25 июня, 2024

Беспорядок существования: как энтропия движет Вселенной

Слова «энтропия» и «законы термодинамики» сегодня все чаще встречаются в книгах, фильмах, Интернете и т д. Однако мало кто знает, что означают эти понятия и какие процессы они описывают.

Беспорядок существования: как энтропия управляет Вселенной

Может ли двигатель работать со 100% эффективностью? В 1824 году ученый Николас Леонард Сэди Карно, также известный как «отец термодинамики», попытался ответить на этот вопрос. В одной из его теоретических моделей цилиндр с поршнем помещался между двумя тепловыми резервуарами. В обоих резервуарах поддерживалась постоянная температура, но температура в одном резервуаре была выше, чем в другом.

Идея заключалась в том, чтобы преобразовать тепловой поток между двумя резервуарами в работу. Для этого Карно поместил между резервуарами цилиндр с поршнем. Однако он понимал, что добиться 100% производительности невозможно. Часть тепла всегда поступает через цилиндр в холодильную камеру.

Первый закон термодинамики гласит, что энергию нельзя создать или уничтожить, она может только менять форму. Однако есть некоторые ограничения. Закон не определяет направление, в котором может произойти изменение, а также не указывает на обратимость изменения. Когда объект падает с высоты, потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, и объект падает. Однако, когда он падает на землю, он не возвращается на ту же высоту, на которую упал. Почему это случилось? Чтобы понять это, нам нужно рассмотреть важный термин: добровольный процесс.

Спонтанный процесс

Спонтанный процесс в термодинамике — это процесс, который может происходить без внешнего вмешательства. Для этого вам понадобится достаточно времени. Если вы бросите чернила в стакан с водой, они «естественным образом» разойдутся по всему стакану, но вам придется их размешать, чтобы растворить сахар. Когда на улице жарко, ваша комната «естественным образом» нагреется, но вам понадобится кондиционер, чтобы ее охладить.

Беспорядок существования: как энтропия управляет Вселенной

По собственному опыту мы знаем, что некоторые события, происходящие в нашей жизни, происходят спонтанно. Но ученым нужно было найти способ определить спонтанность любого события. Им нужен был способ определить направление, в котором происходят изменения. Сама эта необходимость породила то, что мы сегодня называем вторым законом термодинамики.

Второе начало термодинамики

Законы термодинамики определяют, как работа, тепло и энергия влияют на систему. Система — это ограниченная область во Вселенной, куда может передаваться энергия. Все, что находится за пределами этой системы, считается ее средой.

Второй закон термодинамики гласит, что в спонтанных процессах общая энтропия Вселенной всегда увеличивается. Что такое энтропия?

Энтропия

Если вы никогда раньше не встречали это слово, возможно, оно ассоциируется у вас со словом «беспорядок». Однако в термодинамике определение энтропии немного более подробное.

Во-первых, чтобы понять, что такое энтропия, нужно понять, что вся энергия квантована. Когда электрон в атоме получает энергию, он поглощает ее только в целых числах, кратных небольшим количествам энергии, называемым «квантами».

Когда капля чернил падает в стакан с водой, она распространяется по всей жидкости. Кроме того, если на столе находится горячий металл, тепло распространится на окружающую территорию. Представьте себе, что рядом с этим куском металла стоит коробочка, содержащая пять молекул газа. Металл передает газу 5 квантов тепла. Получает ли каждая молекула газа один квант энергии? Нет.

Вполне возможно, что две молекулы получают по два кванта, одна — только один квант, а две другие единицы — ничего. Возможно, что одна молекула получит три кванта, другая — два кванта, а остальные — ничего.

В этом случае возможны 126 комбинаций процессов теплового квантового переноса

Эти молекулы газа также могут сталкиваться друг с другом и обмениваться кинетической энергией. Однако общая энергия не может превышать количество энергии, подаваемой в систему.

Беспорядок существования: как энтропия управляет Вселенной

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

Энтропия — это переменная состояния, которая описывает физическое состояние системы, например давление, температуру или объем. Энтропию можно описать следующей формулой: S=kBlnΩ,

Где S — энтропия, kB — константа Больцмана, а Ω — мера вероятности. Константа Больцмана — это физическая константа, определяющая среднюю кинетическую энергию частиц газа в зависимости от температуры. Чтобы вычислить энтропию, умножьте эту константу на натуральный логарифм (меру вероятности) количества микросостояний).

Изменение энтропии также можно рассчитать, разделив полученное тепло на температуру. Образующееся тепло увеличивает кинетическую энергию частиц.

По сути, энтропия — это количество способов распределения энергии между молекулами в системе.

Энтропия теплового двигателя

Вернемся к двигателю Карно и выясним, при каких условиях возможна тепловая машина. Пусть температура высокотемпературного резервуара равна TH, а температура низкотемпературного резервуара равна TC. Для совершения работы из резервуара извлекается тепло QH.

Следовательно, изменение энтропии в высокотемпературном пласте можно рассчитать по следующей формуле: ΔSH = -QH/TH

Q отрицательный, поскольку тепло отводится от резервуара.

После того как поршень завершил свою работу в двигателе и вернулся в исходное состояние, изменение энтропии двигателя (ΔSE) имеет значение 0.

Предполагая, что вся энергия используется для совершения работы и что холодильник не получает тепла, значение энтропии (ΔSC) холодильника также равно 0.

Так:

Беспорядок существования: как энтропия управляет Вселенной

Общая энтропия Вселенной становится отрицательной, а это означает, что Вселенная не может существовать самопроизвольно.

Теперь предположим, что холодное помещение получает тепло и не используется для работы. В этом случае энтропия холодильной камеры равна (ΔSC) – QC/TC.

Так:

Беспорядок существования: как энтропия управляет Вселенной

Единственный случай, в котором двигатель может работать, — это если энтропия Вселенной (ΔSuniverse) положительна, или если значение QC/TC – QH/TH положительно, как указано во втором законе термодинамики.

Универсальный закон

Второй закон термодинамики управляет Вселенной. Мы знаем, что Вселенная расширяется. Согласно второму закону термодинамики, энтропия Вселенной также должна возрастать. Звезды являются источником энергии во Вселенной. К тому времени, когда последняя звезда испустит свой последний фотон, уровень энтропии будет невероятно высоким. Вам не нужно беспокоиться об этом. Нас всех забудут задолго до этого. Если это произойдет, не останется энергии для увеличения энтропии, и Вселенная погибнет.

Read Previous

Западные спутники показали, что окислов азота в России стало меньше. Это признак экономического спада или роста?

Read Next

Способы лечения суставов и ревматизма в Южной Корее

Leave a Reply

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *