Има няколко формулировки на втория закон на термодинамиката, две от които са дадени по-долу:

· топлината не може естествено да преминава от тяло с по-ниска температура към тяло с по-висока температура(формулировка на R. Clausius);

· невъзможен вечен двигател от втори вид, т.е. такъв периодичен процес, единственият резултат от който би бил превръщането на топлината в работа поради охлаждането на едно тяло (формулировката на Томсън).

Вторият закон на термодинамиката показва неравенството на две форми на пренос на енергия - работа и топлина. Този закон отчита факта, че процесът на преход на енергията на подреденото движение на тялото като цяло (механична енергия) в енергията на неуреденото движение на неговите частици (топлинна енергия) е необратим. Например механичната енергия по време на триене се превръща в топлина без допълнителни процеси. Преходът на енергията на неуреденото движение на частиците (вътрешна енергия) в работа е възможен само ако е придружен от някакъв допълнителен процес. По този начин топлинният двигател, работещ в директен цикъл, произвежда работа само поради топлината, подадена от нагревателя, но в същото време част от получената топлина се прехвърля към хладилника.

Ентропия.В допълнение към вътрешната енергия U, която е уникална функция на параметрите на състоянието на системата, други функции на състоянието се използват широко в термодинамиката ( свободна енергия, енталпияи ентропия).

Концепция ентропиявъведен през 1865 г. от Рудолф Клаузиус. Тази дума идва от гръцки. ентропияи буквално означава завой, трансформация.в термодинамиката този термин се използва, за да опише трансформацията на различни видове енергия (механична, електрическа, светлинна, химическа) в топлина, тоест в произволно, хаотично движение на молекули. Невъзможно е да се събере тази енергия и да се трансформира обратно във вида, от който е получена.

За определяне мерки за необратимо разсейванеили разсейванеенергия и тази концепция беше въведена. Ентропия Се функция на държавата. Той се отличава сред другите термодинамични функции с това, че има статистически, тоест вероятностен характер.

Ако в термодинамична система протича процес, включващ получаване или освобождаване на топлина, това води до трансформация на ентропията на системата, която може да се увеличи или намали. По време на необратим цикъл ентропията на изолирана система се увеличава

dS> 0. (3.4)

Това означава, че в системата възниква необратимо разсейване на енергия.

Ако в затворена система възникне обратим процес, ентропията остава непроменена

dS= 0. (3.5)

Промяната в ентропията на изолирана система, на която е придадено безкрайно малко количество топлина, се определя от връзката:

. (3.6)

Тази връзка е валидна за обратим процес. За необратим процес, протичащ в затворена система, имаме:

dS> .

В отворена система ентропията винаги нараства. Функцията на състоянието, чийто диференциал е се нарича намалена топлина.

По този начин във всички процеси, протичащи в затворена система, ентропията се увеличава по време на необратими процеси и остава непроменена по време на обратими процеси. Следователно формули (3.4) и (3.5) могат да бъдат комбинирани и представени във формата

dS ³ 0.

това статистическиформулиране на втория закон на термодинамиката.

Ако системата извърши равновесен преход от състояние 1 към състояние 2, тогава съгласно уравнение (3.6) , промяна на ентропията

г С 1- 2 = С 2 – С 1 = .

Не самата ентропия има физическо значение, а разликата между ентропиите.

Нека намерим промяната в ентропията в идеалните газови процеси. защото:

; ;

,

или: . (3.7)

Това показва, че промяната в ентропията на идеален газ по време на прехода от състояние 1 към състояние 2 не зависи от вида на процеса на преход 1® 2.

От формула (3.7) следва, че когато изотермиченпроцес ( Т 1 = Т 2):

.

При изохориченпроцес, промяната в ентропията е равна на

.

Тъй като за адиабатен процесd Q= 0, тогава uD С= 0, следователно възниква обратим адиабатичен процес при постоянна ентропия. Затова го наричат изоентропичен процес.

Ентропията на системата има свойството адитивност, което означава, че ентропията на системата е равна на сумата от ентропиите на всички тела, които са част от системата.

Значението на ентропията става по-ясно, ако включим статистическата физика. В него ентропията се свързва с термодинамична вероятност на състоянието на системата. Термодинамичната вероятност W на състоянието на системата е равна на броя на всички възможни микроразпределения на частиците по координати и скорости, което определя дадено макросъстояние: Walways³ 1, т.е. термодинамичната вероятност не е вероятност в математическия смисъл.

Л. Болцман (1872) показа, че ентропията на една система е равна на произведението на константата на Болцман кчрез логаритъм на термодинамичната вероятност W на дадено състояние

Следователно на ентропията може да се даде следната статистическа интерпретация: ентропията е мярка за безпорядъка на една система. От формула (3.8) става ясно: колкото по-голям е броят на микросъстоянията, които реализират дадено макросъстояние, толкова по-голяма е ентропията. Най-вероятното състояние на системата е равновесно състояние. Броят на микросъстоянията е максимален, следователно ентропията е максимална.

Тъй като всички реални процеси са необратими, може да се твърди, че всички процеси в една затворена система водят до увеличаване на ентропията – принципът на нарастващата ентропия.

В статистическата интерпретация на ентропията това означава, че процесите в затворена система протичат в посока от по-малко вероятни състояния към по-вероятни състояния, докато вероятността от състояния стане максимална.

Нека обясним с пример. Нека си представим съд, разделен с преграда на две равни части Аи б. Отчасти Аима газ и в б- вакуум. Ако направите дупка в преградата, газът веднага ще започне да се разширява „сам“ и след известно време ще се разпредели равномерно по целия обем на съда, което ще най-вероятносъстояние на системата. Най-малко вероятноще има състояние, когато повечето от газовите молекули внезапно спонтанно изпълват една от половините на съда. Можете да чакате това явление колкото желаете, но самият газ няма да се сглоби на части. А. За да направите това, трябва да поработите малко върху газа: например, преместете дясната стена на част като бутало б. По този начин всяка физическа система има тенденция да преминава от по-малко вероятно състояние към по-вероятно състояние. Равновесното състояние на системата е по-вероятно.

Използвайки концепцията за ентропия и неравенството на Р. Клаузиус, втори закон на термодинамикатаможе да се формулира като закон за нарастване на ентропията на затворена система по време на необратими процеси:

всеки необратим процес в затворена система се случва по такъв начин, че системата е по-вероятно да влезе в състояние с по-висока ентропия, достигайки максимум в състояние на равновесие. Или иначе:

при процеси, протичащи в затворени системи, ентропията не намалява.

Моля, имайте предвид, че говорим само за затворени системи.

И така, вторият закон на термодинамиката е статистически закон. Той изразява необходимите модели на хаотично движение на голям брой частици, които са част от изолирана система. Статистическите методи обаче са приложими само в случай на огромен брой частици в системата. За малък брой частици (5-10) този подход не е приложим. В този случай вероятността всички частици да са в половината от обема вече не е нула, или с други думи, такова събитие може да се случи.

Топлинна смърт на Вселената. Р. Клаузиус, разглеждайки Вселената като затворена система и прилагайки към нея втория закон на термодинамиката, свежда всичко до твърдението, че ентропията на Вселената трябва да достигне своя максимум. Това означава, че всички форми на движение трябва да се превърнат в топлинно движение, в резултат на което температурата на всички тела във Вселената ще се изравни с времето, ще настъпи пълно топлинно равновесие и всички процеси просто ще спрат: топлинната смърт на Вселената ще възникне.

Основно уравнение на термодинамиката . Това уравнение съчетава формулите на първия и втория закон на термодинамиката:

d Q = dU + p dV, (3.9)

Нека заместим уравнението (3.9), изразяващо втория закон на термодинамиката, в равенството (3.10):

.

Това е фундаментално уравнение на термодинамиката.

В заключение още веднъж отбелязваме, че ако първият закон на термодинамиката съдържа енергийния баланс на процеса, то вторият закон показва възможната му посока.

Трети закон на термодинамиката

Друг закон на термодинамиката е установен в процеса на изучаване на промените в ентропията на химичните реакции през 1906 г. от В. Нернст. Нарича се Теорема на Нернст или трети закон на термодинамикатаи се свързва с поведението на топлинния капацитет на веществата при абсолютни нулеви температури.

Теорема на Нернстзаявява, че когато се приближава до абсолютната нула, ентропията на системата също клони към нула, независимо от това какви стойности приемат всички други параметри на състоянието на системата:

.

От ентропията , и температурата Тклони към нула, топлинният капацитет на веществото също трябва да клони към нула и по-бързо от Т. Следва недостижимост на абсолютната нула температурас крайна последователност от термодинамични процеси, т.е. краен брой операции - работни цикли на хладилната машина (втората формулировка на третия закон на термодинамиката).

Реални газове

Уравнение на Ван дер Ваалс

Промяната в състоянието на разредените газове при достатъчно високи температури и ниски налягания се описва от законите за идеалния газ. Въпреки това, когато налягането се увеличава и температурата на реалния газ се понижава, се наблюдават значителни отклонения от тези закони, поради значителни разлики между поведението на реалните газове и поведението, което се приписва на частиците на идеален газ.

Уравнението на състоянието на реалните газове трябва да вземе предвид:

· крайна стойност на собствения обем на молекулите;

· взаимно привличане на молекулите една към друга.

За това J. van der Waals предложи да се включи в уравнението на състоянието, а не обемът на съда, както в уравнението на Клапейрон-Менделеев ( pV = RT), и обемът на мол газ, който не е зает от молекули, тоест стойността ( Vм -б), Къде V m – моларен обем. За да вземе предвид силите на привличане между молекулите, J. van der Waals въвежда корекция на налягането, включено в уравнението на състоянието.

Чрез въвеждане на корекции, свързани с отчитане на собствения обем на молекулите (силите на отблъскване) и силите на привличане в уравнението на Клапейрон-Менделеев, получаваме уравнение на състоянието на мол реален газвъв формата:

.

това уравнение на ван дер Ваалс, в който константите Аи bимат различно значение за различните газове.

Лабораторна работа

Втори закон на термодинамиката(втори закон на термодинамиката) установява съществуването на ентропията като функция на състоянието на термодинамичната система и въвежда понятието абсолютна термодинамична температура, т.е. „вторият закон е законът на ентропията“ и неговите свойства. В изолирана система ентропията остава или непроменена, или нараства (при неравновесни процеси), достигайки максимум при достигане на термодинамично равновесие ( закон за нарастване на ентропията) . Различни формулировки на втория закон на термодинамиката, открити в литературата, са конкретни изрази на общия закон за нарастваща ентропия.

