Có một số công thức của định luật nhiệt động thứ hai, hai trong số đó được đưa ra dưới đây:

· nhiệt không thể tự nhiên truyền từ vật có nhiệt độ thấp hơn sang vật có nhiệt độ cao hơn(công thức của R. Clausius);

· Không thể có động cơ vĩnh cửu loại thứ hai, tức là một quá trình tuần hoàn như vậy, kết quả duy nhất của nó là sự biến nhiệt thành công do một vật thể nguội đi (công thức của Thomson).

Định luật nhiệt động thứ hai chỉ ra sự bất bình đẳng của hai hình thức truyền năng lượng - công và nhiệt. Định luật này có tính đến thực tế là quá trình chuyển đổi năng lượng chuyển động có trật tự của toàn bộ cơ thể (năng lượng cơ học) thành năng lượng chuyển động không đều của các hạt của nó (năng lượng nhiệt) là không thể đảo ngược. Ví dụ, năng lượng cơ học trong quá trình ma sát được chuyển thành nhiệt mà không cần bất kỳ quá trình bổ sung nào. Sự chuyển năng lượng của chuyển động rối loạn của hạt (năng lượng bên trong) thành công chỉ có thể xảy ra nếu nó đi kèm với một số quá trình bổ sung. Như vậy, động cơ nhiệt hoạt động theo chu trình trực tiếp chỉ tạo ra công do nhiệt được cung cấp từ lò sưởi, nhưng đồng thời một phần nhiệt nhận được được truyền sang tủ lạnh.

Entropy Ngoài năng lượng bên trong. bạn, là hàm duy nhất của các tham số trạng thái của hệ thống; các hàm trạng thái khác được sử dụng rộng rãi trong nhiệt động lực học ( năng lượng tự do, entanpy Và entropy).

Ý tưởng entropyđược Rudolf Clausius giới thiệu vào năm 1865. Từ này xuất phát từ tiếng Hy Lạp. entropia và nghĩa đen là xoay, sự biến đổi. trong nhiệt động lực học, thuật ngữ này được sử dụng để mô tả sự biến đổi các loại năng lượng khác nhau (cơ, điện, ánh sáng, hóa học) thành nhiệt, nghĩa là thành chuyển động ngẫu nhiên, hỗn loạn của các phân tử. Không thể thu thập năng lượng này và biến nó trở lại loài mà nó đã thu được.

Để xác định biện pháp tán xạ không thuận nghịch hoặc tiêu tan năng lượng và khái niệm này đã được giới thiệu. Entropy S là một chức năng của nhà nước. Nó nổi bật trong số các chức năng nhiệt động khác ở chỗ nó có thống kê, tức là có tính chất xác suất.

Nếu một quá trình liên quan đến việc nhận hoặc giải phóng nhiệt xảy ra trong hệ nhiệt động, điều này dẫn đến sự biến đổi entropy của hệ, có thể tăng hoặc giảm. Trong một chu trình không thuận nghịch, entropy của một hệ cô lập tăng

dS> 0. (3.4)

Điều này có nghĩa là sự tiêu tán năng lượng không thể đảo ngược xảy ra trong hệ thống.

Nếu quá trình thuận nghịch xảy ra trong một hệ kín thì entropy không đổi

dS= 0. (3.5)

Sự thay đổi entropy của một hệ cô lập mà một lượng nhiệt cực nhỏ được truyền vào được xác định bởi hệ thức:

. (3.6)

Mối quan hệ này có giá trị cho một quá trình thuận nghịch. Đối với một quá trình không thể đảo ngược xảy ra trong một hệ kín, chúng ta có:

dS> .

Trong một hệ thống mở, entropy luôn tăng. Hàm trạng thái có vi phân được gọi là giảm nhiệt.

Do đó, trong tất cả các quá trình xảy ra trong một hệ kín, entropy tăng trong các quá trình thuận nghịch và không thay đổi trong các quá trình thuận nghịch. Do đó, các công thức (3.4) và (3.5) có thể kết hợp và trình bày dưới dạng

dS ³ 0.

Cái này thống kê phát biểu định luật thứ hai của nhiệt động lực học.

Nếu hệ thực hiện chuyển trạng thái cân bằng từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 thì theo phương trình (3.6) , sự thay đổi entropy

D S 1- 2 = S 2 – S 1 = .

Bản thân entropy không có ý nghĩa vật lý mà là sự khác biệt giữa các entropy.

Hãy tìm sự thay đổi entropy trong các quá trình khí lý tưởng. Bởi vì:

; ;

,

hoặc: . (3.7)

Điều này cho thấy sự thay đổi entropy của khí lý tưởng trong quá trình chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 không phụ thuộc vào loại quá trình chuyển tiếp 1® 2.

Từ công thức (3.7) suy ra rằng khi đẳng nhiệt quá trình ( T 1 = T 2):

.

Tại đẳng âm quá trình, sự thay đổi entropy bằng

.

Vì để xử lý đoạn nhiệt Q= 0 thì uD S= 0, do đó, quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch xảy ra ở entropy không đổi. Đó là lý do tại sao họ gọi anh ấy quá trình đẳng nhiệt.

Entropy của một hệ có tính chất cộng, nghĩa là entropy của hệ bằng tổng các entropy của tất cả các vật thể là một phần của hệ.

Ý nghĩa của entropy trở nên rõ ràng hơn nếu chúng ta đề cập đến vật lý thống kê. Trong đó, entropy gắn liền với xác suất nhiệt động của trạng thái hệ thống. Xác suất nhiệt động W của trạng thái của hệ bằng số lượng tất cả các phân phối vi mô có thể có của các hạt dọc theo tọa độ và vận tốc, xác định một trạng thái vĩ mô nhất định: Walkways³ 1, nghĩa là xác suất nhiệt động không phải là xác suất theo nghĩa toán học.

L. Boltzmann (1872) đã chỉ ra rằng entropy của một hệ bằng tích của hằng số Boltzmann k bằng logarit của xác suất nhiệt động W của một trạng thái nhất định

Do đó, entropy có thể được giải thích thống kê như sau: entropy là thước đo độ rối loạn của một hệ thống. Từ công thức (3.8), có thể thấy rõ: số lượng trạng thái vi mô nhận ra một trạng thái vĩ mô nhất định càng nhiều thì entropy càng lớn. Trạng thái có thể xảy ra nhất của hệ thống là trạng thái cân bằng. Số lượng trạng thái vi mô là tối đa, do đó entropy là tối đa.

Vì tất cả các quá trình thực đều không thể đảo ngược nên có thể lập luận rằng mọi quá trình trong một hệ kín đều dẫn đến sự tăng entropy - nguyên lý tăng entropy.

Trong diễn giải thống kê về entropy, điều này có nghĩa là các quá trình trong một hệ kín diễn ra theo hướng từ trạng thái ít có khả năng xảy ra hơn đến trạng thái có khả năng xảy ra cao hơn cho đến khi xác suất của các trạng thái trở nên tối đa.

Hãy giải thích bằng một ví dụ. Hãy tưởng tượng một chiếc bình được chia bởi một vách ngăn thành hai phần bằng nhau MỘT Và B. Một phần MỘT có khí, và trong B- chân không. Nếu bạn tạo một lỗ trên vách ngăn, khí sẽ ngay lập tức bắt đầu “tự nở ra” và sau một thời gian sẽ được phân bổ đều trong toàn bộ thể tích của bình, và điều này sẽ rất có thể trạng thái hệ thống. Ít có khả năng nhất sẽ có trạng thái hầu hết các phân tử khí đột nhiên lấp đầy một nửa bình. Bạn có thể đợi hiện tượng này bao lâu tùy thích nhưng bản thân khí sẽ không tập hợp lại thành các bộ phận. MỘT. Để làm điều này, bạn cần thực hiện một số công việc trên khí: ví dụ: di chuyển thành bên phải của một bộ phận như pít-tông B. Do đó, bất kỳ hệ vật lý nào cũng có xu hướng chuyển từ trạng thái ít có khả năng xảy ra hơn sang trạng thái có khả năng xảy ra cao hơn. Trạng thái cân bằng của hệ thống có nhiều khả năng xảy ra hơn.

Sử dụng khái niệm entropy và bất đẳng thức R. Clausius, định luật thứ hai của nhiệt động lực học có thể được xây dựng dưới dạng định luật tăng entropy của một hệ kín trong các quá trình không thể đảo ngược:

bất kỳ quá trình không thuận nghịch nào trong một hệ kín đều xảy ra theo cách mà hệ thống có nhiều khả năng chuyển sang trạng thái có entropy cao hơn, đạt cực đại ở trạng thái cân bằng. Hoặc cách khác:

trong các quá trình xảy ra trong hệ kín, entropy không giảm.

Xin lưu ý rằng chúng ta chỉ đang nói về các hệ thống khép kín.

Vì vậy, định luật thứ hai của nhiệt động lực học là một định luật thống kê. Nó thể hiện các mô hình chuyển động hỗn loạn cần thiết của một số lượng lớn các hạt là một phần của một hệ cô lập. Tuy nhiên, các phương pháp thống kê chỉ được áp dụng trong trường hợp có số lượng lớn các hạt trong hệ thống. Đối với một số lượng nhỏ các hạt (5-10), phương pháp này không thể áp dụng được. Trong trường hợp này, xác suất để tất cả các hạt nằm trong một nửa thể tích không còn bằng 0 nữa, hay nói cách khác, một sự kiện như vậy có thể xảy ra.

Cái chết nhiệt của vũ trụ. R. Clausius, coi Vũ trụ là một hệ kín và áp dụng định luật thứ hai của nhiệt động lực học cho nó, đã quy giản mọi thứ thành tuyên bố rằng entropy của Vũ trụ phải đạt đến mức tối đa. Điều này có nghĩa là mọi dạng chuyển động phải chuyển thành chuyển động nhiệt, do đó nhiệt độ của mọi vật thể trong Vũ trụ sẽ trở nên bằng nhau theo thời gian, trạng thái cân bằng nhiệt hoàn toàn sẽ xảy ra và mọi quá trình sẽ đơn giản dừng lại: cái chết nhiệt của vật thể Vũ trụ sẽ xảy ra.

Phương trình cơ bản của nhiệt động lực học . Phương trình này kết hợp các công thức của định luật nhiệt động thứ nhất và thứ hai:

d Q = dU + p dV, (3.9)

Chúng ta thay phương trình (3.9), biểu diễn định luật thứ hai của nhiệt động lực học, thành đẳng thức (3.10):

.

Đây là nó phương trình cơ bản của nhiệt động lực học.

Để kết luận, chúng tôi lưu ý một lần nữa rằng nếu định luật nhiệt động lực học thứ nhất chứa đựng sự cân bằng năng lượng của quá trình, thì định luật thứ hai cho thấy hướng có thể xảy ra của nó.

Định luật thứ ba của nhiệt động lực học

Một định luật nhiệt động lực học khác được thiết lập trong quá trình nghiên cứu sự biến đổi entropy của các phản ứng hóa học năm 1906 của V. Nernst. Nó được gọi là Định lý Nernst hoặc định luật thứ ba của nhiệt động lực học và có liên quan đến đặc tính nhiệt dung của các chất ở nhiệt độ không tuyệt đối.

Định lý Nernst tuyên bố rằng khi tiến gần đến độ không tuyệt đối, entropy của hệ thống cũng có xu hướng bằng 0, bất kể tất cả các tham số khác của trạng thái hệ thống lấy giá trị nào:

.

Vì entropy , và nhiệt độ T có xu hướng về 0 thì nhiệt dung của chất đó cũng phải có xu hướng về 0 và nhanh hơn T. Nó theo sau không thể đạt được nhiệt độ không tuyệt đối với một chuỗi hữu hạn các quá trình nhiệt động, tức là một số hữu hạn các thao tác - chu trình vận hành của máy làm lạnh (công thức thứ hai của định luật thứ ba nhiệt động lực học).

Khí thực

Phương trình Van der Waals

Sự thay đổi trạng thái của khí hiếm ở nhiệt độ đủ cao và áp suất thấp được mô tả bằng các định luật khí lý tưởng. Tuy nhiên, khi áp suất tăng và nhiệt độ của khí thực giảm, người ta quan sát thấy những sai lệch đáng kể so với các định luật này, do sự khác biệt đáng kể giữa hành vi của khí thực và hành vi được quy cho các hạt của khí lý tưởng.

Phương trình trạng thái của khí thực phải xét đến:

· giá trị cuối cùng của thể tích riêng của phân tử;

· lực hút lẫn nhau của các phân tử với nhau.

Đối với điều này, J. van der Waals đề xuất đưa vào phương trình trạng thái chứ không phải thể tích của bình, như trong phương trình Clapeyron-Mendeleev ( pV = RT) và thể tích của một mol khí không bị chiếm giữ bởi các phân tử, tức là giá trị ( V. tôi -b), Ở đâu V. m - thể tích mol. Để tính đến lực hút giữa các phân tử, J. van der Waals đã đưa ra một phép hiệu chỉnh áp suất có trong phương trình trạng thái.

Bằng cách đưa ra các hiệu chỉnh liên quan đến việc tính đến thể tích nội tại của các phân tử (lực đẩy) và lực hấp dẫn vào phương trình Clapeyron-Mendeleev, chúng ta thu được phương trình trạng thái của một mol khí thựcở dạng:

.

Cái này phương trình van der Waals, trong đó các hằng số MỘT Và b có ý nghĩa khác nhau đối với các loại khí khác nhau.

Công việc trong phòng thí nghiệm

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học(định luật thứ hai của nhiệt động lực học) thiết lập sự tồn tại của entropy như là một hàm trạng thái của hệ nhiệt động lực học và đưa ra khái niệm nhiệt độ nhiệt động tuyệt đối, tức là “định luật thứ hai là định luật entropy” và các tính chất của nó. Trong một hệ cô lập, entropy không thay đổi hoặc tăng (trong các quá trình không cân bằng), đạt cực đại khi đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt động ( định luật tăng entropy) . Các công thức khác nhau của định luật thứ hai nhiệt động lực học được tìm thấy trong tài liệu là những biểu hiện cụ thể của định luật tổng quát về tăng entropy.

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học cho phép chúng ta xây dựng một thang đo nhiệt độ hợp lý không phụ thuộc vào sự tùy tiện trong việc lựa chọn đặc tính nhiệt kế và phương pháp đo nó.

Cùng với nhau, nguyên tắc thứ nhất và thứ hai tạo thành cơ sở của hiện tượng học nhiệt động lực học, có thể được coi là một hệ quả phát triển của hai nguyên tắc này. Đồng thời, trong tất cả các quá trình được định luật thứ nhất cho phép trong hệ nhiệt động, định luật thứ hai cho phép chúng ta xác định những quá trình thực tế có thể xảy ra và thiết lập hướng xảy ra của các quá trình tự phát, cũng như tiêu chí cân bằng trong hệ nhiệt động.

YouTube bách khoa toàn thư

1 / 5

✪ Nguyên tắc cơ bản của kỹ thuật nhiệt. Định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Entropy. Định lý Nernst.

✪ ĐỊNH LUẬT I VÀ THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG

✪ Vật lý. Nhiệt động lực học: Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học. Trung tâm học tập trực tuyến Foxford

✪ Bài giảng 5. Định luật II nhiệt động lực học. Entropy. Cân bằng hóa học

✪ Định luật nhiệt động thứ nhất. Năng lượng bên trong

phụ đề

Câu chuyện

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học phát sinh như một lý thuyết làm việc của động cơ nhiệt, trong đó thiết lập các điều kiện để quá trình chuyển đổi nhiệt thành công đạt được hiệu quả tối đa. Phân tích định luật nhiệt động thứ hai cho thấy rằng cường độ nhỏ của hiệu ứng này ─ hệ số hiệu suất (hiệu suất) ─ được xác định không phải bởi sự không hoàn hảo về mặt kỹ thuật của động cơ nhiệt, mà bởi đặc thù của nhiệt như một phương pháp truyền năng lượng, đặt ra những hạn chế về giá trị của nó. Những nghiên cứu lý thuyết đầu tiên về hoạt động của động cơ nhiệt được thực hiện bởi kỹ sư người Pháp Sadi Carnot. Ông đi đến kết luận rằng hiệu suất của động cơ nhiệt không phụ thuộc vào chu trình nhiệt động và bản chất của chất lỏng làm việc, mà hoàn toàn được xác định tùy thuộc vào nguồn bên ngoài - lò sưởi và tủ lạnh. Công trình của Carnot được viết trước khi phát hiện ra nguyên lý tương đương giữa nhiệt và công cũng như sự thừa nhận chung về định luật bảo toàn năng lượng. Carnot đưa ra kết luận của mình dựa trên hai cơ sở trái ngược nhau: lý thuyết nhiệt lượng, vốn đã sớm bị loại bỏ, và phép loại suy thủy lực. Một thời gian sau, R. Clausius và W. Thomson-Kelvin đã dung hòa định lý Carnot với định luật bảo toàn năng lượng và đặt nền móng cho nội dung mà ngày nay cấu thành nên nội dung của định luật thứ hai của nhiệt động lực học.

Để chứng minh định lý Carnot và tiếp tục xây dựng định luật thứ hai, cần phải đưa ra một tiên đề mới.

Các công thức phổ biến nhất của định đề của định luật nhiệt động thứ hai

Định đề Clausius (1850):

Nhiệt không thể tự truyền từ vật lạnh hơn sang vật nóng hơn..

Định đề Thomson-Kelvin (1852) do M. Planck xây dựng:

Không thể chế tạo một cỗ máy vận hành định kỳ, tất cả hoạt động của nó chỉ dừng lại ở việc nâng tạ và làm mát bình chứa nhiệt.

Việc chỉ dẫn tần suất hoạt động của máy là cần thiết vì có thể quá trình không tròn, kết quả duy nhất của nó là sinh ra công do nội năng nhận được từ nguồn nhiệt. Quá trình này không mâu thuẫn với định đề Thomson-Kelvin, vì quá trình này không tròn và do đó, máy không hoạt động tuần hoàn. Về cơ bản, định đề của Thomson nói về việc không thể tạo ra một động cơ chuyển động vĩnh cửu loại thứ hai, có khả năng thực hiện công liên tục bằng cách lấy nhiệt từ một nguồn vô tận. Nói cách khác, không thể tạo ra một động cơ nhiệt mà kết quả duy nhất của nó là biến nhiệt thành công mà không có sự bù, tức là không có một phần nhiệt được truyền sang vật khác và do đó bị mất đi một cách không thể cứu vãn được để thu được công.

Dễ dàng chứng minh được các tiên đề của Clausius và Thomson là tương đương nhau. Bằng chứng đến từ điều ngược lại.

Giả sử rằng định đề Clausius không được thỏa mãn. Chúng ta hãy xem xét một động cơ nhiệt, chất làm việc của nó nhận một lượng nhiệt từ nguồn nóng trong một chu trình. Q 1 (\displaystyle Q_(1)), truyền một lượng nhiệt cho nguồn lạnh và thực hiện công. Vì, theo giả định, định đề Clausius là không đúng, nên có thể nồng nhiệt Q 2 (\displaystyle Q_(2)) trở lại suối nước nóng mà không thay đổi môi trường. Kết quả là trạng thái của nguồn lạnh không thay đổi, nguồn nóng đã truyền nhiệt lượng cho chất làm việc Q 2 − Q 1 (\displaystyle Q_(2)-Q_(1)) và nhờ sức nóng này mà máy đã thực hiện công việc A = Q 1 − Q 2 (\displaystyle A=Q_(1)-Q_(2)), mâu thuẫn với định đề Thomson.

Các định đề của Clausius và Thomson-Kelvin được xây dựng như một sự phủ nhận khả năng xảy ra bất kỳ hiện tượng nào, tức là. như những tiên đề cấm đoán. Các định đề cấm hoàn toàn không tương ứng với nội dung và yêu cầu hiện đại để chứng minh nguyên lý tồn tại của entropy và không đáp ứng đầy đủ nhiệm vụ chứng minh nguyên lý tăng entropy, vì chúng phải hàm chứa dấu hiệu của một hướng nhất định. của các hiện tượng không thể đảo ngược được quan sát thấy trong tự nhiên, và không phủ nhận khả năng xảy ra quá trình ngược lại của chúng.

• Định đề Planck (1926):

Sự sinh nhiệt do ma sát là không thể đảo ngược.

Định đề của Planck, cùng với việc phủ nhận khả năng biến đổi hoàn toàn công thành công, chứa đựng một phát biểu về khả năng biến đổi hoàn toàn công thành nhiệt.

Công thức hiện đại của định luật thứ hai của nhiệt động lực học cổ điển.

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học là một phát biểu về sự tồn tại của một hàm trạng thái nhất định ─ entropy trong bất kỳ hệ cân bằng nào và sự không giảm của nó trong bất kỳ quá trình nào trong các hệ cô lập và cô lập đoạn nhiệt.

Nói cách khác, định luật thứ hai của nhiệt động lực học là nguyên lý kết hợp tồn tại và tăng entropy.

Nguyên lý tồn tại của entropy là phát biểu của định luật thứ hai của nhiệt động lực học cổ điển về sự tồn tại của một hàm nhất định về trạng thái của các vật thể (hệ nhiệt động lực học) ─ entropy S (\displaystyle S), vi phân của nó là vi phân tổng d S (\displaystyle dS) và được định nghĩa trong các quá trình thuận nghịch là tỷ số giữa lượng nhiệt cơ bản được cung cấp từ bên ngoài δ Q mảng ∗ (\displaystyle \delta Q_(\text(arr))^(*))đến nhiệt độ tuyệt đối của cơ thể (hệ thống) T (\displaystyle T):

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

Nguyên lý tăng entropy là phát biểu của định luật thứ hai của nhiệt động lực học cổ điển về sự tăng không đổi entropy của các hệ cô lập trong mọi quá trình thực sự thay đổi trạng thái của chúng. (Trong các quá trình thuận nghịch làm thay đổi trạng thái của các hệ cô lập, entropy của chúng không thay đổi).

D S cách điện ≥ 0 (\displaystyle dS_(\text(isoally))\geq 0)

Biểu thức toán học của định luật thứ hai của nhiệt động lực học cổ điển:

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

Định nghĩa thống kê của entropy

Trong vật lý thống kê, entropy (S) (\displaystyle (S)) hệ nhiệt động được coi là một hàm của xác suất (W) (\displaystyle (W)) trạng thái của nó (“nguyên lý Boltzmann”).

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

Ở đâu k (\displaystyle k)─ Hằng số Boltzmann, W (\displaystyle W)─ xác suất nhiệt động của một trạng thái, được xác định bởi số lượng trạng thái vi mô hiện thực hóa một trạng thái vĩ mô nhất định.

Các phương pháp chứng minh định luật nhiệt động thứ hai.

Phương pháp R. Clausius

Trong việc chứng minh định luật thứ hai, Clausius xem xét các quá trình tuần hoàn của hai động cơ nhiệt thuận nghịch được ghép nối cơ học sử dụng khí lý tưởng làm chất lỏng làm việc, chứng minh định lý Carnot (biểu thức biểu thị hiệu suất của chu trình Carnot thuận nghịch) đối với khí lý tưởng η = 1 − T 2 T 1 (\displaystyle \eta =1-(\frac (T_(2))(T_(1)))), và sau đó phát biểu một định lý gọi là tích phân Clausius:

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

Từ đẳng thức về 0 của tích phân tròn, suy ra tích phân của nó là vi phân tổng của một hàm trạng thái nào đó ─ S (\displaystyle S) và đẳng thức sau đây là biểu thức toán học của nguyên lý tồn tại entropy đối với các quá trình thuận nghịch:

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

Tiếp theo, Clausius chứng minh sự bất đẳng thức về hiệu suất của các máy thuận nghịch và không thuận nghịch và cuối cùng đi đến kết luận rằng entropy của các hệ cô lập không giảm: Đã có nhiều phản đối và nhận xét liên quan đến việc xây dựng định luật thứ hai của nhiệt động lực học sử dụng Clausius phương pháp. Dưới đây là một số trong số họ:

1. Clausius bắt đầu xây dựng nguyên lý tồn tại entropy bằng cách biểu thị hiệu suất của chu trình Carnot thuận nghịch đối với các khí lý tưởng, sau đó mở rộng nó cho tất cả các chu trình thuận nghịch. Như vậy, Clausius đã ngầm thừa nhận khả năng tồn tại của các loại khí lý tưởng tuân theo phương trình Clapeyron P v = R T (\displaystyle Pv=RT) và định luật Joule u = u (t) (\displaystyle u=u(t)) .

2. Sự chứng minh của định lý Carnot là sai, vì một điều kiện bổ sung được đưa vào sơ đồ chứng minh - một cỗ máy đảo chiều tiên tiến hơn luôn được giao vai trò của một động cơ nhiệt. Tuy nhiên, nếu chúng ta chấp nhận rằng máy làm lạnh là một cỗ máy hoàn hảo hơn, và thay vì tiên đề Clausius, chúng ta chấp nhận phát biểu ngược lại rằng nhiệt không thể tự truyền từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn, thì định lý Carnot cũng sẽ được chứng minh theo cách tương tự. . Do đó, kết luận tự nó gợi ý rằng nguyên lý tồn tại của entropy không phụ thuộc vào hướng của các quá trình tự phát và định đề về tính không thuận nghịch không thể là cơ sở để chứng minh sự tồn tại của entropy.

3. Định đề Clausius với tư cách là định đề cấm không phải là một tuyên bố rõ ràng mô tả hướng xảy ra của các hiện tượng không thuận nghịch quan sát được trong tự nhiên, đặc biệt là một tuyên bố về sự chuyển nhiệt tự phát từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn, vì biểu thức ─ không thể vượt qua không tương đương với biểu thức đi qua.

4. Kết luận của vật lý thống kê về bản chất xác suất của nguyên lý bất khả nghịch và phát hiện năm 1951 hệ thống bất thường (lượng tử) với nhiệt độ tuyệt đối âm, trong đó sự truyền nhiệt tự phát có chiều ngược lại, nhiệt có thể chuyển hoàn toàn thành công, còn công không thể chuyển hoàn toàn (không bù) thành nhiệt, các định đề cơ bản của Clausius, Thomson-Kelvin và Planck bị lung lay, bác bỏ hoàn toàn một số và áp đặt hạn chế nghiêm trọng đối với người khác.

Phương pháp Schiller–Carathéodory

Vào thế kỷ 20, nhờ các tác phẩm của N. Schiller, C. Carathéodory, T. Afanasyeva - Ehrenfest, A. Gukhman và N.I. Belokon, một hướng tiên đề mới xuất hiện trong việc chứng minh định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Hóa ra nguyên lý tồn tại của entropy có thể được chứng minh bất kể hướng của các quá trình thực tế được quan sát thấy trong tự nhiên, tức là. từ nguyên lý không thuận nghịch, và để xác định nhiệt độ tuyệt đối và entropy, như Helmholtz đã lưu ý, không cần phải xem xét các quá trình tuần hoàn hoặc giả sử sự tồn tại của khí lý tưởng. Năm 1909, Constantin Carathéodory, một nhà toán học nổi tiếng người Đức, đã xuất bản một công trình trong đó ông chứng minh nguyên lý tồn tại của entropy không phải là kết quả của việc nghiên cứu các trạng thái của các hệ nhiệt động thực, mà trên cơ sở xem xét toán học các biểu thức thuận nghịch. truyền nhiệt dưới dạng đa thức vi phân (dạng Pfaff). Thậm chí sớm hơn, vào đầu thế kỷ này, N. Schiller đã tìm đến những công trình tương tự, nhưng các tác phẩm của ông không được chú ý cho đến khi T. Afanasyeva-Ehrenfest thu hút sự chú ý của chúng vào năm 1928.

Định đề Carathéodory (định đề về tính không thể đạt được đoạn nhiệt).

Gần mỗi trạng thái cân bằng của hệ thống, những trạng thái như vậy có thể đạt được mà không thể đạt được bằng cách sử dụng quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch.

Định lý Carathéodory phát biểu rằng nếu đa thức vi phân Pfaff có tính chất là trong vùng lân cận tùy ý của một điểm nhất định có những điểm khác không thể tiếp cận được bằng các chuyển động liên tiếp dọc theo đường đi, thì sẽ có các ước số tích phân của đa thức này và phương trình ∑ X i d x i = 0 (\displaystyle \sum X_(i)dx_(i)=0).

M. Planck đã chỉ trích phương pháp của Carathéodory. Theo quan điểm của ông, định đề của Carathéodory không phải là một trong những tiên đề trực quan và hiển nhiên: “Tuyên bố trong đó không thể áp dụng chung cho các quá trình tự nhiên... . Chưa ai từng thực hiện các thí nghiệm với mục tiêu đạt được tất cả các trạng thái lân cận của bất kỳ trạng thái cụ thể nào theo cách đoạn nhiệt.” Planck đối chiếu hệ thống Carathéodory với hệ thống của chính ông dựa trên tiên đề: “Sự hình thành nhiệt do ma sát là không thể thuận nghịch”, theo ông, điều này đã làm cạn kiệt nội dung của định luật nhiệt động thứ hai. Trong khi đó, phương pháp Carathéodory được đánh giá cao trong tác phẩm “Không thể thuận nghịch, một phía và định luật thứ hai của nhiệt động lực học” (1928) của T. Afanasyeva-Ehrenfest. Trong bài viết đáng chú ý của mình, Afanasyeva-Ehrenfest đã đưa ra một số kết luận quan trọng, cụ thể là:

1. Nội dung cơ bản của định luật thứ hai là lượng nhiệt cơ bản δ Q (\displaystyle \delta Q), mà hệ thống trao đổi trong một quá trình quasistic, có thể được biểu diễn dưới dạng T d S (\displaystyle TdS), Ở đâu T = f (t) (\displaystyle T=f(t))─ một hàm phổ quát của nhiệt độ, được gọi là nhiệt độ tuyệt đối, và (S) (\displaystyle (S))─ hàm của các tham số trạng thái hệ thống, được gọi là entropy. Rõ ràng là biểu hiện δ Q = T d S (\displaystyle \delta Q=TdS) có ý nghĩa nguyên lý tồn tại của entropy.

2. Sự khác biệt cơ bản giữa các quá trình không cân bằng và các quá trình cân bằng là trong điều kiện không đồng nhất của trường nhiệt độ, có thể chuyển hệ sang trạng thái có entropy khác mà không cần trao đổi nhiệt với môi trường. (Quá trình này sau này được gọi là “trao đổi nhiệt bên trong” hoặc trao đổi nhiệt của chất lỏng làm việc trong các công trình của N.I. Belokon.). Hậu quả của quá trình không cân bằng trong một hệ cô lập là tính một chiều của nó.

3. Sự thay đổi một chiều của entropy đều có thể hình dung được khi nó tăng đều hoặc giảm đều. Các điều kiện tiên quyết về mặt vật lý, chẳng hạn như tính không thể đạt được đoạn nhiệt và tính không thể đảo ngược của các quá trình thực, không thể hiện bất kỳ yêu cầu nào liên quan đến hướng ưu tiên của dòng chảy của các quá trình tự phát.

4. Để đối chiếu các kết luận thu được với dữ liệu thực nghiệm cho các quá trình thực tế, cần phải chấp nhận một định đề, phạm vi của định đề này được xác định bởi các giới hạn khả năng áp dụng của những dữ liệu này. Định đề này là nguyên tắc tăng entropy.

A. Gukhman, khi đánh giá công trình của Carathéodory, tin rằng nó “được phân biệt bởi tính chặt chẽ logic hình thức và sự hoàn hảo về mặt toán học... Đồng thời, để theo đuổi tính tổng quát lớn nhất, Carathéodory đã tạo cho hệ thống của mình một dạng trừu tượng và phức tạp đến mức hóa ra phần lớn các nhà vật lý thời đó hầu như không thể tiếp cận được nó." Về định đề về tính không thể đạt được đoạn nhiệt, Gukhman lưu ý rằng với tư cách là một nguyên lý vật lý, nó không thể là cơ sở của một lý thuyết có ý nghĩa phổ quát, vì nó không có đặc tính tự chứng minh. “Mọi thứ đều cực kỳ rõ ràng đối với một...hệ thống đơn giản...Nhưng sự rõ ràng này hoàn toàn bị mất trong trường hợp chung là một hệ thống không đồng nhất, phức tạp bởi các biến đổi hóa học và tiếp xúc với các trường bên ngoài.” Anh ấy cũng nói về việc Afanasyeva-Ehrenfest đã đúng như thế nào khi nhấn mạnh đến sự cần thiết phải tách biệt hoàn toàn vấn đề tồn tại của entropy khỏi mọi thứ liên quan đến ý tưởng về tính không thể đảo ngược của các quá trình thực tế.” Về việc xây dựng nền tảng của nhiệt động lực học, Gukhman tin rằng “không có vấn đề riêng biệt độc lập nào về sự tồn tại của entropy. Câu hỏi đặt ra là mở rộng cho trường hợp tương tác nhiệt một loạt các khái niệm được phát triển trên cơ sở kinh nghiệm nghiên cứu tất cả các tương tác năng lượng khác và đạt đến đỉnh cao là việc thiết lập một phương trình thống nhất cho lượng ảnh hưởng cơ bản. d Q = P d x (\displaystyle dQ=Pdx) Phép ngoại suy này được gợi ý bởi chính cấu trúc của các ý tưởng. Không còn nghi ngờ gì nữa, có đủ cơ sở để chấp nhận nó như một giả thuyết rất hợp lý và do đó giả sử sự tồn tại của entropy.

N.I. Belokon, trong chuyên khảo “Nhiệt động lực học” của mình, đã đưa ra một phân tích chi tiết về nhiều nỗ lực nhằm chứng minh định luật thứ hai của nhiệt động lực học như một nguyên lý thống nhất về sự tồn tại và tăng lên của entropy chỉ dựa trên định đề về tính không thuận nghịch. Ông đã chỉ ra rằng những nỗ lực biện minh như vậy không tương ứng với trình độ phát triển hiện đại của nhiệt động lực học và không thể biện minh được, trước hết, bởi vì kết luận về sự tồn tại của entropy và nhiệt độ tuyệt đối không liên quan gì đến tính không thuận nghịch của các hiện tượng tự nhiên (những hàm số này tồn tại). bất kể sự tăng hay giảm entropy của các hệ cô lập), thứ hai, việc chỉ ra hướng của các hiện tượng không thuận nghịch quan sát được làm giảm mức độ tổng quát của định luật thứ hai nhiệt động lực học và thứ ba, việc sử dụng định đề Thomson-Planck về sự không thể thực hiện được hoàn toàn chuyển nhiệt thành công mâu thuẫn với kết quả nghiên cứu các hệ có nhiệt độ tuyệt đối âm, trong đó có thể thực hiện được sự chuyển hóa hoàn toàn nhiệt thành công, nhưng không thể chuyển hoàn toàn công thành nhiệt. Theo sau T. Afanasyeva-Ehrenfest N.I. Belokon cho rằng sự khác biệt về nội dung, mức độ tổng quát và phạm vi ứng dụng của các nguyên lý tồn tại và tăng entropy là khá rõ ràng:

1. Từ nguyên lý tồn tại của entropy, một số vi phân quan trọng nhất phương trình nhiệt động lực học, được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu các quá trình nhiệt động và tính chất vật lý của vật chất, và ý nghĩa khoa học của nó không thể được đánh giá quá cao.

2. Nguyên lý tăng entropy của các hệ cô lập là phát biểu về dòng chảy không thuận nghịch của các hiện tượng quan sát được trong tự nhiên. Nguyên tắc này được sử dụng trong các phán đoán về hướng có khả năng xảy ra nhất của dòng chảy của các quá trình vật lý và phản ứng hóa học, và mọi thứ đều tuân theo nó. sự bất bình đẳng nhiệt động lực học.

Về việc chứng minh nguyên lý tồn tại entropy bằng phương pháp Schiller ─ Carathéodory, Belokon cho rằng khi xây dựng nguyên lý tồn tại bằng phương pháp này nhất thiết phải sử dụng định lý Carathéodory về điều kiện tồn tại tích phân của các ước số vi phân. đa thức δ Q = ∑ X i d x i = τ d Z , (\displaystyle \delta Q=\sum X_(i)dx_(i)=\tau dZ,) tuy nhiên, nhu cầu sử dụng định lý này “nên được coi là rất hạn chế, vì lý thuyết tổng quát về loại đa thức vi phân đang được xem xét (dạng Pfaffian) có những khó khăn nhất định và chỉ được trình bày trong các công trình đặc biệt về toán học cao cấp.” Trong hầu hết các khóa học về nhiệt động lực học, định lý Carathéodory được đưa ra mà không cần chứng minh, hoặc chứng minh được đưa ra dưới dạng đơn giản, không chặt chẽ. .

Phân tích việc xây dựng nguyên lý tồn tại entropy của hệ cân bằng theo sơ đồ của C. Carathéodory, N.I. Belokon thu hút sự chú ý đến việc sử dụng một giả định hoàn toàn vô căn cứ về khả năng bật nhiệt độ đồng thời t (\displaystyle t) và ─ hoạt động thành các biến độc lập về trạng thái của hệ cân bằng và đi đến kết luận rằng rằng tiên đề Carathéodory tương đương với nhóm điều kiện tổng quát cho sự tồn tại ước tích phân của các đa thức vi phân ∑ X i d x i (\displaystyle \sum X_(i)dx_(i)), Nhưng không đủđể thiết lập sự tồn tạiước số tích phân chính τ (t) = T (\displaystyle \tau (t)=T), tức là để biện minh nguyên lý tồn tại nhiệt độ tuyệt đối và entropy . Ông nói thêm: “Rõ ràng là khi xây dựng nguyên lý tồn tại của nhiệt độ tuyệt đối và entropy trên cơ sở định lý Carathéodory, một tiên đề phải được sử dụng tương đương với định lý về tính không tương thích của đoạn nhiệt và đường đẳng nhiệt.. .” Trong những cách xây dựng đã được sửa lại này, định đề trở nên hoàn toàn không cần thiết Caratheodory, vì định đề này là hệ quả đặc biệt của định lý tất yếu về tính không tương thích của đoạn nhiệt và đường đẳng nhiệt.”

Phương pháp N.I. Belokonya

Trong việc biện minh theo phương pháp của N.I. Định luật nhiệt động lực học thứ hai của Belokonya được chia thành hai nguyên tắc (định luật):

1. Nguyên lý tồn tại nhiệt độ tuyệt đối và entropy ( định luật nhiệt kế thứ hai).

2. Nguyên lý tăng entropy( định luật thứ hai của nhiệt động lực học).

Mỗi nguyên tắc này đều được chứng minh trên cơ sở các tiên đề độc lập.

• Định luật thứ hai của nhiệt kế (Belokonya).

Nhiệt độ là hàm trạng thái duy nhất xác định hướng truyền nhiệt tự phát, tức là giữa các vật thể và các phần tử của vật thể không ở trạng thái cân bằng nhiệt, việc truyền nhiệt đồng thời (bằng sự cân bằng) theo các hướng ngược nhau là không thể - từ vật thể nóng hơn sang vật thể ít nóng hơn và ngược lại. .

Tiên đề của định luật nhiệt kế thứ hai là một biểu hiện riêng của quan hệ nhân quả và các quy luật rõ ràng của tự nhiên . Ví dụ, nếu có một lý do khiến trong một hệ thống nhất định nhiệt truyền từ vật nóng hơn sang vật ít nóng hơn, thì chính lý do đó sẽ ngăn cản sự truyền nhiệt theo hướng ngược lại và ngược lại. Định đề này hoàn toàn đối xứng về hướng của các hiện tượng không thể đảo ngược, vì nó không chứa bất kỳ dấu hiệu nào về hướng quan sát được của các hiện tượng không thể đảo ngược trong thế giới của chúng ta - thế giới của nhiệt độ tuyệt đối dương.

Hệ quả của định luật nhiệt kế thứ hai:

Hệ quả I. Không thể nào đồng thời(trong cùng một hệ không-thời gian có nhiệt độ tuyệt đối dương hoặc âm) thực hiện quá trình chuyển đổi hoàn toàn nhiệt thành công và công thành nhiệt.

Hệ quả II. (định lý không tương thích giữa đoạn nhiệt và đẳng nhiệt). Trên đường đẳng nhiệt của một hệ nhiệt động cân bằng giao nhau với hai đoạn nhiệt khác nhau của cùng một hệ, độ truyền nhiệt không thể bằng 0.

Hệ quả III (định lý cân bằng nhiệt của các vật). Trong các quá trình tuần hoàn cân bằng của hai vật liên hợp nhiệt (t I = t I I) (\displaystyle (t_(I)=t_(I)I)), tạo thành một hệ cô lập đoạn nhiệt, cả hai vật đều đồng thời trở về đoạn nhiệt ban đầu và trạng thái ban đầu.

Dựa trên hệ quả của tiên đề định luật thứ hai của nhiệt kế, N.I. Belokon đề xuất xây dựng nguyên lý tồn tại nhiệt độ tuyệt đối và entropy cho các quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch δ Q = δ Q ∗ + Q ∗ ∗ T d S (\displaystyle \delta Q=\delta Q^(*)+Q^(**)TdS)

• Định luật thứ hai của nhiệt động lực học (nguyên lý tăng entropy).

Định đề của định luật thứ hai nhiệt động lực học được đề xuất dưới dạng một phát biểu xác định hướng của một trong những hiện tượng đặc trưng trong thế giới nhiệt độ tuyệt đối dương của chúng ta:

Công có thể được chuyển hóa trực tiếp và hoàn toàn và sinh nhiệt bằng ma sát hoặc đốt nóng bằng điện.

Hệ quả I. Nhiệt không thể chuyển hoá hoàn toàn thành công(nguyên tắc loại trừ loại Perpetuum mobile II):

η < 1 {\displaystyle \eta <1}

.

Hệ quả II. Hiệu suất hoặc khả năng làm mát của bất kỳ động cơ nhiệt không thuận nghịch nào (tương ứng là động cơ hoặc tủ lạnh) ở nhiệt độ nhất định của các nguồn bên ngoài luôn nhỏ hơn hiệu suất hoặc khả năng làm mát của các máy thuận nghịch hoạt động giữa các nguồn giống nhau.

Việc giảm hiệu suất và khả năng làm mát của động cơ nhiệt thực có liên quan đến sự vi phạm dòng cân bằng của các quá trình (truyền nhiệt không cân bằng do chênh lệch nhiệt độ của nguồn nhiệt và chất lỏng làm việc) và sự chuyển đổi không thể đảo ngược của công thành nhiệt (tổn thất do ma sát và điện trở trong).

Từ hệ quả tất yếu I này của định luật thứ hai về nhiệt tĩnh học, trực tiếp suy ra rằng không thể thực hiện được chuyển động Perpetuum thuộc loại I và II. Dựa trên tiên đề của định luật thứ hai nhiệt động lực học, biểu thức toán học của định luật thứ hai nhiệt động lực học cổ điển có thể được chứng minh là nguyên lý tổng hợp của sự tồn tại và tăng entropy:

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

Các quá trình tự nhiên được đặc trưng bởi tính định hướng và tính không thể đảo ngược, nhưng hầu hết các quy luật được mô tả trong cuốn sách này không phản ánh điều này, ít nhất là không rõ ràng. Đập trứng và làm trứng bác không khó nhưng tái tạo trứng sống từ trứng bác làm sẵn thì không thể. Mùi từ chai nước hoa đã mở tràn ngập căn phòng - nhưng bạn không thể đặt lại vào chai. Và lý do cho tính không thể đảo ngược của các quá trình xảy ra trong Vũ trụ nằm ở định luật thứ hai của nhiệt động lực học, định luật này, xét về bề ngoài đơn giản, là một trong những định luật khó nhất và thường bị hiểu sai nhất của vật lý cổ điển.

Trước hết, định luật này có ít nhất ba công thức có giá trị như nhau, được các nhà vật lý thuộc các thế hệ khác nhau đề xuất vào những năm khác nhau. Có vẻ như không có điểm chung nào giữa chúng, nhưng chúng đều tương đương về mặt logic với nhau. Từ bất kỳ công thức nào của định luật thứ hai, hai định luật còn lại đều được suy ra về mặt toán học.

Hãy bắt đầu với công thức đầu tiên của nhà vật lý người Đức Rudolf Clausius ( cm. phương trình Clapeyron-Clausius). Đây là một minh họa đơn giản và rõ ràng cho công thức này: lấy một viên đá từ tủ lạnh và đặt vào bồn rửa. Sau một thời gian, khối băng sẽ tan chảy vì nhiệt từ vật thể ấm hơn (không khí) được truyền sang vật thể lạnh hơn (khối nước đá). Từ quan điểm của định luật bảo toàn năng lượng, không có lý do gì để năng lượng nhiệt được truyền theo đúng hướng này: ngay cả khi băng trở nên lạnh hơn và không khí ấm hơn, định luật bảo toàn năng lượng vẫn được đáp ứng. Việc điều này không xảy ra chính xác là bằng chứng về chiều hướng đã đề cập của các quá trình vật lý.

Chúng ta có thể dễ dàng giải thích tại sao băng và không khí lại tương tác theo cách này bằng cách xem xét sự tương tác này ở cấp độ phân tử. Từ lý thuyết động học phân tử, chúng ta biết rằng nhiệt độ phản ánh tốc độ chuyển động của các phân tử trong cơ thể - chúng chuyển động càng nhanh thì nhiệt độ cơ thể càng cao. Điều này có nghĩa là các phân tử không khí chuyển động nhanh hơn các phân tử nước trong khối băng. Theo kinh nghiệm cho chúng ta biết, khi một phân tử không khí va chạm với một phân tử nước trên bề mặt băng, các phân tử nhanh sẽ chuyển động chậm lại và những phân tử chậm sẽ tăng tốc. Do đó, các phân tử nước bắt đầu chuyển động ngày càng nhanh hơn, hoặc tương tự, nhiệt độ của băng tăng lên. Đây chính là điều chúng tôi muốn nói khi nói rằng nhiệt được truyền từ không khí sang băng. Và trong khuôn khổ của mô hình này, công thức đầu tiên của định luật nhiệt động thứ hai tuân theo một cách hợp lý hành vi của các phân tử.

Khi một vật di chuyển trên bất kỳ khoảng cách nào dưới tác động của một lực nhất định, công được thực hiện và các dạng năng lượng khác nhau thể hiện chính xác khả năng của hệ thống tạo ra công nhất định. Vì nhiệt, đại diện cho động năng của các phân tử, là một dạng năng lượng nên nó cũng có thể chuyển hóa thành công. Nhưng một lần nữa chúng ta đang xử lý một quy trình được chỉ đạo. Bạn có thể chuyển công thành nhiệt với hiệu suất 100% - bạn làm điều đó mỗi khi bạn nhấn bàn đạp phanh trong ô tô: tất cả động năng của ô tô cộng với năng lượng bạn tiêu tốn trên bàn đạp thông qua công của chân và phanh thủy lực hệ thống được chuyển hóa hoàn toàn thành nhiệt thoát ra trong quá trình ma sát của má phanh trên đĩa phanh. Công thức thứ hai của định luật nhiệt động thứ hai phát biểu rằng quá trình ngược lại là không thể xảy ra. Cho dù bạn có cố gắng chuyển đổi toàn bộ năng lượng nhiệt thành công thế nào thì việc thất thoát nhiệt ra môi trường là không thể tránh khỏi.

Không khó để minh họa công thức thứ hai trong thực tế. Hãy tưởng tượng xi lanh của động cơ đốt trong ô tô của bạn. Một hỗn hợp nhiên liệu có chỉ số octan cao được phun vào nó, được piston nén đến áp suất cao, sau đó nó bốc cháy ở một khe nhỏ giữa đầu xi lanh và một piston chuyển động tự do được gắn chặt vào thành xi lanh. Trong quá trình đốt cháy hỗn hợp nổ, một lượng nhiệt đáng kể được giải phóng dưới dạng các sản phẩm cháy nóng và nở ra, áp suất đẩy piston xuống. Trong một thế giới lý tưởng, chúng ta có thể đạt được hiệu suất 100% trong việc sử dụng năng lượng nhiệt giải phóng, chuyển hoàn toàn nó thành công cơ học của piston.

Trong thế giới thực, sẽ không có ai lắp ráp được một động cơ lý tưởng như vậy vì hai lý do. Thứ nhất, thành xi lanh tất yếu nóng lên do quá trình đốt cháy hỗn hợp làm việc, một phần nhiệt bị mất không tải và thải qua hệ thống làm mát ra môi trường. Thứ hai, một phần công việc chắc chắn phải vượt qua lực ma sát, do đó, thành xi lanh lại nóng lên - một tổn thất nhiệt khác (ngay cả với loại dầu động cơ tốt nhất). Thứ ba, xi lanh cần quay trở lại điểm bắt đầu nén và đây cũng là công lãng phí để khắc phục ma sát khi giải phóng nhiệt. Kết quả là chúng ta có được những gì chúng ta có, đó là: động cơ nhiệt tiên tiến nhất hoạt động với hiệu suất không quá 50%.

Cách giải thích định luật thứ hai của nhiệt động lực học này gắn liền với nguyên lý Carnot, nguyên lý này được đặt theo tên của kỹ sư quân sự người Pháp Sadi Carnot. Nó được hình thành sớm hơn những loại khác và có ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển của công nghệ kỹ thuật trong nhiều thế hệ sau, mặc dù nó mang tính chất ứng dụng. Nó đang có được tầm quan trọng to lớn từ quan điểm năng lượng hiện đại, lĩnh vực quan trọng nhất của bất kỳ nền kinh tế quốc gia nào. Ngày nay, đối mặt với tình trạng thiếu nguồn nhiên liệu, tuy nhiên, nhân loại buộc phải chấp nhận một thực tế là hiệu suất của các nhà máy nhiệt điện chạy bằng than hoặc dầu đốt chẳng hạn không vượt quá 30-35% - tức là 2/3 số nhiên liệu bị đốt cháy vô ích, hay đúng hơn là được tiêu thụ để làm ấm bầu không khí - và điều này đứng trước mối đe dọa về sự nóng lên toàn cầu. Đó là lý do tại sao các nhà máy nhiệt điện hiện đại có thể dễ dàng nhận ra nhờ các tháp giải nhiệt khổng lồ - chính trong đó, nước làm mát tuabin của máy phát điện được làm mát và năng lượng nhiệt dư thừa được thải ra môi trường. Và hiệu quả sử dụng tài nguyên thấp như vậy không phải là lỗi mà là sự bất hạnh của các kỹ sư thiết kế hiện đại: họ đã đạt đến mức tối đa mà chu trình Carnot cho phép. Những người tuyên bố đã tìm ra giải pháp để giảm đáng kể sự thất thoát năng lượng nhiệt (ví dụ, đã thiết kế một động cơ vĩnh cửu), qua đó khẳng định rằng họ đã vượt qua định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Họ cũng có thể tuyên bố biết cách đảm bảo rằng một viên đá trong bồn rửa không tan chảy ở nhiệt độ phòng mà ngược lại, thậm chí còn nguội hơn nữa, do đó làm nóng không khí.

Công thức thứ ba của định luật thứ hai nhiệt động lực học, thường được cho là của nhà vật lý người Áo Ludwig Boltzmann ( cm. Hằng số Boltzmann có lẽ được biết đến nhiều nhất. Entropy là dấu hiệu của sự rối loạn của hệ thống. Entropy càng cao thì chuyển động của các hạt vật chất tạo nên hệ càng hỗn loạn. Boltzmann đã phát triển được một công thức mô tả toán học trực tiếp về mức độ trật tự trong một hệ thống. Hãy xem nó hoạt động như thế nào bằng cách sử dụng nước làm ví dụ. Ở trạng thái lỏng, nước là một cấu trúc khá rối loạn, vì các phân tử chuyển động tự do tương đối với nhau và định hướng không gian của chúng có thể tùy ý. Nước đá lại là một vấn đề khác - trong đó các phân tử nước được sắp xếp có trật tự, nằm trong mạng tinh thể. Nói một cách tương đối, công thức của định luật nhiệt động lực học thứ hai của Boltzmann phát biểu rằng băng, sau khi tan chảy và biến thành nước (một quá trình đi kèm với sự giảm mức độ trật tự và tăng entropy), sẽ không bao giờ tự tái sinh từ nước. Một lần nữa chúng ta lại thấy một ví dụ về một hiện tượng vật lý tự nhiên không thể đảo ngược.

Điều quan trọng là phải hiểu ở đây rằng chúng ta không nói về thực tế là trong công thức này, định luật thứ hai của nhiệt động lực học tuyên bố rằng entropy không thể giảm ở bất cứ đâu và không bao giờ. Cuối cùng, đá tan chảy có thể được đặt lại vào tủ đông và đông lạnh lại. Vấn đề là entropy không thể giảm trong hệ thống khép kín- nghĩa là trong các hệ thống không nhận được nguồn cung cấp năng lượng bên ngoài. Một tủ lạnh đang chạy không phải là một hệ thống khép kín biệt lập, vì nó được kết nối với lưới điện và nhận năng lượng từ bên ngoài - cuối cùng là từ các nhà máy điện sản xuất ra nó. Trong trường hợp này, hệ thống khép kín sẽ bao gồm một tủ lạnh, cộng với hệ thống dây điện, cộng với trạm biến áp cục bộ, cộng với mạng lưới cấp điện thống nhất, cộng với các nhà máy điện. Và vì sự gia tăng entropy do sự bốc hơi ngẫu nhiên từ tháp giải nhiệt của nhà máy điện lớn hơn nhiều lần so với sự giảm entropy do sự kết tinh của băng trong tủ lạnh của bạn, nên định luật thứ hai của nhiệt động lực học không hề bị vi phạm.

Và tôi tin rằng điều này sẽ dẫn tới một công thức khác của nguyên tắc thứ hai: Tủ lạnh không hoạt động trừ khi được cắm điện.

§6 Entropy

Thông thường, bất kỳ quá trình nào trong đó hệ thống chuyển từ trạng thái này sang trạng thái khác đều tiến hành theo cách không thể thực hiện quá trình này theo hướng ngược lại để hệ thống đi qua cùng các trạng thái trung gian mà không có bất kỳ thay đổi nào xảy ra ở các vật thể xung quanh. . Điều này là do thực tế là trong quá trình này một phần năng lượng bị tiêu tán, chẳng hạn như do ma sát, bức xạ, v.v. Hầu như tất cả các quá trình trong tự nhiên đều không thể đảo ngược. Trong bất kỳ quá trình nào, một số năng lượng bị mất đi. Để mô tả sự tiêu tán năng lượng, khái niệm entropy được đưa ra. ( Giá trị entropy đặc trưng trạng thái nhiệt của hệ thống và xác định xác suất thực hiện trạng thái nhất định của cơ thể. Một trạng thái nhất định càng có xác suất xảy ra thì entropy càng lớn.) Tất cả các quá trình tự nhiên đều đi kèm với sự gia tăng entropy. Entropy không đổi chỉ trong trường hợp một quá trình thuận nghịch lý tưởng hóa xảy ra trong một hệ kín, nghĩa là trong một hệ không có sự trao đổi năng lượng với các vật thể bên ngoài hệ này.

Entropy và ý nghĩa nhiệt động học của nó:

Entropy- đây là một hàm trạng thái của hệ, sự thay đổi vô cùng nhỏ của nó trong một quá trình thuận nghịch bằng tỷ lệ giữa lượng nhiệt vô cùng nhỏ được đưa vào trong quá trình này với nhiệt độ mà nó được đưa vào.

Trong quá trình thuận nghịch cuối cùng, sự thay đổi entropy có thể được tính bằng công thức:

trong đó tích phân được lấy từ trạng thái ban đầu 1 của hệ thống đến trạng thái cuối cùng 2.

Vì entropy là một hàm của trạng thái nên tính chất của tích phânlà sự độc lập của nó với hình dạng của đường viền (đường dẫn) dọc theo nó được tính toán, do đó, tích phân chỉ được xác định bởi trạng thái ban đầu và cuối cùng của hệ thống.

• Trong bất kỳ quá trình thuận nghịch nào, sự thay đổi entropy là 0

(1)

• Nhiệt động lực học đã chứng minh rằngShệ thống trải qua một chu kỳ không thể đảo ngược tăng

Δ S> 0 (2)

Biểu thức (1) và (2) chỉ liên quan đến hệ kín; nếu hệ trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài thì nóScó thể cư xử theo bất kỳ cách nào.

Mối quan hệ (1) và (2) có thể được biểu diễn dưới dạng bất đẳng thức Clausius

ΔS ≥ 0

những thứ kia. entropy của một hệ kín có thể tăng (trong trường hợp các quá trình thuận nghịch) hoặc không đổi (trong trường hợp các quá trình thuận nghịch).

Nếu hệ thực hiện chuyển trạng thái cân bằng từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 thì entropy thay đổi

Ở đâu dU Và δAđược viết cho một quá trình cụ thể. Theo công thức này ∆Sđược xác định theo hằng số cộng. Bản thân entropy không có ý nghĩa vật lý mà là sự khác biệt giữa các entropy. Hãy tìm sự thay đổi entropy trong các quá trình khí lý tưởng.

những thứ kia. thay đổi entropyS Δ S 1→2 của khí lý tưởng trong quá trình chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2 không phụ thuộc vào loại quá trình.

Bởi vì đối với quá trình đoạn nhiệt δQ = 0 thì Δ S= 0 => S= hằng , nghĩa là, một quá trình thuận nghịch đoạn nhiệt xảy ra ở entropy không đổi. Đó là lý do tại sao nó được gọi là đẳng entropic.

Trong quá trình đẳng nhiệt (T= hằng ; T 1 = T 2 : )

Trong một quá trình đẳng tích (V.= hằng ; V. 1 = V. 2 ; )

Entropy có tính cộng: entropy của một hệ bằng tổng các entropy của các vật thể có trong hệ.S = S 1 + S 2 + S 3 + ... Sự khác biệt về chất giữa chuyển động nhiệt của phân tử và các dạng chuyển động khác là tính ngẫu nhiên và hỗn loạn của nó. Do đó, để mô tả chuyển động nhiệt, cần đưa ra một thước đo định lượng về mức độ rối loạn phân tử. Nếu chúng ta xem xét bất kỳ trạng thái vĩ mô nhất định nào của vật thể với các giá trị tham số trung bình nhất định, thì đó không phải là sự thay đổi liên tục của các trạng thái vi mô gần nhau, khác nhau về sự phân bố của các phân tử ở các phần khác nhau của thể tích và phân bố. năng lượng giữa các phân tử. Số lượng các trạng thái vi mô thay đổi liên tục này đặc trưng cho mức độ rối loạn trạng thái vĩ mô của toàn bộ hệ thống,wđược gọi là xác suất nhiệt động của một trạng thái vi mô nhất định. Xác suất nhiệt độngwtrạng thái của một hệ thống là số cách có thể nhận ra một trạng thái nhất định của một hệ thống vĩ mô hoặc số lượng trạng thái vi mô thực hiện một trạng thái vi mô nhất định (w≥ 1, và xác suất toán học ≤ 1 ).

Để đo lường mức độ bất ngờ của một sự kiện, người ta đã đồng ý lấy logarit của xác suất của nó, lấy dấu trừ: mức độ bất ngờ của trạng thái bằng =-

Theo Boltzmann, entropyShệ thống và xác suất nhiệt động có liên quan với nhau như sau:

Ở đâu - Hằng số Boltzmann (). Do đó, entropy được xác định bằng logarit của số trạng thái mà nhờ đó có thể nhận ra một trạng thái vi mô nhất định. Entropy có thể được coi là thước đo xác suất trạng thái của hệ thống t/d. Công thức của Boltzmann cho phép chúng ta đưa ra cách giải thích thống kê sau về entropy. Entropy là thước đo sự mất trật tự của một hệ thống. Trên thực tế, số lượng trạng thái vi mô thực hiện một trạng thái vi mô nhất định càng lớn thì entropy càng lớn. Ở trạng thái cân bằng của hệ - trạng thái có thể xảy ra nhất của hệ - số lượng trạng thái vi mô là tối đa và entropy cũng tối đa.

Bởi vì các quá trình thực tế là không thể đảo ngược, khi đó có thể lập luận rằng tất cả các quá trình trong một hệ thống khép kín đều dẫn đến sự gia tăng entropy của nó - nguyên lý tăng entropy. Theo cách giải thích thống kê về entropy, điều này có nghĩa là các quá trình trong một hệ thống khép kín diễn ra theo hướng tăng số lượng trạng thái vi mô, nói cách khác, từ trạng thái ít có khả năng xảy ra hơn đến trạng thái có khả năng xảy ra cao hơn, cho đến khi xác suất của trạng thái đó trở nên tối đa.

§7 Định luật thứ hai của nhiệt động lực học

Định luật nhiệt động lực học thứ nhất, thể hiện định luật bảo toàn năng lượng và biến đổi năng lượng, không cho phép chúng ta thiết lập hướng của dòng chảy của các quá trình t/d. Ngoài ra, người ta có thể tưởng tượng ra nhiều quá trình không mâu thuẫn vớiTÔIđến thời điểm t/d ban đầu, trong đó năng lượng được bảo toàn, nhưng về bản chất chúng không được hiện thực hóa. Các công thức có thể có của t/d bắt đầu thứ hai:

1) định luật tăng entropy của một hệ kín trong các quá trình không thuận nghịch: bất kỳ quá trình không thuận nghịch nào trong một hệ kín đều xảy ra theo cách làm cho entropy của hệ tăng lên ΔS≥ 0 (quá trình thuận nghịch) 2) ΔS≥ 0 (S= 0 cho khả năng đảo ngược và ΔS≥ 0 đối với quá trình không thể đảo ngược)

Trong các quá trình xảy ra trong một hệ kín, entropy không giảm.

2) Từ công thức Boltzmann S = , do đó, sự gia tăng entropy có nghĩa là sự chuyển đổi của hệ thống từ trạng thái ít có khả năng xảy ra hơn sang trạng thái có khả năng xảy ra cao hơn.

3) Theo Kelvin: không thể có một quá trình tuần hoàn, kết quả duy nhất của nó là sự biến đổi nhiệt nhận được từ lò sưởi thành công tương đương với nó.

4) Theo Clausius: không thể xảy ra một quá trình tuần hoàn, kết quả duy nhất của nó là sự truyền nhiệt từ vật ít nóng hơn sang vật nóng hơn.

Để mô tả các hệ t/d ở 0 K, định lý Nernst-Planck (định luật thứ ba của t/d) được sử dụng: entropy của mọi vật ở trạng thái cân bằng có xu hướng bằng 0 khi nhiệt độ tiến tới 0 K

Từ định lý Nernst-Planck nó tuân theo điều đóC p = C v = 0 tại 0 ĐẾN

§8 Máy nhiệt và làm lạnh.

Chu trình Carnot và hiệu suất của nó

Từ việc xây dựng định luật thứ hai của t/d theo Kelvin, ta suy ra rằng động cơ vĩnh cửu loại hai là không thể có. (Máy chuyển động vĩnh cửu là động cơ hoạt động định kỳ thực hiện công bằng cách làm mát một nguồn nhiệt.)

Máy điều nhiệt là một hệ thống t/d có thể trao đổi nhiệt với các vật thể mà không làm thay đổi nhiệt độ.

Nguyên lý hoạt động của động cơ nhiệt: từ bộ điều nhiệt có nhiệt độ T 1 - lò sưởi, lượng nhiệt được loại bỏ trong mỗi chu kỳQ 1 , và bộ điều nhiệt có nhiệt độ T 2 (T 2 < T 1) - đến tủ lạnh, lượng nhiệt được truyền trong mỗi chu kỳQ 2 , trong khi công việc được thực hiện MỘT = Q 1 - Q 2

Quá trình hoặc chu trình tuần hoàn là một quá trình trong đó một hệ thống trải qua một loạt các trạng thái sẽ trở về trạng thái ban đầu. Trong sơ đồ trạng thái, một chu trình được mô tả dưới dạng một đường cong khép kín. Chu trình được thực hiện bởi khí lý tưởng có thể chia thành quá trình giãn nở (1-2) và quá trình nén (2-1), công giãn nở là dương MỘT 1-2 > 0, vìV. 2 > V. 1 , công nén là âm MỘT 1-2 < 0, т.к. V. 2 < V. 1 . Do đó, công mà khí thực hiện trong mỗi chu kỳ được xác định bởi diện tích được bao phủ bởi đường cong kín 1-2-1. Nếu công dương được thực hiện trong một chu kỳ (chu kỳ theo chiều kim đồng hồ) thì chu trình đó được gọi là chu trình thuận, nếu là chu trình ngược (chu trình xảy ra theo hướng ngược chiều kim đồng hồ).

Chu kỳ trực tiếp dùng trong động cơ nhiệt - động cơ vận hành định kỳ thực hiện công bằng cách sử dụng nhiệt nhận được từ bên ngoài. Chu trình ngược được sử dụng trong các máy làm lạnh - các hệ thống lắp đặt vận hành định kỳ, trong đó, do tác dụng của ngoại lực, nhiệt được truyền đến vật thể có nhiệt độ cao hơn.

Kết quả của quá trình tuần hoàn là hệ trở về trạng thái ban đầu và do đó tổng độ biến thiên nội năng bằng không. Sau đóІ bắt đầu t/d cho quy trình tuần hoàn

Q= Δ bạn+ MỘT= MỘT,

Nghĩa là, công thực hiện trong mỗi chu kỳ bằng lượng nhiệt nhận được từ bên ngoài, nhưng

Q= Q 1 - Q 2

Q 1 - số lượng nhiệt mà hệ thống nhận được,

Q 2 - số lượng nhiệt lượng do hệ thống tỏa ra.

Hiệu suất nhiệtđối với một quá trình tuần hoàn bằng tỷ số giữa công do hệ thực hiện và lượng nhiệt cung cấp cho hệ:

Với η = 1, điều kiện phải được thỏa mãnQ 2 = 0, tức là Động cơ nhiệt phải có một nguồn nhiệtQ 1 , nhưng điều này mâu thuẫn với định luật thứ hai của t/d.

Quá trình ngược lại xảy ra trong động cơ nhiệt được sử dụng trong máy làm lạnh.

Từ bộ điều nhiệt với nhiệt độ T 2 lượng nhiệt được lấy điQ 2 và được truyền đến bộ điều nhiệt với nhiệt độT 1 , lượng nhiệtQ 1 .

Q= Q 2 - Q 1 < 0, следовательно MỘT< 0.

Nếu không thực hiện công thì không thể lấy nhiệt từ vật kém nóng hơn và truyền nhiệt cho vật nóng hơn.

Dựa vào định luật thứ hai của t/d, Carnot rút ra một định lý.

Định lý Carnot: từ tất cả các động cơ nhiệt hoạt động định kỳ có cùng nhiệt độ lò sưởi ( T 1) và tủ lạnh ( T 2), hiệu quả cao nhất. có máy đảo chiều. Hiệu quả máy có thể đảo ngược bằng nhau T 1 và T 2 bằng nhau và không phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng làm việc.

Cơ thể lao động là cơ thể thực hiện một quá trình tuần hoàn và trao đổi năng lượng với các cơ thể khác.

Chu trình Carnot là một chu trình thuận nghịch, tiết kiệm nhất, gồm 2 đường đẳng nhiệt và 2 đoạn nhiệt.

1-2 giãn nở đẳng nhiệt tại T 1 lò sưởi; nhiệt được cung cấp cho khíQ 1 và công việc đã xong

2-3 - đoạn nhiệt. sự giãn nở, khí hoạt độngMỘT 2-3 >0 phía trên các vật thể bên ngoài.

nén đẳng nhiệt 3-4 ở T 2 tủ lạnh; nhiệt được loại bỏQ 2 và công việc đã xong;

Nén đoạn nhiệt 4-1, công được thực hiện trên chất khí Tỷ số 4-1 <0 внешними телами.

Trong quá trình đẳng nhiệtbạn= const, vậy Q 1 = MỘT 12

1

Trong quá trình giãn nở đoạn nhiệtQ 2-3 = 0, và công khí MỘT 23 được thực hiện bằng năng lượng bên trong A 23 = - bạn

Lượng nhiệtQ 2 , do khí truyền vào tủ lạnh trong quá trình nén đẳng nhiệt bằng công nén MỘT 3-4

2

Công việc nén đoạn nhiệt

Công việc được thực hiện là kết quả của một quá trình tuần hoàn

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

và bằng diện tích đường cong 1-2-3-4-1.

Hiệu suất nhiệt Chu trình Carnot

Từ phương trình đoạn nhiệt cho các quá trình 2-3 và 3-4, chúng ta thu được

Sau đó

những thứ kia. hiệu quả Chu trình Carnot chỉ được xác định bởi nhiệt độ của lò sưởi và tủ lạnh. Để tăng hiệu quả cần tăng sự khác biệt T 1 - T 2 .

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

Trong hình minh họa bên trái: sự phản đối của những người bảo thủ Thiên chúa giáo chống lại định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Dòng chữ trên áp phích: chữ “entropy” bị gạch bỏ; “Tôi không chấp nhận các nguyên lý cơ bản của khoa học và bầu cử.”

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘ THỨ HAI VÀ CÁC CÂU HỎI SÁNG TẠO

Đầu những năm 2000, một nhóm người theo đạo Cơ đốc bảo thủ đã tập trung trên bậc thềm của Điện Capitol (Kansas, Hoa Kỳ) để yêu cầu bãi bỏ một nguyên tắc khoa học cơ bản - định luật thứ hai của nhiệt động lực học (xem ảnh bên trái). Lý do cho điều này là do họ tin chắc rằng định luật vật lý này mâu thuẫn với niềm tin của họ vào Đấng Tạo Hóa, vì nó dự đoán cái chết nhiệt của Vũ trụ. Những người hái lượm nói rằng họ không muốn sống trong một thế giới hướng tới một tương lai như vậy và dạy con cái họ điều này. Dẫn đầu chiến dịch chống lại định luật thứ hai của nhiệt động lực học không ai khác chính là thượng nghị sĩ bang Kansas, người tin rằng định luật này “đe dọa sự hiểu biết của con cái chúng ta về vũ trụ như một thế giới được tạo ra bởi một vị Chúa nhân từ và yêu thương”.

Thật là nghịch lý, nhưng cũng tại Hoa Kỳ, một phong trào Cơ đốc giáo khác - những người theo chủ nghĩa sáng tạo, do Duane Gish, chủ tịch Viện Nghiên cứu Sáng tạo - dẫn đầu - ngược lại, không chỉ coi định luật thứ hai của nhiệt động lực học là khoa học mà còn nhiệt tình kêu gọi nó chứng minh rằng thế giới được tạo ra bởi Thiên Chúa. Một trong những lập luận chính của họ là sự sống không thể nảy sinh một cách tự nhiên, vì mọi thứ xung quanh đều có xu hướng tự hủy diệt hơn là sáng tạo.

Trước sự mâu thuẫn nổi bật như vậy giữa hai phong trào Cơ đốc giáo này, một câu hỏi hợp lý được đặt ra - phong trào nào đúng? Và có ai đúng không?

Trong bài viết này chúng ta sẽ xem xét nơi nào có thể và nơi nào không thể áp dụng định luật nhiệt động thứ hai và nó liên quan như thế nào đến các vấn đề đức tin vào Đấng Tạo Hóa.

ĐỊNH LUẬT THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG LÀ GÌ

Nhiệt động lực học là một nhánh của vật lý nghiên cứu mối quan hệ và sự biến đổi của nhiệt và các dạng năng lượng khác. Nó dựa trên một số nguyên tắc cơ bản được gọi là nguyên lý (đôi khi là các định luật) của nhiệt động lực học. Trong số đó, nổi tiếng nhất có lẽ là nguyên tắc thứ hai.

Nếu chúng ta đưa ra một cái nhìn tổng quan ngắn gọn về tất cả các nguyên lý của nhiệt động lực học, thì chúng ta tóm tắt chúng như sau: Sự khởi đầu đầu tiênđại diện cho định luật bảo toàn năng lượng khi áp dụng cho các hệ nhiệt động. Bản chất của nó là nhiệt lượng là một dạng năng lượng đặc biệt và phải được tính đến trong định luật bảo toàn và biến đổi năng lượng. Sự khởi đầu thứ haiáp đặt các hạn chế về hướng của các quá trình nhiệt động, cấm sự truyền nhiệt tự phát từ vật thể ít nóng hơn sang vật thể nóng hơn. Từ đó cũng suy ra rằng không thể chuyển nhiệt thành công với hiệu suất một trăm phần trăm (tổn thất ra môi trường là không thể tránh khỏi). Nó khiến cho việc tạo ra một cỗ máy chuyển động vĩnh viễn dựa trên điều này là không thể. Sự khởi đầu thứ ba tuyên bố rằng không thể đưa nhiệt độ của bất kỳ cơ thể vật chất nào về độ không tuyệt đối trong một thời gian hữu hạn, nghĩa là không thể đạt được độ không tuyệt đối. Bắt đầu bằng 0 (hoặc phổ biến)đôi khi được gọi là nguyên lý theo đó một hệ cô lập, bất kể trạng thái ban đầu, cuối cùng sẽ đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt động và không thể tự rời bỏ nó. Cân bằng nhiệt động là trạng thái không có sự truyền nhiệt từ phần này sang phần khác của hệ. (Định nghĩa của một hệ cô lập được đưa ra dưới đây.)

