოლუტურ ნულამდე გაცივება შეუძლებელია. ტემპერატურა თვითნებურად მიუახლოვდება ამ წერტილს, მაგრამ არ მიაღწევს მას.
Perpetuum mobile: არა, მაშინაც კი, თუ მართლა გსურს
კლაუსიუსმა განაზოგადა და ჩამოაყალიბა თერმოდინამიკის პირველი და მეორე კანონები ამ გზით: ნებისმიერი დახურული სისტემის ჯამური ენერგია ყოველთვის რჩება მუდმივი, ხოლო მთლიანი ენტროპია დროთა განმავლობაში იზრდება.
ამ განცხადების პირველი ნაწილი აწესებს აკრძალვას პირველი ტიპის მუდმივი მოძრაობის მანქანაზე - მოწყობილობაზე, რომელიც მუშაობს გარე წყაროდან ენერგიის შემოდინების გარეშე. მეორე ნაწილი ასევე კრძალავს მეორე სახის მუდმივი მოძრაობის მანქანას. ასეთი მანქანა გადასცემს სისტემის ენერგიას მუშაობაში ენტროპიის კომპენსაციის გარეშე, კონსერვაციის კანონის დარღვევის გარეშე. შესაძლებელი იქნება წონასწორული სისტემიდან სითბოს ამოტუმბვა, მაგალითად, ათქვეფილი კვერცხის შეწვა ან ფოლადის ჩასხმა წყლის მოლეკულების თერმული მოძრაობის ენერგიის გამო, რითაც გაცივდება.
თერმოდინამიკის მეორე და მესამე კანონები კრძალავს მეორე სახის მუდმივი მოძრაობის მანქანას.
ვაი, ბუნებიდან ვერაფერს მოიპოვებ, არა მარტო უფასოდ, საკომისიოც უნდა გადაიხადო.
სითბო სიკვდილი
მეცნიერებაში ცოტაა ცნებები, რომლებმაც გამოიწვია ამდენი ორაზროვანი ემოცია არა მხოლოდ ფართო საზოგადოებაში, არამედ თავად მეცნიერებშიც, ისევე როგორც ენტროპია. ფიზიკოსებმა და უპირველეს ყოვლისა თავად კლაუსიუსმა, თითქმის მაშინვე გადმოიტანეს შეუმცირების კანონი ჯერ დედამიწაზე, შემდეგ კი მთელ სამყაროზე (რატომაც არა, რადგან ის ასევე შეიძლება ჩაითვალოს თერმოდინამიკურ სისტემად). შედეგად, ფიზიკური რაოდენობა, გამოთვლების მნიშვნელოვანი ელემენტი მრავალ ტექნიკურ აპლიკაციებში, დაიწყო აღქმა, როგორც რაიმე სახის უნივერსალური ბოროტების განსახიერება, რომელიც ანადგურებს ნათელ და კეთილ სამყაროს.
არის მეცნიერებს შორისაც ასეთი მოსაზრებები: ვინაიდან თერმოდინამიკის მეორე კანონის თანახმად, ენტროპია შეუქცევად იზრდება, ადრე თუ გვიან სამყაროს მთელი ენერგია იშლება დიფუზურ ფორმაში და მოვა "სითბო სიკვდილი". რა არის საბედნიეროდ? მაგალითად, კლაუსიუსი რამდენიმე წლის განმავლობაში ყოყმანობდა თავისი დასკვნების გამოქვეყნებაზე. რა თქმა უნდა, „სითბო სიკვდილის“ჰიპოთეზამ მაშინვე გამოიწვია მრავალი წინააღმდეგობა. მის სისწორეში ახლაც არსებობს სერიოზული ეჭვი.
Sorter Daemon
1867 წელს ჯეიმს მაქსველმა, გაზების მოლეკულურ-კინეტიკური თეორიის ერთ-ერთმა ავტორმა, ძალიან ვიზუალურ (თუმცა გამოგონილ) ექსპერიმენტში აჩვენა თერმოდინამიკის მეორე კანონის ერთი შეხედვით პარადოქსი. გამოცდილება შეიძლება შეჯამდეს შემდეგნაირად.
იყოს ჭურჭელი გაზით. მასში მოლეკულები მოძრაობენ შემთხვევით, მათი სიჩქარე რამდენიმეაგანსხვავდება, მაგრამ საშუალო კინეტიკური ენერგია ერთნაირია მთელ გემზე. ახლა ჩვენ ვყოფთ ჭურჭელს დანაყოფით ორ იზოლირებულ ნაწილად. ჭურჭლის ორივე ნახევარში მოლეკულების საშუალო სიჩქარე იგივე დარჩება. დანაყოფს იცავს პაწაწინა დემონი, რომელიც საშუალებას აძლევს უფრო სწრაფ, "ცხელ" მოლეკულებს შეაღწიონ ერთ ნაწილში, ხოლო ნელა "ცივ" მოლეკულებს მეორეში. შედეგად გაზი გაცხელდება პირველ ნახევარში და გაცივდება მეორე ნახევარში, ანუ სისტემა თერმოდინამიკური წონასწორობის მდგომარეობიდან გადავა ტემპერატურული პოტენციალის სხვაობამდე, რაც ნიშნავს ენტროპიის შემცირებას.
მთელი პრობლემა ის არის, რომ ექსპერიმენტში სისტემა ამ გადასვლას სპონტანურად არ აკეთებს. ის იღებს ენერგიას გარედან, რის გამოც დანაყოფი იხსნება და იხურება, ან სისტემაში აუცილებლად შედის დემონი, რომელიც ენერგიას ხარჯავს კარიბჭის მოვალეობებზე. დემონის ენტროპიის ზრდა უფრო მეტად ფარავს მისი გაზის შემცირებას.
უმართავი მოლეკულები
აიღეთ ჭიქა წყალი და დატოვეთ მაგიდაზე. შუშის ყურება არ არის საჭირო, საკმარისია ცოტა ხნის შემდეგ დაბრუნდეთ და შეამოწმოთ მასში არსებული წყლის მდგომარეობა. დავინახავთ, რომ მისი რაოდენობა შემცირდა. თუ ჭიქას დიდხანს დატოვებთ, მასში წყალი საერთოდ არ მოიძებნება, რადგან ყველაფერი აორთქლდება. პროცესის დასაწყისშივე, წყლის ყველა მოლეკულა იყო მინის კედლებით შეზღუდული სივრცის გარკვეულ რეგიონში. ექსპერიმენტის ბოლოს ისინი მთელ ოთახში გაიფანტნენ. ოთახის მოცულობაში მოლეკულებს გაცილებით მეტი შესაძლებლობა აქვთ შეცვალონ თავიანთი მდებარეობა ყოველგვარი გარეშეშედეგები სისტემის მდგომარეობაზე. არავითარ შემთხვევაში არ შეგვიძლია შევკრიბოთ ისინი შედუღებულ „კოლექტივში“და დავაბრუნოთ ჭიქაში, რათა დალიოთ წყალი ჯანმრთელობისთვის სასარგებლო.
ეს ნიშნავს, რომ სისტემა განვითარდა უფრო მაღალ ენტროპიამდე. თერმოდინამიკის მეორე კანონის საფუძველზე, ენტროპია, ანუ სისტემის ნაწილაკების (ამ შემთხვევაში, წყლის მოლეკულების) დისპერსიის პროცესი შეუქცევადია. რატომ არის ასე?
კლაუსიუსმა არ უპასუხა ამ კითხვას და ვერავინ შეძლო ლუდვიგ ბოლცმანამდე.
მაკრო და მიკრომდგომარეობები
1872 წელს ამ მეცნიერმა შემოიტანა მეცნიერებაში თერმოდინამიკის მეორე კანონის სტატისტიკური ინტერპრეტაცია. ყოველივე ამის შემდეგ, მაკროსკოპული სისტემები, რომლებსაც თერმოდინამიკა ეხება, ჩამოყალიბებულია ელემენტების დიდი რაოდენობით, რომელთა ქცევა ემორჩილება სტატისტიკურ კანონებს.
მოდი დავუბრუნდეთ წყლის მოლეკულებს. შემთხვევით დაფრინავდნენ ოთახში, მათ შეუძლიათ დაიკავონ სხვადასხვა პოზიციები, ჰქონდეთ გარკვეული განსხვავებები სიჩქარეში (მოლეკულები მუდმივად ეჯახებიან ერთმანეთს და ჰაერში არსებულ სხვა ნაწილაკებს). მოლეკულების სისტემის მდგომარეობის თითოეულ ვარიანტს მიკროსახელმწიფო ეწოდება და ასეთი ვარიანტების დიდი რაოდენობაა. პარამეტრების დიდი უმრავლესობის განხორციელებისას, სისტემის მაკრო მდგომარეობა არანაირად არ შეიცვლება.
არაფერი არ არის შეზღუდული, მაგრამ რაღაც ძალიან საეჭვოა
ცნობილი მიმართება S=k lnW აკავშირებს შესაძლო გზების რაოდენობას, რომლითაც თერმოდინამიკური სისტემის გარკვეული მაკროსტატია (W) შეიძლება გამოისახოს მისი ენტროპიით S. W-ის მნიშვნელობას თერმოდინამიკური ალბათობა ეწოდება. ამ ფორმულის საბოლოო ფორმა მისცა მაქს პლანკმა. კოეფიციენტი k, უკიდურესად მცირე მნიშვნელობა (1,38×10−23 J/K), რომელიც ახასიათებს ურთიერთობას ენერგიასა და ტემპერატურას შორის, პლანკმა უწოდა ბოლცმანის მუდმივი მეცნიერის პატივსაცემად. პირველმა შესთავაზა სტატისტიკური ინტერპრეტაცია მეორეს თერმოდინამიკის დასაწყისი.
ნათელია, რომ W ყოველთვის არის ნატურალური რიცხვი 1, 2, 3, …N (არ არსებობს გზების წილადი რაოდენობა). მაშინ ლოგარითმი W და, შესაბამისად, ენტროპია, არ შეიძლება იყოს უარყოფითი. სისტემის ერთადერთი შესაძლო მიკრომდგომარეობით, ენტროპია ხდება ნულის ტოლი. თუ ჩვენს ჭიქას დავუბრუნდებით, ეს პოსტულატი შეიძლება შემდეგნაირად იყოს წარმოდგენილი: წყლის მოლეკულები, რომლებიც შემთხვევით ტრიალებენ ოთახში, დაბრუნდნენ მინაში. ამავე დროს, თითოეულმა ზუსტად გაიმეორა თავისი გზა და იგივე ადგილი დაიკავა ჭიქაში, რომელშიც იყო გამგზავრებამდე. არაფერი კრძალავს ამ ვარიანტის განხორციელებას, რომელშიც ენტროპია ნულის ტოლია. უბრალოდ დაველოდოთ განხორციელებას ასეთი გაუჩინარებით მცირე ალბათობა არ ღირს. ეს არის ერთი მაგალითი იმისა, რისი გაკეთებაც მხოლოდ თეორიულად შეიძლება.
სახლში ყველაფერი აირია…
ასე რომ, მოლეკულები შემთხვევით დაფრინავენ ოთახში სხვადასხვა გზით. მათ მოწყობაში არ არის კანონზომიერება, სისტემაში არ არის წესრიგი, როგორც არ უნდა შეცვალოთ ვარიანტები მიკროსახელმწიფოებისთვის, ვერანაირი გასაგები სტრუქტურა ვერ მოიძებნება. ჭიქაშიც ასე იყო, მაგრამ შეზღუდული სივრცის გამო მოლეკულები ასე აქტიურად არ იცვლიდნენ პოზიციას.
სისტემის ქაოტური, მოუწესრიგებელი მდგომარეობა ყველაზე მეტადსავარაუდო შეესაბამება მის მაქსიმალურ ენტროპიას. წყალი ჭიქაში არის დაბალი ენტროპიის მდგომარეობის მაგალითი. მასზე გადასვლა ოთახში თანაბრად განაწილებული ქაოსიდან თითქმის შეუძლებელია.
მოდით ყველა ჩვენთაგანისთვის უფრო გასაგები მაგალითი მოვიყვანოთ - სახლში არეულობის დასუფთავება. ყველაფერი თავის ადგილზე რომ დავაყენოთ, ენერგიაც უნდა დავხარჯოთ. ამ სამუშაოს პროცესში ჩვენ ვთბებით (ანუ არ ვიყინებით). გამოდის, რომ ენტროპია შეიძლება სასარგებლო იყოს. ეს არის საქმე. კიდევ უფრო მეტის თქმა შეგვიძლია: ენტროპია და მისი მეშვეობით თერმოდინამიკის მეორე კანონი (ენერგეტიკასთან ერთად) მართავს სამყაროს. მოდით კიდევ ერთხელ გადავხედოთ შექცევად პროცესებს. ასე გამოიყურებოდა სამყარო, ენტროპია რომ არ იყოს: არ იყოს განვითარება, არ იყოს გალაქტიკები, ვარსკვლავები, პლანეტები. არა სიცოცხლე…
ცოტა მეტი ინფორმაცია "სითბო სიკვდილის" შესახებ. კარგი ამბავია. ვინაიდან, სტატისტიკური თეორიის მიხედვით, „აკრძალული“პროცესები ფაქტობრივად ნაკლებად სავარაუდოა, თერმოდინამიკურ წონასწორობის სისტემაში წარმოიქმნება რყევები - თერმოდინამიკის მეორე კანონის სპონტანური დარღვევები. ისინი შეიძლება იყოს თვითნებურად დიდი. როდესაც გრავიტაცია შედის თერმოდინამიკურ სისტემაში, ნაწილაკების განაწილება აღარ იქნება ქაოტურად ერთგვაროვანი და მაქსიმალური ენტროპიის მდგომარეობა არ იქნება მიღწეული. გარდა ამისა, სამყარო არ არის უცვლელი, მუდმივი, სტაციონარული. ამიტომ, „სითბო სიკვდილის“საკითხის ფორმულირება უაზროა.