Вторият закон на термодинамиката ни позволява да изградим рационална температурна скала, която не зависи от произвола при избора на термометрично свойство и метода за измерването му.

Заедно първият и вторият принцип формират основата на феноменологичната термодинамика, която може да се разглежда като развита система от следствия на тези два принципа. В същото време, от всички процеси, разрешени от първия закон в една термодинамична система, вторият закон ни позволява да идентифицираме действително възможните и да установим посоката на протичане на спонтанните процеси, както и критериите за равновесие в термодинамичните системи

Енциклопедичен YouTube

1 / 5

✪ Основи на топлотехниката. Втори закон на термодинамиката. Ентропия. Теорема на Нернст.

✪ ПЪРВИ И ВТОРИ ЗАКОН НА ТЕРМОДИНАМИКАТА

✪ Физика. Термодинамика: Първият закон на термодинамиката. Онлайн център за обучение на Foxford

✪ Лекция 5. II закон на термодинамиката. Ентропия. Химично равновесие

✪ Първи закон на термодинамиката. Вътрешна енергия

субтитри

История

Вторият закон на термодинамиката възниква като работеща теория на топлинните двигатели, която установява условията, при които превръщането на топлината в работа постига максимален ефект. Анализът на втория закон на термодинамиката показва, че малката величина на този ефект ─ коефициент на полезно действие (КПД) ─ се определя не от техническото несъвършенство на топлинните двигатели, а от особеностите на топлината като метод за пренос на енергия, което налага ограничения върху неговата стойност. Първите теоретични изследвания на работата на топлинните двигатели са извършени от френския инженер Сади Карно. Той стига до извода, че ефективността на топлинните машини не зависи от термодинамичния цикъл и естеството на работния флуид, а се определя изцяло в зависимост от външни източници - нагревател и хладилник. Работата на Карно е написана преди откриването на принципа за еквивалентност на топлината и работата и общото признаване на закона за запазване на енергията. Карно основава заключенията си на две противоречиви основания: калоричната теория, която скоро е отхвърлена, и хидравличната аналогия. Малко по-късно Р. Клаузиус и У. Томсън-Келвин съгласуват теоремата на Карно със закона за запазване на енергията и полагат основите на това, което сега представлява съдържанието на втория закон на термодинамиката.

За да се обоснове теоремата на Карно и да се изгради по-нататък вторият закон, беше необходимо да се въведе нов постулат.

Най-често срещаните формулировки на постулата на втория закон на термодинамиката

Постулат на Клаузиус (1850):

Топлината не може да се прехвърли спонтанно от по-студено тяло към по-топло..

Постулат на Томсън-Келвин (1852 г.), формулиран от М. Планк:

Невъзможно е да се изгради периодично работеща машина, цялата дейност на която се свежда до повдигане на тежести и охлаждане на термичния резервоар.

Индикацията за честотата на работа на машината е от съществено значение, тъй като е възможно некръгов процес, чийто единствен резултат би бил производството на работа поради вътрешната енергия, получена от топлинния резервоар. Този процес не противоречи на постулата на Томсън-Келвин, тъй като процесът не е кръгов и следователно машината не работи периодично. По същество постулатът на Томсън говори за невъзможността да се създаде вечен двигател от втори вид, който е способен непрекъснато да извършва работа, като отнема топлина от неизчерпаем източник. С други думи, невъзможно е да се реализира топлинен двигател, чийто единствен резултат би бил превръщането на топлината в работа без компенсация, тоест без част от топлината да бъде прехвърлена към други тела и по този начин безвъзвратно изгубена за получаване на работа.

Лесно е да се докаже, че постулатите на Клаузиус и Томсън са еквивалентни. Доказателството идва от обратното.

Да приемем, че постулатът на Клаузиус не е изпълнен. Нека разгледаме топлинен двигател, чието работно вещество получава количество топлина от горещ източник по време на цикъл Q 1 (\displaystyle Q_(1)), даде количество топлина на източника на студ и извърши работа. Тъй като, по предположение, постулатът на Клаузиус не е верен, възможно е топло Q 2 (\displaystyle Q_(2))върнете се в горещия извор, без да променяте средата. В резултат на това състоянието на студения източник не се промени, горещият източник даде количеството топлина на работното вещество Q 2 − Q 1 (\displaystyle Q_(2)-Q_(1))и благодарение на тази топлина машината свърши работата A = Q 1 − Q 2 (\displaystyle A=Q_(1)-Q_(2)), което противоречи на постулата на Томсън.

Постулатите на Клаузиус и Томсън-Келвин са формулирани като отричане на възможността за всяко явление, т.е. като постулати на забраната. Постулатите на забраната изобщо не отговарят на съдържанието и съвременните изисквания за обосноваване на принципа за съществуването на ентропията и не отговарят напълно на задачата за обосноваване на принципа на увеличаване на ентропията, тъй като те трябва да съдържат указание за определена посока на необратими явления, наблюдавани в природата, и не отрича възможността за обратното им протичане.

• Постулатът на Планк (1926):

Генерирането на топлина чрез триене е необратимо.

Постулатът на Планк, наред с отричането на възможността за пълно превръщане на топлината в работа, съдържа твърдение за възможността за пълно превръщане на работата в топлина.

Съвременна формулировка на втория закон на класическата термодинамика.

Вторият закон на термодинамиката е твърдение за съществуването на определена функция на състоянието ─ ентропия във всяка равновесна система и нейното ненамаляване по време на никакви процеси в изолирани и адиабатично изолирани системи.

С други думи, вторият закон на термодинамиката е комбиниран принцип на съществуване и нарастване на ентропията.

Принципът на съществуването на ентропиятае твърдение на втория закон на класическата термодинамика за съществуването на определена функция на състоянието на телата (термодинамични системи) ─ ентропия S (\displaystyle S), чийто диференциал е пълен диференциал d S (\displaystyle dS), и се определя в обратимите процеси като съотношението на елементарното количество топлина, подадено отвън δ Q arr ∗ (\displaystyle \delta Q_(\text(arr))^(*))до абсолютната температура на тялото (системата) T (\displaystyle T):

D S arr = δ Q arr ∗ T (\displaystyle dS_(\text(arr))=(\frac (\delta Q_(\text(arr))^(*))(T)))

Принципът на увеличаване на ентропиятае твърдение на втория закон на класическата термодинамика за постоянното нарастване на ентропията на изолирани системи във всички реални процеси на промяна на тяхното състояние. (При обратими процеси на промяна на състоянието на изолирани системи тяхната ентропия не се променя).

D S изолиран ≥ 0 (\displaystyle dS_(\text(isolated))\geq 0)

Математически израз на втория закон на класическата термодинамика:

D S = δ Q ∗ T ≥ 0 (\displaystyle dS=(\frac (\delta Q^(*))(T))\geq 0)

Статистическа дефиниция на ентропията

В статистическата физика ентропията (S) (\displaystyle (S))термодинамичната система се разглежда като функция на вероятността (W) (\displaystyle (W))неговото състояние („принцип на Болцман“).

S = k l n W , (\displaystyle S=klnW,)

Къде k (\displaystyle k)─ константа на Болцман, W (\displaystyle W)─ термодинамична вероятност на състояние, която се определя от броя на микросъстоянията, реализиращи дадено макросъстояние.

Методи за обосноваване на втория закон на термодинамиката.

Метод на Р. Клаузиус

В своето обосноваване на втория закон Клаузиус изследва кръговите процеси на две механично свързани обратими топлинни машини, използващи идеален газ като работен флуид, доказва теоремата на Карно (израз за ефективността на обратим цикъл на Карно) за идеални газове η = 1 − T 2 T 1 (\displaystyle \eta =1-(\frac (T_(2))(T_(1)))), и след това заявява теорема, наречена интеграл на Клаузиус:

∮ ⁡ δ Q T = 0 (\displaystyle \oint (\frac (\delta Q)(T))=0)

От равенството на нула на кръговия интеграл следва, че неговият интегранд е общият диференциал на някаква функция на състоянието ─ S (\displaystyle S), а следното равенство е математически израз на принципа за съществуване на ентропия за обратими процеси:

D S = δ Q T (\displaystyle dS=(\frac (\delta Q)(T)))

След това Клаузиус доказва неравенството на ефективността на обратимите и необратимите машини и в крайна сметка стига до заключението, че ентропията на изолираните системи не намалява: Бяха направени много възражения и коментари относно изграждането на втория закон на термодинамиката, използвайки Клаузиус метод. Ето някои от тях:

1. Клаузиус започва изграждането на принципа за съществуването на ентропия, като изразява ефективността на обратим цикъл на Карно за идеални газове и след това го разширява до всички обратими цикли. По този начин Клаузиус имплицитно постулира възможността за съществуването на идеални газове, които се подчиняват на уравнението на Клапейрон P v = RT (\displaystyle Pv=RT)и закона на Джаул u = u (t) (\displaystyle u=u(t)) .

2. Обосновката на теоремата на Карно е погрешна, тъй като в схемата за доказателство се въвежда допълнително условие - на по-усъвършенствана обратима машина неизменно се възлага ролята на топлинна машина. Ако обаче приемем, че хладилната машина е по-съвършена машина и вместо постулата на Клаузиус приемем обратното твърдение, че топлината не може спонтанно да се прехвърли от по-горещо тяло към по-студено, тогава теоремата на Карно също ще бъде доказана по същия начин . Така се налага изводът, че принципът на съществуване на ентропията не зависи от посоката на спонтанните процеси и постулатът за необратимост не може да бъде основа за доказване на съществуването на ентропия.

3. Постулатът на Клаузиус като постулат за забрана не е изрично твърдение, характеризиращо посоката на възникване на необратими явления, наблюдавани в природата, по-специално твърдение за спонтанен преход на топлина от по-горещо тяло към по-студено, тъй като изразът ─ не може да преминене е еквивалентно на израза отива над.

4. Изводи на статистическата физика за вероятностния характер на принципа на необратимостта и откритието през 1951г. необичайни (квантови) системи с отрицателни абсолютни температури,при които спонтанният пренос на топлина има обратна посока, топлината може да се превърне напълно в работа, а работата не може да бъде напълно (без компенсация) преобразувана в топлина, основните постулати на Клаузиус, Томсън-Келвин и Планк бяха разклатени, напълно отхвърлени някои и наложени сериозни ограничения за другите.

Метод на Шилер-Каратеодори

През 20 век, благодарение на трудовете на Н. Шилер, К. Каратеодори, Т. Афанасиева - Еренфест, А. Гухман и Н.И. Белокон се появи нова аксиоматична посока в обосновката на втория закон на термодинамиката. Оказа се, че принципът за съществуването на ентропия може да бъде обоснован независимо от посоката на реалните процеси, наблюдавани в природата, т.е. от принципа на необратимостта и за определяне на абсолютната температура и ентропията не е необходимо, както отбеляза Хелмхолц, нито да се разглеждат кръгови процеси, нито да се приеме съществуването на идеални газове. През 1909 г. Константин Каратеодори, виден немски математик, публикува работа, в която обосновава принципа за съществуването на ентропия не в резултат на изучаване на състоянията на реални термодинамични системи, а въз основа на математическо разглеждане на изрази за обратими пренос на топлина като диференциални полиноми (форми на Pfaff). Още по-рано, в началото на века, Н. Шилер стига до подобни конструкции, но неговите произведения остават незабелязани, докато Т. Афанасиева-Еренфест не им обръща внимание през 1928 г.

Постулат на Каратеодори (постулат за адиабатната непостижимост).

В близост до всяко равновесно състояние на системата са възможни такива състояния, които не могат да бъдат постигнати с помощта на обратим адиабатичен процес.

Теоремата на Каратеодори гласи това ако диференциалният полином на Pfaff има свойството, че в произволна близост до определена точка има други точки, които са недостижими чрез последователни движения по пътя, тогава има интегриращи делители на този полином и уравнението ∑ X i d x i = 0 (\displaystyle \sum X_(i)dx_(i)=0).

М. Планк беше критичен към метода на Каратеодори. Постулатът на Каратеодори, според него, не е една от визуалните и очевидни аксиоми: „Твърдението, което се съдържа в него, не е общоприложимо към естествените процеси... . Никой никога не е провеждал експерименти с цел постигане на всички съседни състояния на всяко конкретно състояние по адиабатичен начин. Планк противопоставя системата на Каратеодори със собствената си система, основана на постулата: „Образуването на топлина чрез триене е необратимо“, което според него изчерпва съдържанието на втория закон на термодинамиката. Междувременно методът на Каратеодори беше високо оценен в работата на Т. Афанасиева-Еренфест „Необратимостта, едностранчивостта и вторият закон на термодинамиката“ (1928 г.). В своята забележителна статия Афанасиева-Еренфест стигна до редица важни заключения, по-специално:

1. Основното съдържание на втория закон е, че елементарното количество топлина δ Q (\displaystyle \delta Q), които системата обменя в квазистичен процес, могат да бъдат представени във формата T d S (\displaystyle TdS), Къде T = f (t) (\displaystyle T=f(t))─ универсална функция на температурата, наречена абсолютна температура, и (S) (\displaystyle (S))─ функция на параметрите на състоянието на системата, наречена ентропия. Очевидно изразът δ Q = T d S (\displaystyle \delta Q=TdS)има смисъл принцип на съществуване на ентропия.

2. Основната разлика между неравновесните процеси и равновесните е, че при условия на нехомогенност на температурното поле е възможен преход на системата в състояние с различна ентропия без топлообмен с околната среда. (Този процес по-късно е наречен "вътрешен топлообмен" или топлообмен на работния флуид в произведенията на N.I. Belokon.). Последица от неравновесния процес в изолирана система е нейната едностранчивост.

3. Едностранна промяна на ентропията е еднакво възможна като нейното стабилно нарастване или нейното стабилно намаляване. Физическите предпоставки, като адиабатна непостижимост и необратимост на реални процеси, не изразяват никакви изисквания относно предпочитаната посока на протичане на спонтанните процеси.

4. За съгласуване на получените изводи с експериментални данни за реални процеси е необходимо да се приеме постулат, чийто обхват се определя от границите на приложимост на тези данни. Този постулат е принципът увеличаване на ентропията.

А. Гухман, оценявайки работата на Каратеодори, смята, че тя „се отличава с формална логическа строгост и безупречност в математически план... В същото време, в стремежа към най-голяма общност, Каратеодори придава на своята система такава абстрактна и сложна форма, че той се оказа практически недостъпен за мнозинството физици от онова време." Относно постулата за адиабатната непостижимост, Гухман отбелязва, че като физически принцип той не може да бъде в основата на теория с универсално значение, тъй като не притежава свойството на самоочевидност. „Всичко е изключително ясно по отношение на една проста... система... Но тази яснота е напълно загубена в общия случай на хетерогенна система, усложнена от химически трансформации и изложена на външни полета.“ Той също така говори за това колко права е била Афанасиева-Еренфест, като е настоявала за необходимостта от пълно отделяне на проблема за съществуването на ентропията от всичко, свързано с идеята за необратимостта на реалните процеси. Що се отнася до изграждането на основите на термодинамиката, Гухман смята, че „няма независим отделен проблем за съществуването на ентропия. Въпросът се свежда до разширяване към случая на топлинно взаимодействие на набор от концепции, разработени въз основа на опита от изучаването на всички други енергийни взаимодействия и кулминиращи в установяването на единно уравнение за елементарното количество влияние d Q = P d x (\displaystyle dQ=Pdx)Тази екстраполация се предполага от самата структура на идеите. Несъмнено има достатъчно основания да се приеме като много правдоподобна хипотеза и по този начин постулират съществуването на ентропия.

Н.И. Белокон в своята монография „Термодинамика“ даде подробен анализ на многобройните опити да се обоснове вторият закон на термодинамиката като единен принцип за съществуването и нарастването на ентропията, основан само на постулата за необратимост. Той показа, че опитите за такова обосноваване не съответстват на съвременното ниво на развитие на термодинамиката и не могат да бъдат оправдани, първо, защото заключението за съществуването на ентропия и абсолютна температура няма нищо общо с необратимостта на природните явления (тези функции съществуват независимо от увеличаването или намаляването на ентропията на изолираните системи), второ, указанието за посоката на наблюдаваните необратими явления намалява нивото на общност на втория закон на термодинамиката и, трето, използването на постулата на Томсън-Планк за невъзможността напълно превръщането на топлината в работа противоречи на резултатите от изследванията на системи с отрицателна абсолютна температура, при които може да се извърши пълно превръщане на топлината в работа, но пълното превръщане на работата в топлина е невъзможно. Следвайки Т. Афанасиева-Еренфест, Н.И. Белокон твърди, че разликата в съдържанието, нивото на обобщеност и обхвата на приложение на принципите за съществуване и увеличаване на ентропията е съвсем очевидна:

1. От принципа на съществуването на ентропията редица от най-важните диференциали уравнениятермодинамика, широко използвана в изследването на термодинамичните процеси и физичните свойства на материята, и нейното научно значение не може да бъде надценено.

2. Принципът за увеличаване на ентропията на изолираните системи е твърдение за необратимия поток от явления, наблюдавани в природата. Този принцип се използва в преценките за най-вероятната посока на протичане на физични процеси и химични реакции и всичко произтича от него. неравенстватермодинамика.

По отношение на обосновката на принципа за съществуване на ентропия с помощта на метода на Шилер ─ Каратеодори, Белокон отбелязва, че при конструирането на принципа на съществуване с помощта на този метод е абсолютно необходимо да се използва теоремата на Каратеодори за условията за съществуване на интегриращи делители на диференциала полиноми δ Q = ∑ X i d x i = τ d Z , (\displaystyle \delta Q=\sum X_(i)dx_(i)=\tau dZ,)въпреки това необходимостта от използване на тази теорема „трябва да се счита за много ограничаваща, тъй като общата теория на диференциалните полиноми от разглеждания тип (форми на Пфаф) представлява определени трудности и е представена само в специални работи по висша математика.“ В повечето курсове по термодинамика теоремата на Каратеодори е дадена без доказателство или доказателството е дадено в нестрога, опростена форма. .

Анализирайки конструкцията на принципа на съществуване на ентропия на равновесни системи по схемата на C. Carathéodory, N.I. Белокон обръща внимание на използването на напълно необосновано предположение за възможността за едновременно включване на температурата t (\displaystyle t)и ─ функционира в независимите променливи на състоянието на равновесната система и стига до заключението, че че постулатът на Каратеодори е еквивалентен на групата от общи условия за съществуването на интегриращи делители на диференциални полиноми ∑ X i d x i (\displaystyle \sum X_(i)dx_(i)), Но недостатъчноза установяване на съществуванетопървичен интегриращ делител τ (t) = T (\displaystyle \tau (t)=T), т.е принципът на съществуването на абсолютна температура и ентропия . По-нататък той заявява: „Абсолютно очевидно е, че когато се конструира принципът за съществуването на абсолютна температура и ентропия въз основа на теоремата на Каратеодори, трябва да се използва постулат, който би бил еквивалентен на теоремата за несъвместимостта на адиабата и изотермата. .” В тези коригирани конструкции постулатът Каратеодори става напълно ненужен, тъй като този постулат е конкретно следствие от необходимата теорема за несъвместимостта на адиабата и изотермата.”

Метод N.I. Белоконя

В обосновка по метода на Н.И. Вторият закон на термодинамиката на Белоконя е разделен на два принципа (закона):

1. Принципът на съществуването на абсолютна температура и ентропия ( втори закон на термостатиката).

2. Принципът на увеличаване на ентропията ( втори закон на термодинамиката).

Всеки от тези принципи беше обоснован на базата на независими постулати.

• Постулат на втория закон на термостатиката (Белоконя).

Температурата е единствената функция на състоянието, която определя посоката на спонтанен пренос на топлина, т.е. между тела и елементи на тела, които не са в топлинно равновесие, е невъзможен едновременен спонтанен (по баланс) пренос на топлина в противоположни посоки - от по-нагрети тела към по-малко нагрети тела и обратно. .

Постулатът на втория закон на термостатиката е частен израз на причинно-следствената връзка и недвусмислените закони на природата . Например, ако има причина, поради която в дадена система топлината се движи от по-нагрято тяло към по-малко нагрято, то същата тази причина ще попречи на преноса на топлина в обратна посока и обратно. Този постулат е напълно симетричен по отношение на посоката на необратими явления, тъй като не съдържа никакви указания за наблюдаваната посока на необратими явления в нашия свят - света на положителните абсолютни температури.

Следствия от втория закон на термостатиката:

Следствие I. Невъзможно едновременно(в една и съща пространствено-времева система от положителни или отрицателни абсолютни температури) осъществяването на пълно превръщане на топлината в работа и работата в топлина.

Следствие II. (теоремата за несъвместимост между адиабата и изотерма). На изотермата на равновесна термодинамична система, пресичаща две различни адиабати на една и съща система, преносът на топлина не може да бъде равен на нула.

Следствие III (теорема за топлинното равновесие на телата). В равновесни кръгови процеси на две топлинно спрегнати тела (t I = t I I) (\displaystyle (t_(I)=t_(I)I)), образувайки адиабатно изолирана система, и двете тела се връщат към първоначалните адиабати и към първоначалното състояние едновременно.

Въз основа на последствията от постулата на втория закон на термостатиката, Н.И. Белокон предложи изграждането на принципа за съществуването на абсолютна температура и ентропия за обратими и необратими процеси δ Q = δ Q ∗ + Q ∗ ∗ T d S (\displaystyle \delta Q=\delta Q^(*)+Q^(**)TdS)

• Постулат на втория закон на термодинамиката (принципа на нарастващата ентропия).

Постулатът на втория закон на термодинамиката е предложен под формата на твърдение, което определя посоката на едно от характерните явления в нашия свят на положителни абсолютни температури:

Работата може да бъде директно и напълно преобразувана и топлина чрез триене или електрическо отопление.

Следствие I. Топлината не може напълно да се превърне в работа(принцип на изключен вид Perpetuum mobile II):

η < 1 {\displaystyle \eta <1}

.

Следствие II. Ефективността или охлаждащият капацитет на всеки необратим топлинен двигател (съответно двигател или хладилник) при дадени температури на външни източници винаги е по-малък от ефективността или охлаждащия капацитет на обратимите машини, работещи между едни и същи източници.

Намаляването на ефективността и охлаждащата способност на реалните топлинни двигатели е свързано с нарушаване на равновесния поток на процесите (неравновесен топлопренос поради разликата в температурите на източниците на топлина и работния флуид) и необратимото преобразуване на работата в топлина (загуби от триене и вътрешно съпротивление).

От това следствие и следствие I от втория закон на термостатиката пряко следва, че невъзможността за реализиране на Perpetuum mobile от I и II тип. Въз основа на постулата на втория закон на термодинамиката, математическият израз на втория закон на класическата термодинамика може да бъде оправдан като комбиниран принцип на съществуването и нарастването на ентропията:

D S ≥ δ Q ∗ T (\displaystyle dS\geq (\frac (\delta Q^(*))(T)))

Природните процеси се характеризират с насоченост и необратимост, но повечето закони, описани в тази книга, не отразяват това, поне не изрично. Счупването на яйца и приготвянето на бъркани яйца не е трудно, но пресъздаването на сурови яйца от готови бъркани яйца е невъзможно. Миризмата от отворена бутилка парфюм изпълва стаята - но не можете да я върнете обратно в бутилката. И причината за такава необратимост на процесите, протичащи във Вселената, се крие във втория закон на термодинамиката, който, въпреки цялата си привидна простота, е един от най-трудните и често неразбрани закони на класическата физика.

Първо, този закон има поне три еднакво валидни формулировки, предложени в различни години от физици от различни поколения. Може да изглежда, че между тях няма нищо общо, но всички те са логически еквивалентни един на друг. От всяка формулировка на втория закон, другите два се извеждат математически.

Да започнем с първата формулировка, която принадлежи на немския физик Рудолф Клаузиус ( cm.уравнение на Клапейрон-Клаузиус). Ето проста и ясна илюстрация на тази формула: вземете кубче лед от хладилника и го поставете в мивката. След известно време кубчето лед ще се разтопи, защото топлината от по-топлото тяло (въздух) се прехвърля към по-студеното тяло (кубче лед). От гледна точка на закона за запазване на енергията няма причина топлинната енергия да се пренася точно в тази посока: дори ако ледът стане по-студен и въздухът по-топъл, законът за запазване на енергията пак ще бъде изпълнен. Фактът, че това не се случва, е именно доказателство за споменатата вече насоченост на физическите процеси.

Можем лесно да обясним защо ледът и въздухът взаимодействат по този начин, като разгледаме това взаимодействие на молекулярно ниво. От молекулярно-кинетичната теория знаем, че температурата отразява скоростта на движение на молекулите на тялото - колкото по-бързо се движат, толкова по-висока е телесната температура. Това означава, че молекулите на въздуха се движат по-бързо от молекулите на водата в кубчето лед. Когато въздушна молекула се сблъска с водна молекула на повърхността на леда, както ни казва опитът, бързите молекули средно се забавят, а бавните се ускоряват. Така водните молекули започват да се движат все по-бързо или, което е същото, температурата на леда се повишава. Това имаме предвид, когато казваме, че топлината се пренася от въздуха към леда. И в рамките на този модел първата формулировка на втория закон на термодинамиката логично следва от поведението на молекулите.

Когато едно тяло се движи на някакво разстояние под въздействието на определена сила, се извършва работа и различните форми на енергия точно изразяват способността на системата да произведе определена работа. Тъй като топлината, която представлява кинетичната енергия на молекулите, е форма на енергия, тя също може да се преобразува в работа. Но отново имаме работа с режисиран процес. Можете да преобразувате работата в топлина със 100% ефективност - правите го всеки път, когато натиснете педала на спирачката в колата си: цялата кинетична енергия на колата ви плюс енергията, която сте изразходвали върху педала чрез работата на крака и хидравличната спирачка система се преобразува напълно в топлина, отделена при триенето на накладките върху спирачните дискове. Втората формулировка на втория закон на термодинамиката гласи, че обратният процес е невъзможен. Колкото и да се опитвате да превърнете цялата топлинна енергия в работа, топлинните загуби в околната среда са неизбежни.

Не е трудно да се илюстрира втората формулировка в действие. Представете си цилиндъра на двигателя с вътрешно горене на вашия автомобил. В него се впръсква високооктанова горивна смес, която се компресира от буталото до високо налягане, след което се запалва в малка междина между главата на цилиндъра и свободно движещо се бутало, плътно прилепнало към стените на цилиндъра. При експлозивно изгаряне на сместа се отделя значително количество топлина под формата на горещи и разширяващи се продукти на горенето, чието налягане избутва буталото надолу. В един идеален свят бихме могли да постигнем 100% ефективност при използването на освободената топлинна енергия, превръщайки я изцяло в механична работа на буталото.

В реалния свят никой никога няма да сглоби такъв идеален двигател по две причини. Първо, стените на цилиндъра неизбежно се нагряват в резултат на изгаряне на работната смес, част от топлината се губи на празен ход и се изхвърля през охладителната система в околната среда. Второ, част от работата неизбежно отива в преодоляване на силата на триене, в резултат на което отново стените на цилиндъра се нагряват - още една загуба на топлина (дори и с най-доброто моторно масло). Трето, цилиндърът трябва да се върне в началната точка на компресия и това също е загуба на работа за преодоляване на триенето с отделянето на топлина. В резултат на това имаме това, което имаме, а именно: най-модерните топлинни двигатели работят с ефективност не повече от 50%.

Това тълкуване на втория закон на термодинамиката е заложено в принципа на Карно, който е кръстен на френския военен инженер Сади Карно. Той е формулиран по-рано от други и има огромно влияние върху развитието на инженерните технологии за много поколения напред, въпреки че има приложен характер. Той придобива огромно значение от гледна точка на съвременната енергетика, най-важният сектор на всяка национална икономика. Днес, изправено пред недостиг на горивни ресурси, човечеството все пак е принудено да се примири с факта, че ефективността на например топлоелектрическите централи, работещи на въглища или мазут, не надвишава 30-35% - т.е. две трети от горивото се изгаря напразно или по-скоро се изразходва за затопляне на атмосферата - и това пред лицето на заплахата от глобалното затопляне. Ето защо съвременните топлоелектрически централи лесно се разпознават по колосалните си охладителни кули - именно в тях се охлажда водата, която охлажда турбините на електрическите генератори, а излишната топлинна енергия се отделя в околната среда. И такава ниска ефективност на използването на ресурсите не е грешка, а нещастие на съвременните дизайнерски инженери: те вече се приближават до максимума, който позволява цикълът на Карно. Онези, които твърдят, че са намерили решение за драстично намаляване на загубите на топлинна енергия (например проектираха вечен двигател), по този начин твърдят, че са надхитрили втория закон на термодинамиката. Те биха могли да твърдят, че знаят как да се уверят, че кубче лед в мивката не се топи на стайна температура, а напротив, охлажда още повече, като по този начин нагрява въздуха.

Третата формулировка на втория закон на термодинамиката, обикновено приписвана на австрийския физик Лудвиг Болцман ( cm.Константата на Болцман е може би най-известната. Ентропияе индикатор за разстройство на системата. Колкото по-висока е ентропията, толкова по-хаотично е движението на материалните частици, изграждащи системата. Болцман успява да разработи формула за директно математическо описание на степента на ред в една система. Нека видим как работи, използвайки вода като пример. В течно състояние водата е доста неподредена структура, тъй като молекулите се движат свободно една спрямо друга и тяхната пространствена ориентация може да бъде произволна. Ледът е друга работа - в него водните молекули са подредени, влизайки в кристалната решетка. Формулировката на втория закон на термодинамиката на Болцман, сравнително казано, гласи, че ледът, след като се стопи и се превърне във вода (процес, придружен от намаляване на степента на ред и увеличаване на ентропията), сам по себе си никога няма да се прероди от вода. Отново виждаме пример за необратимо природно физическо явление.

Тук е важно да се разбере, че не говорим за факта, че в тази формулировка вторият закон на термодинамиката заявява, че ентропията не може да намалява никъде и никога. В крайна сметка разтопеният лед може да се постави обратно във фризера и да се замрази отново. Въпросът е, че ентропията не може да намалява затворени системи- тоест в системи, които не получават външно енергийно захранване. Работещият хладилник не е изолирана система със затворен цикъл, тъй като е свързан към електрическата мрежа и получава енергия отвън - в крайна сметка от електроцентралите, които го произвеждат. В този случай затворената система ще бъде хладилник, плюс окабеляване, плюс локална трансформаторна подстанция, плюс единна електрозахранваща мрежа, плюс електроцентрали. И тъй като увеличението на ентропията в резултат на случайно изпарение от охладителните кули на електроцентралите е многократно по-голямо от намаляването на ентропията поради кристализацията на леда във вашия хладилник, вторият закон на термодинамиката по никакъв начин не е нарушен.

И това, според мен, води до друга формулировка на втория принцип: Хладилникът не работи, ако не е включен в контакта.

§6 Ентропия

Обикновено всеки процес, при който една система преминава от едно състояние в друго, протича по такъв начин, че е невъзможно този процес да се осъществи в обратна посока, така че системата да премине през същите междинни състояния, без да настъпят промени в околните тела . Това се дължи на факта, че в процеса част от енергията се разсейва, например поради триене, радиация и др. Така. Почти всички процеси в природата са необратими. Във всеки процес се губи малко енергия. За да се характеризира разсейването на енергията, се въвежда понятието ентропия. ( Стойността на ентропията характеризиратоплинното състояние на системата и определя вероятността за изпълнение на дадено състояние на тялото. Колкото по-вероятно е дадено състояние, толкова по-голяма е ентропията.) Всички природни процеси са съпроводени с нарастване на ентропията. Ентропията остава постоянна само в случай на идеализиран обратим процес, протичащ в затворена система, тоест в система, в която няма обмен на енергия с тела, външни за тази система.

Ентропия и нейното термодинамично значение:

Ентропия- това е функция на състоянието на системата, чиято безкрайно малка промяна в обратим процес е равна на отношението на безкрайно малкото количество топлина, въведено в този процес, към температурата, при която е въведено.

При окончателен обратим процес промяната в ентропията може да се изчисли по формулата:

където интегралът се взема от началното състояние 1 на системата до крайното състояние 2.

Тъй като ентропията е функция на състоянието, тогава свойството на интегралае неговата независимост от формата на контура (пътя), по който се изчислява; следователно интегралът се определя само от началното и крайното състояние на системата.

• Във всеки обратим процес промяната в ентропията е 0

(1)

• В термодинамиката е доказано, чеСсистема, подложена на необратим цикъл, се увеличава

Δ С> 0 (2)

Изрази (1) и (2) се отнасят само за затворени системи, ако системата обменя топлина с външната среда, тогава нейнатаСможе да се държи по всякакъв начин.

Съотношенията (1) и (2) могат да бъдат представени като неравенството на Клаузиус

ΔS ≥ 0

тези. ентропията на затворена система може или да се увеличи (при необратими процеси), или да остане постоянна (при обратими процеси).

Ако системата направи равновесен преход от състояние 1 към състояние 2, тогава ентропията се променя

Къде dUи δAе написан за конкретен процес. Според тази формула ΔСопределена до адитивна константа. Не самата ентропия има физическо значение, а разликата между ентропиите. Нека намерим промяната в ентропията в идеалните газови процеси.

тези. промени в ентропиятаС Δ С 1→2 на идеален газ при прехода му от състояние 1 към състояние 2 не зависи от вида на процеса.

защото за адиабатен процес δQ = 0, тогава Δ С= 0 => С= конст , тоест възниква адиабатен обратим процес при постоянна ентропия. Ето защо се нарича изоентропичен.

При изотермичен процес (Т= const; Т 1 = Т 2 : )

В изохоричен процес (V= const; V 1 = V 2 ; )

Ентропията има свойството на адитивност: ентропията на една система е равна на сумата от ентропиите на телата, включени в системата.С = С 1 + С 2 + С 3 + ... Качествената разлика между топлинното движение на молекулите и другите форми на движение е неговата хаотичност и безпорядък. Следователно, за да се характеризира топлинното движение, е необходимо да се въведе количествена мярка за степента на молекулярно разстройство. Ако разгледаме всяко дадено макроскопично състояние на тяло с определени средни стойности на параметрите, тогава това е нещо различно от непрекъсната промяна на близки микросъстояния, които се различават едно от друго в разпределението на молекулите в различни части на обема и разпределения енергия между молекулите. Броят на тези непрекъснато променящи се микросъстояния характеризира степента на разстройство на макроскопичното състояние на цялата система,wсе нарича термодинамична вероятност на дадено микросъстояние. Термодинамична вероятностwсъстояние на система е броят начини, по които дадено състояние на макроскопична система може да бъде реализирано, или броят на микросъстоянията, които реализират дадено микросъстояние (w≥ 1 и математическа вероятност ≤ 1 ).

Като мярка за изненадата на дадено събитие беше договорено да се вземе логаритъмът на неговата вероятност, взета със знак минус: изненадата на състоянието е равна на =-

Според Болцман ентропиятаСсистемите и термодинамичната вероятност са свързани помежду си, както следва:

Къде - константа на Болцман (). По този начин ентропията се определя от логаритъма на броя на състоянията, с помощта на които може да се реализира дадено микросъстояние. Ентропията може да се разглежда като мярка за вероятността за състоянието на t/d системата. Формулата на Болцман ни позволява да дадем следната статистическа интерпретация на ентропията. Ентропията е мярка за безпорядъка на една система. Всъщност, колкото по-голям е броят на микросъстоянията, реализиращи дадено микросъстояние, толкова по-голяма е ентропията. В състояние на равновесие на системата - най-вероятното състояние на системата - броят на микросъстоянията е максимален, а ентропията също е максимална.

защото реалните процеси са необратими, тогава може да се твърди, че всички процеси в една затворена система водят до увеличаване на нейната ентропия – принципът на нарастващата ентропия. В статистическата интерпретация на ентропията това означава, че процесите в затворена система протичат в посока на увеличаване на броя на микросъстоянията, с други думи, от по-малко вероятни състояния към по-вероятни, докато вероятността на състоянието стане максимална.

§7 Втори закон на термодинамиката

Първият закон на термодинамиката, изразяващ закона за запазване на енергията и трансформацията на енергията, не ни позволява да установим посоката на протичане на t/d процесите. В допълнение, човек може да си представи много процеси, които не си противоречатаздо началото т/д, при които се запазва енергия, но в природата не се реализират. Възможни формулировки на второто начало t/d:

1) законът за увеличаване на ентропията на затворена система по време на необратими процеси: всеки необратим процес в затворена система се случва по такъв начин, че ентропията на системата се увеличава ΔС≥ 0 (необратим процес) 2) ΔС≥ 0 (С= 0 за реверсивни и ΔС≥ 0 за необратим процес)

При процеси, протичащи в затворена система, ентропията не намалява.

2) От формулата на Болцман S = , следователно увеличаването на ентропията означава преход на системата от по-малко вероятно състояние към по-вероятно.

3) Според Келвин: не е възможен кръгов процес, единственият резултат от който е превръщането на топлината, получена от нагревателя, в еквивалентна на него работа.

4) Според Клаузий: не е възможен кръгов процес, чийто единствен резултат е пренос на топлина от по-малко нагрято тяло към по-нагрято.

За да се опишат t/d системи при 0 K, се използва теоремата на Нернст-Планк (трети закон на t/d): ентропията на всички тела в състояние на равновесие клони към нула, когато температурата се доближи до 0 K

От теоремата Нернст-Планк следва товаВ p = В v = 0 при 0 ДО

§8 Топлинни и хладилни машини.

Цикъл на Карно и неговата ефективност

От формулировката на втория закон на t/d според Келвин следва, че вечен двигател от втори род е невъзможен. (Вечният двигател е периодично работещ двигател, който извършва работа чрез охлаждане на един източник на топлина.)

Термостате t/d система, която може да обменя топлина с тела, без да променя температурата.

Принцип на работа на топлинен двигател: от термостат с температура Т 1 - нагревател, количеството топлина се отстранява на цикълQ 1 , и термостата с температура Т 2 (Т 2 < Т 1) - към хладилника, количеството топлина се предава на цикълQ 2 , докато работата е свършена А = Q 1 - Q 2

Кръгов процес или цикъле процес, при който система, след като е преминала през поредица от състояния, се връща в първоначалното си състояние. В диаграмата на състоянието цикълът се изобразява като затворена крива. Цикълът, извършван от идеален газ, може да бъде разделен на процеси на разширение (1-2) и компресия (2-1), работата на разширението е положителна А 1-2 > 0, защотоV 2 > V 1 , компресионната работа е отрицателна А 1-2 < 0, т.к. V 2 < V 1 . Следователно работата, извършена от газа за цикъл, се определя от площта, покрита от затворената крива 1-2-1. Ако по време на цикъл се извършва положителна работа (цикъл по посока на часовниковата стрелка), тогава цикълът се извиква напред, ако е обратен цикъл (цикълът се извършва в посока, обратна на часовниковата стрелка).

Директен цикълизползвани в топлинни двигатели - периодично работещи двигатели, които извършват работа, използвайки топлина, получена отвън. Обратният цикъл се използва в хладилни машини - периодично работещи инсталации, в които поради работата на външни сили топлината се предава на тяло с по-висока температура.

В резултат на кръговия процес системата се връща в първоначалното си състояние и следователно общата промяна на вътрешната енергия е нула. ТогаваІ стартирайте t/d за кръгов процес

Q= Δ U+ А= А,

Тоест извършената работа за цикъл е равна на количеството топлина, получена отвън, но

Q= Q 1 - Q 2

Q 1 - количество топлина, получена от системата,

Q 2 - количество топлина, отделяна от системата.

Топлинна ефективностза кръгов процес е равно на съотношението на работата, извършена от системата, към количеството топлина, подадена към системата:

За η = 1 условието трябва да е изпълненоQ 2 = 0, т.е. топлинният двигател трябва да има един източник на топлинаQ 1 , но това противоречи на втория закон на t/d.

Обратният процес, който се случва в топлинния двигател, се използва в хладилната машина.

От термостата с температура Т 2 количеството топлина се отнемаQ 2 и се предава на термостата с температураТ 1 , количество топлинаQ 1 .

Q= Q 2 - Q 1 < 0, следовательно А< 0.

Без извършване на работа е невъзможно да се отнеме топлина от по-малко нагрято тяло и да се отдаде на по-нагрято.

Въз основа на втория закон на t/d Карно извежда теорема.

Теорема на Карно: от всички периодично работещи топлинни двигатели, имащи еднакви температури на нагревателя ( Т 1) и хладилници ( Т 2), най-висока ефективност. имат реверсивни машини. Ефективност реверсивни машини с равн Т 1 и Т 2 са равни и не зависят от естеството на работния флуид.

Работно тяло е тяло, което извършва кръгов процес и обменя енергия с други тела.

Цикълът на Карно е обратим, най-икономичен цикъл, състоящ се от 2 изотерми и 2 адиабати.

1-2 изотермично разширение при Т 1 нагревател; към газа се подава топлинаQ 1 и работата е свършена

2-3 - адиабат. разширяване, газът върши работаА 2-3 >0 над външни тела.

3-4 изотермична компресия при Т 2 хладилника; топлината се отстраняваQ 2 и работата е свършена;

4-1-адиабатна компресия, работата се извършва върху газаА 4-1 <0 внешними телами.

При изотермичен процесU= const, така че Q 1 = А 12

1

По време на адиабатно разширениеQ 2-3 = 0 и газ работа А 23 осъществява се от вътрешна енергия A 23 = - U

Количество топлинаQ 2 , подадена от газа към хладилника по време на изотермично компресиране, е равна на работата на компресията А 3-4

2

Адиабатна компресионна работа

Работа, извършена в резултат на кръгов процес

А = А 12 + А 23 + А 34 + А 41 = Q 1 + А 23 - Q 2 - А 23 = Q 1 - Q 2

и е равна на площта на кривата 1-2-3-4-1.

Топлинна ефективност Цикъл на Карно

От адиабатното уравнение за процеси 2-3 и 3-4 получаваме

Тогава

тези. ефективност Цикълът на Карно се определя само от температурите на нагревателя и хладилника. За повишаване на ефективността трябва да се увеличи разликата Т 1 - Т 2 .

******************************************************* ******************************************************

На илюстрацията вляво:протест на християнските консерватори срещу втория закон на термодинамиката. Надписи на плакатите: думата „ентропия“ е зачертана; „Не приемам основните принципи на науката и гласувам.“

ВТОРИЯТ ЗАКОН НА ТЕРМОДИНАМИКАТА И ВЪПРОСИ НА СЪЗДАВАНЕТО

В началото на 2000-те години група християнски консерватори се събраха на стълбите на Капитолия (Канзас, САЩ), за да поискат премахването на фундаментален научен принцип - втория закон на термодинамиката (виж снимката вляво). Причината за това е тяхното убеждение, че този физически закон противоречи на вярата им в Създателя, тъй като предсказва топлинната смърт на Вселената. Пикетиращите заявиха, че не искат да живеят в свят, който върви към такова бъдеще и да учат децата си на това. Водещият кампания срещу втория закон на термодинамиката е не кой да е, а сенатор от щата Канзас, който вярва, че законът „заплашва разбирането на нашите деца за Вселената като свят, създаден от добронамерен и любящ Бог“.

Парадоксално е, но в същите САЩ друго християнско движение - креационистите, ръководени от Дуейн Гиш, президент на Института за изследване на сътворението - напротив, не само смятат втория закон на термодинамиката за научен, но и ревностно се обръщат към него доказват, че светът е създаден от Бог. Един от основните им аргументи е, че животът не може да възникне спонтанно, тъй като всичко наоколо е склонно към спонтанно унищожение, а не към създаване.

С оглед на такова поразително противоречие между тези две християнски движения възниква логичният въпрос – кое от тях е право? И има ли изобщо някой прав?

В тази статияще разгледаме къде е възможно и къде не може да се приложи вторият закон на термодинамиката и каква е връзката му с въпросите на вярата в Създателя.

КАКЪВ Е ВТОРИЯТ ЗАКОН НА ТЕРМОДИНАМИКАТА

Термодинамикае дял от физиката, който изучава връзките и трансформациите на топлина и други форми на енергия. Тя се основава на няколко основни принципа, наречени принципи (понякога закони) на термодинамиката. Сред тях най-известният вероятно е вторият принцип.

Ако направим кратък преглед на всички принципи на термодинамиката, тогава накратко те са както следва: Първо началопредставлява закона за запазване на енергията, приложен към термодинамичните системи. Същността му е, че топлината е специална форма на енергия и трябва да се вземе предвид в закона за запазване и трансформация на енергията. Второ началоналага ограничения върху посоката на термодинамичните процеси, като забранява спонтанния пренос на топлина от по-слабо нагрети тела към по-нагрети. От него също следва, че е невъзможно да се превърне топлината в работа със сто процента ефективност (загубите за околната среда са неизбежни). Това прави невъзможно създаването на вечен двигател въз основа на това. Трето началозаявява, че е невъзможно да се доведе температурата на което и да е физическо тяло до абсолютната нула за крайно време, тоест абсолютната нула е недостижима. Нулево (или общо) началопонякога наричан принцип, според който изолирана система, независимо от първоначалното състояние, в крайна сметка достига до състояние на термодинамично равновесие и не може да го напусне сама. Термодинамичното равновесие е състояние, при което няма пренос на топлина от една част на системата към друга. (Определението на изолирана система е дадено по-долу.)

Вторият закон на термодинамиката, в допълнение към дадения по-горе, има и други формулировки. Всички дебати за сътворението, които споменахме, се въртят около един от тях. Тази формулировка е свързана с понятието ентропия, с което ще трябва да се запознаем.

Ентропия(според едно определение) е индикатор за безпорядък или хаос в дадена система. С прости думи, колкото повече хаос цари в една система, толкова по-висока е нейната ентропия. За термодинамичните системи, колкото по-висока е ентропията, толкова по-хаотично е движението на материалните частици, които изграждат системата (например молекули).

С течение на времето учените осъзнават, че ентропията е по-широко понятие и може да се прилага не само към термодинамичните системи. Като цяло всяка система има известна доза хаос, която може да се променя - да се увеличава или намалява. В този случай е уместно да се говори за ентропия. Ето няколко примера:

· Чаша вода.Ако водата замръзне и се превърне в лед, тогава нейните молекули се свързват в кристална решетка. Това съответства на по-голям ред (по-малко ентропия) от състоянието, когато водата се е стопила и молекулите се движат произволно. Въпреки това, след като се разтопи, водата все още запазва някаква форма - чашата, в която се намира. Ако водата се изпари, молекулите се движат още по-интензивно и заемат целия предоставен им обем, като се движат още по-хаотично. Така ентропията се увеличава още повече.

· Слънчева система.Можете също така да наблюдавате както ред, така и безредие в него. Планетите се движат по орбитите си с такава прецизност, че астрономите могат да предскажат позицията им във всеки даден момент хиляди години напред. В Слънчевата система обаче има няколко астероидни пояса, които се движат по-хаотично – сблъскват се, разпадат се и понякога падат върху други планети. Според космолозите първоначално цялата слънчева система (с изключение на самото Слънце) е била пълна с такива астероиди, от които по-късно са се образували твърди планети, и тези астероиди са се движели още по-хаотично, отколкото сега. Ако това е вярно, тогава ентропията на Слънчевата система (с изключение на самото Слънце) първоначално е била по-висока.

· Галактика.Галактиката е съставена от звезди, движещи се около нейния център. Но дори и тук има известно безредие: звездите понякога се сблъскват, променят посоката на движение и поради взаимно влияние орбитите им не са идеални, променяйки се по някакъв хаотичен начин. Така че в тази система ентропията не е нула.

· Детска стая.Тези, които имат малки деца, често наблюдават увеличаването на ентропията със собствените си очи. След почистване апартаментът е в относителен ред. Няколко часа (а понякога и по-малко) престой на едно или две деца в будно състояние обаче са достатъчни, за да се увеличи значително ентропията на този апартамент...

Ако последният пример ви накара да се усмихнете, тогава най-вероятно разбирате какво е ентропия.

Връщайки се към втория закон на термодинамиката, нека си припомним, че както казахме, той има друга формулировка, която е свързана с понятието ентропия. Звучи така: в изолирана система ентропията не може да намалее. С други думи, във всяка система, напълно откъсната от околния свят, безпорядъкът не може спонтанно да намалее: той може само да се увеличи или в краен случай да остане на същото ниво.

Ако поставите кубче лед в топла, заключена стая, то ще се разтопи след известно време. Въпреки това, получената локва вода в тази стая никога няма сама да се разпадне обратно на кубче лед. Отворете там бутилка парфюм и миризмата ще се разпространи из цялата стая. Но нищо няма да го накара да се върне обратно в бутилката. Запалете свещ там и тя ще изгори, но нищо няма да накара дима да се превърне отново в свещ. Всички тези процеси се характеризират с насоченост и необратимост. Причината за такава необратимост на процесите, протичащи не само в тази стая, но и в цялата Вселена, се крие именно във втория закон на термодинамиката.

ЗА КАКВО СЕ ПРИЛАГА ВТОРИЯТ ЗАКОН НА ТЕРМОДИНАМИКАТА?

Този закон обаче, въпреки цялата си привидна простота, е един от най-трудните и често неразбрани закони на класическата физика. Факт е, че във формулировката му има една дума, на която понякога не се обръща достатъчно внимание - това е думата „изолиран“. Според втория закон на термодинамиката ентропията (хаосът) не може да намалява само в изолирани системи. Това е законът. В други системи обаче това вече не е закон и ентропията в тях може или да нараства, или да намалява.

Какво е изолирана система? Нека да разгледаме какви видове системи обикновено съществуват от гледна точка на термодинамиката:

· Отворете.Това са системи, които обменят материя (и вероятно енергия) с външния свят. Пример: кола (консумира бензин, въздух, произвежда топлина).

· Затворено.Това са системи, които не обменят материя с външния свят, но могат да обменят енергия с него. Пример: космически кораб (затворен, но абсорбира слънчева енергия чрез слънчеви панели).

· Изолиран (затворен).Това са системи, които не обменят нито материя, нито енергия с външния свят. Пример: термос (затворен и запазва топлината).

Както отбелязахме, вторият закон на термодинамиката важи само за третия от изброените типове системи.

За илюстрация нека си припомним една система, състояща се от заключена топла стая и парче лед, което се е разтопило, докато е било в нея. В идеалния случай това съответства на изолирана система и нейната ентропия нараства. Сега обаче нека си представим, че навън е силен мраз и ние отворихме прозореца. Системата се отвори: студен въздух започна да тече в стаята, температурата в стаята падна под нулата и нашето парче лед, което преди това се беше превърнало в локва, отново замръзна.

В реалния живот заключената стая не е изолирана система, защото всъщност стъклото и дори тухлите позволяват на топлината да преминава. И топлината, както отбелязахме по-горе, също е форма на енергия. Следователно заключената стая всъщност не е изолирана стая, а затворена система. Дори да затворим плътно всички прозорци и врати, топлината постепенно ще напусне стаята, тя ще замръзне и нашата локва също ще се превърне в лед.

Друг подобен пример е стая с фризер. Докато фризерът е изключен, температурата му е същата като стайната. Но веднага щом го включите, той ще започне да се охлажда и ентропията на системата ще започне да намалява. Това става възможно, защото такава система е станала затворена, тоест консумира енергия от околната среда (в случая електрическа).

Трябва да се отбележи, че в първия случай (стая с парче лед) системата отдели енергия в околната среда, а във втория (стая с фризер), напротив, тя я получи. Ентропията и на двете системи обаче намалява. Това означава, че за да престане да действа вторият закон на термодинамиката като неизменен закон, в общия случай не е важна посоката на пренос на енергия, а наличието на самия факт на пренос между системата и външния свят.

ПРИМЕРИ ЗА НАМАЛЯВАНЕ НА ЕНТРОПИЯТА В НЕЖИВАТА ПРИРОДА.Обсъдените по-горе примери за системи са създадени от човека. Има ли примери за намаляване на ентропията в неживата природа, без участието на разума? Да, колкото искаш.

	снежинки.По време на тяхното образуване хаотично движещите се молекули на водната пара се комбинират в подреден кристал. В този случай се получава охлаждане, тоест енергията се отделя в околната среда и атомите заемат позиция, която е по-енергийно благоприятна за тях. Кристалната решетка на снежинката съответства на по-голям ред от хаотично движещите се молекули на парата.
	Солни кристали.Подобен процес се наблюдава в едно преживяване, което мнозина може би си спомнят от ученическите си години. Нишка се спуска в чаша с концентриран разтвор на сол (например готварска сол или меден сулфат) и скоро хаотично разтворените молекули на солта образуват красиви фигури с причудлива форма.
	Фулгурит.Фулгуритът е форма, образувана от пясък, когато мълния удари земята. При този процес се поглъща енергия (електрически ток от мълния), което води до разтопяване на пясъка, който впоследствие се втвърдява в плътна фигура, което отговаря на по-голям ред от хаотично разпръснатия пясък.
	Водна леща на езерото.Обикновено водната леща, растяща на повърхността на езерото, ако има достатъчно от нея, има тенденция да заема цялата площ на езерото. Опитайте се да разпръснете водната леща с ръце и след минута тя ще се върне на мястото си. Въпреки това, когато духа вятър (понякога едва забележим), водната леща се натрупва в една част на езерото и е там в „компресирано“ състояние. Ентропията намалява поради поглъщането на вятърна енергия.
	Образуване на азотни съединения.Всяка година в атмосферата на земното кълбо се появяват около 16 милиона гръмотевични бури, по време на всяка от които падат десетки и стотици мълнии. По време на светкавици простите компоненти на атмосферата - азот, кислород и влага - се образуват в по-сложни азотни съединения, необходими за растежа на растенията. Намаляването на ентропията в този случай се дължи на поглъщането на енергията на електрическите мълнии.
	Реакцията на Бутлеров.Този химичен процес е известен още като автокаталитичен синтез. При него сложни структурирани захарни молекули в определена среда растат сами, пораждайки себеподобни в геометрична прогресия. Това се дължи на химичните свойства на такива молекули. Подреждането на химическата структура и следователно намаляването на хаоса в реакцията на Бутлеров също се дължи на обмена на енергия с околната среда.
	Вулкани.Хаотично движещите се молекули на магмата, излизайки на повърхността, се втвърдяват в кристална решетка и образуват вулканични планини и скали със сложна форма. Ако разглеждаме магмата като термодинамична система, нейната ентропия намалява поради освобождаването на топлинна енергия в околната среда.
	Образуване на озон.Най-благоприятното енергийно състояние за кислородните молекули е O 2 . Въпреки това, под въздействието на тежката космическа радиация, огромен брой молекули се превръщат в озон (O 3) и могат да останат в него за доста дълго време. Този процес продължава непрекъснато, докато в земната атмосфера има свободен кислород.
	Дупка в пясъка.Всички знаят колко е мръсна водата в нашите реки: има боклуци, водорасли и какво ли още не, и всичко е разбъркано. Но до брега има малка дупка в пясъка и водата не се излива в нея, а се просмуква. В същото време се филтрира: равномерно замърсената вода се разделя на чиста и още по-мръсна вода. Ентропията очевидно намалява и това се случва поради силата на гравитацията, която поради разликата в нивата принуждава водата да се просмуква от реката в дупката.
	локва.Да, да, обикновена локва, останала след дъжд, също показва, че ентропията може да намалее спонтанно! Според втория закон на термодинамиката топлината не може спонтанно да преминава от по-малко нагрети към по-нагрети тела. Температурата на водата в локвата обаче постоянно се поддържа с няколко градуса по-ниска от температурата на почвата и околния въздух (можете да проверите това у дома с чинийка с вода и термометър; хигрометър, състоящ се от суха и мокър термометър, също се основава на този принцип). защо Защото локвата се изпарява, като по-бързите молекули се отделят от повърхността й и се изпаряват, а по-бавните остават. Тъй като температурата е свързана със скоростта на движение на молекулите, се оказва, че локвата непрекъснато се самоохлажда по отношение на по-топлата среда. Следователно локвата е отворена система, тъй като обменя не само енергия, но и материя с околната среда и процесите в нея очевидно вървят в посока, обратна на тази, посочена от втория закон на термодинамиката.

Ако сте умни и отделите малко време, можете да запомните и запишете хиляди подобни примери. Важно е да се отбележи, че в много от изброените случаи намаляването на ентропията не е изолирана случайност, а закономерност – тенденцията към това е заложена в самото изграждане на такива системи. Следователно то се появява всеки път, когато възникнат подходящи условия, и може да продължи много дълго време - докато съществуват тези условия. Всички тези примери не изискват нито наличието на сложни механизми, които намаляват ентропията, нито намесата на ума.

Разбира се, ако системата не е изолирана, тогава изобщо не е необходимо ентропията в нея да намалява. По-скоро, напротив, това е увеличаване на ентропията, тоест увеличаване на хаоса, което се случва спонтанно по-често. Във всеки случай сме свикнали с факта, че всяко нещо, оставено без надзор или грижа, по правило се влошава и става неизползваемо, а не се подобрява. Може дори да се каже, че това е определено фундаментално свойство на материалния свят - желанието за спонтанна деградация, общата тенденция към увеличаване на ентропията.

Това подзаглавие обаче показва, че тази обща тенденция е закон само в изолирани системи. В други системи увеличаването на ентропията не е закон - всичко зависи от свойствата на конкретната система и условията, в които се намира. Вторият закон на термодинамиката не може да се приложи към тях по дефиниция. Дори ако ентропията се увеличи в една от отворените или затворените системи, това не е изпълнение на втория закон на термодинамиката, а само проява на общата тенденция за увеличаване на ентропията, която е характерна за материалния свят като цяло, но е далеч от абсолютното.

ВТОРИЯТ ЗАКОН НА ТЕРМОДИНАМИКАТА И НАШАТА ВСЕЛЕНА

Когато един ентусиазиран наблюдател гледа звездното небе, както и когато опитен астроном го гледа през телескоп, и двамата могат да наблюдават не само неговата красота, но и удивителния ред, който цари в този макрокосмос.

Може ли обаче този ред да се използва, за да се докаже, че Бог е създал Вселената? Правилно ли е да използваме тази линия на разсъждение: тъй като Вселената не е изпаднала в хаос в съответствие с втория закон на термодинамиката, това доказва ли, че тя се контролира от Бог?

Може би сте свикнали да мислите, че да. Но всъщност, противно на общоприетото схващане, не. По-точно в това отношение е възможно и необходимо да се използват малко по-различни доказателства, но не и вторият закон на термодинамиката.

Първо, все още не е доказано, че Вселената е изолирана система. Въпреки че, разбира се, обратното не е доказано, въпреки това все още не е възможно недвусмислено да се каже, че вторият закон на термодинамиката може да се приложи към него като цяло.

Но да кажем, че изолацията на Вселената като система ще бъде доказана в бъдеще (това е напълно възможно). Какво тогава?

Второ, вторият закон на термодинамиката не казва какво точно ще цари в определена система - ред или хаос. Вторият закон казва в каква посока ще се промени този ред или безредие – в изолирана система хаосът ще нараства. И в каква посока се променя редът във Вселената? Ако говорим за Вселената като цяло, то хаосът в нея нараства (както и ентропията). Тук е важно да не се бърка Вселената с отделни звезди, галактики или техните купове. Отделните галактики (като нашия Млечен път) могат да бъдат много стабилни структури и изглежда, че изобщо не се разграждат в продължение на много милиони години. Но те не са изолирани системи: те постоянно излъчват енергия (като светлина и топлина) в околното пространство. Звездите изгарят и постоянно излъчват материя („слънчев вятър“) в междузвездното пространство. Благодарение на това във Вселената протича непрекъснат процес на трансформация на структурираната материя на звездите и галактиките в хаотично разпръснати енергия и газ. Какво е това, ако не увеличение на ентропията?

Тези процеси на разграждане, разбира се, протичат с много бавна скорост, така че изглежда не ги усещаме. Но ако бяхме в състояние да ги наблюдаваме с много ускорено темпо - да речем, трилион пъти по-бързо, тогава пред очите ни щеше да се разкрие много драматична картина на раждането и смъртта на звездите. Струва си да припомним, че първото поколение звезди, съществувало от началото на Вселената, вече е починало. Според космолозите нашата планета се състои от останките от съществуването и експлозията на някогашна изгоряла звезда; В резултат на такива експлозии се образуват всички тежки химически елементи.

Следователно, ако считаме Вселената за изолирана система, то вторият закон на термодинамиката като цяло е изпълнен в нея, както в миналото, така и днес. Това е един от законите, установени от Бог, и следователно той работи във Вселената по същия начин като другите физически закони.

Въпреки казаното по-горе, във Вселената има много удивителни неща, свързани с царящия в нея ред, но той не се дължи на втория закон на термодинамиката, а на други причини.

Така списание Newsweek (брой от 09 ноември 1998 г.) изследва до какви заключения ни водят откритията относно създаването на Вселената. В него се казва, че фактите "показват произхода на енергията и движението ex nihilo, тоест от нищото, чрез колосална експлозия на светлина и енергия, което по-скоро съответства на описанието на [библейската книга] Битие." Забележете как списание Newsweek обяснява сходството на раждането на Вселената с библейското описание на това събитие.

Това списание пише: „Освободените сили бяха - и остават - изненадващо (по чудо?) балансирани: ако Големият взрив беше малко по-малко яростен, разширяването на Вселената щеше да продължи по-бавно и скоро (след няколко милиона години или след няколко минути - във всеки случай скоро) процесът ще се обърне и ще настъпи колапс. Ако експлозията беше малко по-силна, Вселената можеше да се превърне в твърде разреден „течен бульон“ и образуването на звезди би било невъзможно. Шансовете за нашето съществуване бяха буквално астрономически малки. Съотношението на материята и енергията към обема на пространството при Големия взрив трябваше да остане в рамките на една квадрилиона от един процент от идеалното съотношение.

Newsweek предполага, че има Някой, контролиращ създаването на Вселената, който знае: „Отнеме дори един градус (както бе споменато по-горе, границата на грешка беше една квадрилионна част от един процент), ... и резултатът нямаше да бъде просто дисхармония , но вечна ентропия и лед."

Астрофизикът Алън Лайтман призна: „Това, че Вселената е създадена толкова силно организирана, е мистерия [за учените].“ Той добави, че „всяка космологична теория, която се стреми към успех, в крайна сметка ще трябва да обясни тази мистерия на ентропията“: защо Вселената не е изпаднала в хаос. Очевидно такава ниска вероятност за правилното развитие на събитията не може да бъде инцидент. (Цитиран в „Събудете се!“, 22.06.99 г., стр. 7.)

ВТОРИЯТ ЗАКОН НА ТЕРМОДИНАМИКАТА И ПРОИЗХОДА НА ЖИВОТА

Както беше отбелязано по-горе, теориите са популярни сред креационистите, че вторият закон на термодинамиката доказва невъзможността за спонтанно възникване на живот от нежива материя. Още в края на 70-те - началото на 80-те години Институтът за креационни изследвания публикува книга по тази тема и дори се опита да кореспондира с Академията на науките на СССР по този въпрос (кореспонденцията беше неуспешна).

Въпреки това, както видяхме по-горе, вторият закон на термодинамиката се прилага само в изолирани системи. Земята обаче не е изолирана система, тъй като непрекъснато получава енергия от Слънцето и, напротив, я освобождава в космоса. А живият организъм (дори например жива клетка) освен това обменя с околната среда и материята. Следователно вторият закон на термодинамиката не е приложим към този въпрос по дефиниция.

По-горе също беше споменато, че материалният свят се характеризира с известна обща тенденция към увеличаване на ентропията, поради което нещата по-често се унищожават и изпадат в хаос, отколкото се създават. Въпреки това, както отбелязахме, това не е закон. Освен това, ако се откъснем от макросвета, с който сме свикнали, и се потопим в микросвета - света на атомите и молекулите (а оттук се предполага, че животът трябва да започне), тогава ще видим, че е много по-лесно да се обърне процесите на увеличаване на ентропията в него. Понякога е достатъчно едно сляпо, неконтролирано въздействие, за да започне ентропията на системата да намалява. Нашата планета със сигурност е пълна с примери за такива влияния: слънчева радиация в атмосферата, вулканична топлина на дъното на океана, вятър на повърхността на земята и т.н. И в резултат на това много процеси протичат в обратна, „неблагоприятна“ за тях посока или обратната посока става „изгодна“ за тях (за примери вижте по-горе в подзаглавието „Примери за намаляване на ентропията в неживата природа“). Следователно дори общата ни тенденция към увеличаване на ентропията не може да се приложи към възникването на живота като някакво абсолютно правило: има твърде много изключения от него.

Разбира се, това не означава, че тъй като вторият закон на термодинамиката не забранява спонтанното генериране на живот, тогава животът може да възникне сам. Има много други неща, които правят такъв процес невъзможен или изключително малко вероятен, но те вече не са свързани с термодинамиката и нейния втори закон.

Например, учените успяха да получат няколко вида аминокиселини при изкуствени условия, симулиращи предполагаемите условия на първичната атмосфера на Земята. Аминокиселините са вид градивни елементи на живота: в живите организми те се използват за изграждане на протеини (протеини). Необходимите за живота протеини обаче се състоят от стотици, а понякога и хиляди аминокиселини, свързани в строга последователност и подредени по специален начин в специална форма (виж фигурата вдясно). Ако комбинирате аминокиселини в произволен ред, вероятността да създадете само един относително прост функционален протеин ще бъде незначителна - толкова малка, че това събитие никога няма да се случи. Да приемем случайното им появяване е приблизително същото като да намерим няколко камъка, подобни на тухли в планините, и да твърдим, че каменна къща, стояща наблизо, е била образувана от същите камъни произволно под въздействието на природни процеси.

От друга страна, за съществуването на живот, само протеините също не са достатъчни: необходими са не по-малко сложни ДНК и РНК молекули, чиято случайна поява също е невероятна. ДНК по същество е гигантски склад от структурирана информация, необходима за производството на протеини. Тя се обслужва от цял ​​комплекс от протеини и РНК, които копират и коригират тази информация и я използват „за производствени цели“. Всичко това е единна система, чиито компоненти поотделно нямат смисъл и нито един от тях не може да бъде премахнат от нея. Човек трябва само да започне да навлиза по-дълбоко в структурата на тази система и в принципите на нейното действие, за да разбере, че Брилянтен Дизайнер е работил върху нейното създаване.

ВТОРИЯТ ЗАКОН НА ТЕРМОДИНАМИКАТА И ВЯРАТА В СЪЗДАТЕЛЯ

Съвместим ли е вторият закон на термодинамиката с вярата в Създателя като цяло? Не само с факта, че съществува, а с това, че е създал Вселената и живота на Земята (Битие 1:1–27; Откровение 4:11); че е обещал Земята да съществува вечно (Псалм 103:5), което означава, че както Слънцето, така и Вселената ще бъдат вечни под една или друга форма; че хората ще живеят вечно в рая на земята и никога няма да умрат (Псалм 36:29; Матей 25:46; Откровение 21:3, 4)?

Можем спокойно да кажем, че вярата във втория закон на термодинамиката е напълно съвместима с вярата в Създателя и неговите обещания. И причината за това се крие във формулировката на самия закон: „в изолирана система ентропията не може да намалява“. Всяка изолирана система остава изолирана само докато никой не се намесва в нейната работа, включително Създателят. Но щом той се намеси и насочи част от своята неизчерпаема сила върху нея, системата ще престане да бъде изолирана и вторият закон на термодинамиката ще спре да действа в нея. Същото може да се каже и за по-общата тенденция към увеличаване на ентропията, която обсъдихме по-горе. Да, очевидно е, че почти всичко, което съществува около нас - от атомите до Вселената - има тенденция към унищожаване и деградация във времето. Но Създателят има необходимата сила и мъдрост да спре всякакви процеси на деградация и дори да ги обърне, когато сметне за необходимо.

Какви процеси обикновено се представят от хората като правещи вечния живот невъзможен?

· След няколко милиарда години Слънцето ще изгасне.Това щеше да се случи, ако Създателят никога не се беше месил в работата му. Той обаче е Създателят на Вселената и притежава колосална енергия, достатъчна да поддържа Слънцето да гори вечно. Например, той може, като изразходва енергия, да обърне ядрените реакции, протичащи в Слънцето, като че ли го зарежда с гориво за още няколко милиарда години, а също така да попълни обема на материята, който Слънцето губи под формата на слънчев вятър.

· Рано или късно Земята ще се сблъска с астероид или черна дупка.Колкото и малка да е вероятността за това, тя съществува, което означава, че в течение на вечността със сигурност ще стане реалност. Въпреки това, Бог може, използвайки силата си, да защити Земята от всякаква вреда предварително, просто като попречи на такива опасни обекти да се приближат до нашата планета.

· Луната ще отлети от Земята и земята ще стане необитаема.Луната стабилизира наклона на земната ос, благодарение на което климатът на нея се поддържа повече или по-малко постоянен. Луната постепенно се отдалечава от Земята, поради което в бъдеще наклонът на нейната ос може да се промени и климатът да стане непоносим. Но Бог, разбира се, има необходимата сила да предотврати подобни катастрофални промени и да задържи Луната в нейната орбита, където намери за добре.

Няма съмнение, че нещата в материалния свят имат склонност да остаряват, деградират и се разпадат. Но трябва да помним, че самият Бог е създал света по този начин. А това означава, че това е било част от плана му. Светът не е предназначен да съществува вечно отделно от Бог. Напротив, то е създадено да съществува вечно под контрола на Бог. И тъй като Бог имаше както мъдрост, така и сила да създаде света, нямаме причина да се съмняваме, че той има същата сила и мъдрост да се грижи вечно за своето творение, като държи всичко в него под свой контрол.

Следните библейски стихове ни уверяват, че Слънцето, Луната, Земята и хората ще съществуват вечно:
· « Те ще се страхуват от вас, докато съществуват слънцето и луната - от поколение на поколение» (Псалм 72:5)
· « [Земята] няма да се тресе вечно, вечно» (Псалм 103:5)
· « Праведните ще наследят земята и ще живеят на нея вечно» (Псалм 36:29)

Следователно нищо не ни пречи едновременно да вярваме във втория закон на термодинамиката и да го смятаме за правилен научен принцип и в същото време да бъдем дълбоко религиозни хора и да чакаме изпълнението на всички Божии обещания, записани в Библията.

ИЗПОЛЗВАЙТЕ ЧЕСТНИ АРГУМЕНТИ

И така, ако сте вярващ, тогава към коя от религиозните групи, споменати в началото на статията, бихте добавили своя глас? На участниците в гореописаната демонстрация на християнски консерватори, настояващи за отмяна на втория закон на термодинамиката? Или на креационистите, които използват този закон като доказателство за Божието създаване на живота? Не съм за никого.

Повечето вярващи са склонни да защитават вярата си по един или друг начин, а някои използват данните на науката, за да направят това, което до голяма степен потвърждава съществуването на Създателя. За нас обаче е важно да помним един сериозен библейски принцип: „ние... искаме да се държим честно във всичко“ (Евреи 13:18). Следователно, разбира се, би било погрешно да се използват неправилни аргументи, за да се докаже съществуването на Бог.

Както видяхме от тази статия, вторият закон на термодинамиката не може да се използва като доказателство за съществуването на Бог, точно както съществуването или несъществуването на Бог не доказва или опровергава втория закон на термодинамиката. Вторият принцип просто не е пряко свързан с въпроса за съществуването на Създателя, точно както огромното мнозинство от други физични закони (например закона за всемирното привличане, закона за запазване на импулса, закона на Архимед или всички други принципи на термодинамиката).

Божиите творения ни предоставят голям брой убедителни доказателства, както и косвени доказателства за съществуването на Създателя. Ето защо, ако някое от твърденията, които преди сме използвали като доказателство, се окаже невярно, не трябва да се страхувате да го изоставите, за да използвате само честни аргументи, за да защитите вярата си.