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học, ngoài định luật nêu trên, còn có các công thức khác. Tất cả các cuộc tranh luận về sự sáng tạo mà chúng tôi đề cập đều xoay quanh một trong số đó. Công thức này liên quan đến khái niệm entropy mà chúng ta sẽ phải làm quen.

Entropy(theo một định nghĩa) là dấu hiệu của sự hỗn loạn hoặc hỗn loạn của một hệ thống. Nói một cách đơn giản, một hệ thống càng hỗn loạn thì entropy của nó càng cao. Đối với các hệ nhiệt động, entropy càng cao thì chuyển động của các hạt vật chất tạo nên hệ (ví dụ: phân tử) càng hỗn loạn.

Theo thời gian, các nhà khoa học nhận ra rằng entropy là một khái niệm rộng hơn và không chỉ có thể áp dụng cho các hệ nhiệt động lực học. Nhìn chung, bất kỳ hệ thống nào cũng có một mức độ hỗn loạn nhất định, có thể thay đổi - tăng hoặc giảm. Trong trường hợp này, nói về entropy là thích hợp. Dưới đây là một số ví dụ:

· Một ly nước. Nếu nước đóng băng và biến thành băng thì các phân tử của nó được kết nối thành mạng tinh thể. Điều này tương ứng với trật tự lớn hơn (ít entropy hơn) so với trạng thái khi nước tan chảy và các phân tử chuyển động ngẫu nhiên. Tuy nhiên, sau khi tan chảy, nước vẫn giữ được một số dạng - tấm kính chứa nó. Nếu nước bay hơi, các phân tử thậm chí còn chuyển động mạnh hơn và chiếm toàn bộ thể tích cung cấp cho chúng, chuyển động càng hỗn loạn hơn. Do đó, entropy còn tăng nhiều hơn nữa.

· Hệ mặt trời. Bạn cũng có thể quan sát cả trật tự và sự hỗn loạn trong đó. Các hành tinh chuyển động trên quỹ đạo của chúng với độ chính xác cao đến mức các nhà thiên văn học có thể dự đoán vị trí của chúng tại bất kỳ thời điểm nào trước hàng nghìn năm. Tuy nhiên, có một số vành đai tiểu hành tinh trong hệ mặt trời di chuyển hỗn loạn hơn - chúng va chạm, vỡ ra và đôi khi rơi xuống các hành tinh khác. Theo các nhà vũ trụ học, ban đầu toàn bộ hệ mặt trời (trừ Mặt trời) chứa đầy những tiểu hành tinh như vậy, từ đó các hành tinh rắn sau này được hình thành, và những tiểu hành tinh này thậm chí còn di chuyển hỗn loạn hơn bây giờ. Nếu điều này là đúng thì entropy của hệ mặt trời (trừ chính Mặt trời) ban đầu cao hơn.

· Thiên hà. Thiên hà được tạo thành từ các ngôi sao chuyển động xung quanh trung tâm của nó. Nhưng ngay cả ở đây cũng có một mức độ hỗn loạn nhất định: các ngôi sao đôi khi va chạm, thay đổi hướng chuyển động và do ảnh hưởng lẫn nhau, quỹ đạo của chúng không lý tưởng, thay đổi theo cách hơi hỗn loạn. Vì vậy, trong hệ thống này entropy không bằng không.

· Phòng trẻ em. Những người có con nhỏ thường quan sát sự gia tăng entropy bằng chính mắt mình. Sau khi họ dọn dẹp xong, căn hộ đã có trật tự tương đối. Tuy nhiên, một vài giờ (và đôi khi ít hơn) của một hoặc hai đứa trẻ ở đó trong trạng thái tỉnh táo là đủ để entropy của căn hộ này tăng lên đáng kể...

Nếu ví dụ cuối cùng khiến bạn mỉm cười thì rất có thể bạn đã hiểu entropy là gì.

Quay trở lại định luật thứ hai của nhiệt động lực học, chúng ta hãy nhớ rằng, như chúng ta đã nói, nó có một công thức khác gắn liền với khái niệm entropy. Nghe có vẻ như thế này: trong một hệ cô lập, entropy không thể giảm. Nói cách khác, trong bất kỳ hệ thống nào bị cắt đứt hoàn toàn với thế giới xung quanh, tình trạng hỗn loạn không thể giảm bớt một cách tự nhiên: nó chỉ có thể tăng lên hoặc, trong những trường hợp cực đoan, vẫn giữ nguyên ở mức độ cũ.

Nếu bạn đặt một viên đá vào một căn phòng ấm áp và khóa kín, nó sẽ tan chảy sau một thời gian. Tuy nhiên, vũng nước trong căn phòng này sẽ không bao giờ tự vỡ thành khối băng. Mở một chai nước hoa ở đó và mùi sẽ lan khắp phòng. Nhưng không có gì có thể khiến nó quay trở lại chai. Thắp một ngọn nến ở đó và nó sẽ cháy, nhưng không gì có thể khiến khói biến thành ngọn nến. Tất cả các quá trình này được đặc trưng bởi tính định hướng và không thể đảo ngược. Lý do cho tính không thể đảo ngược của các quá trình xảy ra không chỉ trong căn phòng này, mà trên toàn bộ Vũ trụ nằm chính xác ở định luật thứ hai của nhiệt động lực học.

ĐỊNH LUẬT THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG ÁP DỤNG CHO NHỮNG GÌ?

Tuy nhiên, định luật này, với tất cả sự đơn giản rõ ràng của nó, lại là một trong những định luật khó nhất và thường bị hiểu sai trong vật lý cổ điển. Thực tế là trong công thức của nó có một từ đôi khi không được chú ý đầy đủ - đó là từ “cô lập”. Theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, entropy (hỗn loạn) không thể chỉ giảm trong các hệ cô lập. Đây là luật. Tuy nhiên, trong các hệ thống khác, điều này không còn là quy luật nữa và entropy trong chúng có thể tăng hoặc giảm.

Một hệ thống cô lập là gì? Chúng ta hãy xem những loại hệ thống nào thường tồn tại theo quan điểm nhiệt động lực học:

· Mở.Đây là những hệ thống trao đổi vật chất (và có thể cả năng lượng) với thế giới bên ngoài. Ví dụ: ô tô (tiêu thụ xăng, không khí, sinh nhiệt).

· Đã đóng cửa.Đây là những hệ thống không trao đổi vật chất với thế giới bên ngoài nhưng có thể trao đổi năng lượng với thế giới bên ngoài. Ví dụ: tàu vũ trụ (được niêm phong nhưng hấp thụ năng lượng mặt trời bằng các tấm pin mặt trời).

· Bị cô lập (đóng cửa).Đây là những hệ thống không trao đổi vật chất hoặc năng lượng với thế giới bên ngoài. Ví dụ: bình giữ nhiệt (niêm phong và giữ nhiệt).

Như chúng tôi đã lưu ý, định luật thứ hai của nhiệt động lực học chỉ áp dụng cho loại hệ thứ ba trong số các loại hệ thống được liệt kê.

Để minh họa, chúng ta hãy nhớ lại một hệ thống bao gồm một căn phòng ấm có khóa và một tảng băng tan chảy khi ở trong đó. Trong trường hợp lý tưởng, điều này tương ứng với một hệ cô lập và entropy của nó tăng lên. Tuy nhiên, bây giờ hãy tưởng tượng rằng bên ngoài trời rất lạnh và chúng tôi đã mở cửa sổ. Hệ thống trở nên mở: không khí lạnh bắt đầu tràn vào phòng, nhiệt độ trong phòng giảm xuống dưới 0, và tảng băng của chúng tôi, vốn trước đó đã biến thành vũng nước, lại đóng băng.

Trong đời thực, một căn phòng khóa kín không phải là một hệ thống cách nhiệt, vì trên thực tế, kính và thậm chí cả gạch cho phép nhiệt truyền qua. Và nhiệt, như chúng tôi đã lưu ý ở trên, cũng là một dạng năng lượng. Vì vậy, phòng khóa thực chất không phải là phòng biệt lập mà là một hệ thống khép kín. Ngay cả khi chúng ta bịt chặt tất cả các cửa sổ và cửa ra vào, hơi nóng vẫn sẽ dần rời khỏi phòng, nó sẽ đóng băng và vũng nước của chúng ta cũng sẽ biến thành băng.

Một ví dụ tương tự khác là một căn phòng có tủ đông. Khi tủ đông tắt, nhiệt độ của tủ vẫn bằng nhiệt độ phòng. Nhưng ngay khi bạn bật nó lên, nó sẽ bắt đầu nguội và entropy của hệ sẽ bắt đầu giảm. Điều này trở nên khả thi vì một hệ thống như vậy đã trở nên khép kín, nghĩa là nó tiêu thụ năng lượng từ môi trường (trong trường hợp này là điện).

Đáng chú ý là trong trường hợp đầu tiên (một căn phòng có một tảng băng), hệ thống đã giải phóng năng lượng ra môi trường, và trong trường hợp thứ hai (một căn phòng có tủ đông), ngược lại, nó nhận được năng lượng đó. Tuy nhiên, entropy của cả hai hệ thống đều giảm. Điều này có nghĩa là để định luật thứ hai của nhiệt động lực học không còn đóng vai trò như một định luật bất biến, trong trường hợp tổng quát, điều quan trọng không phải là hướng truyền năng lượng mà là sự hiện diện của chính sự chuyển giao đó giữa hệ thống và thế giới bên ngoài.

VÍ DỤ VỀ SỰ GIẢM ENtropy TRONG THIÊN NHIÊN KHÔNG SỐNG. Các ví dụ về các hệ thống được thảo luận ở trên được tạo ra bởi con người. Có ví dụ nào về việc giảm entropy trong bản chất vô tri mà không có sự tham gia của tâm trí không? Vâng, bao nhiêu tùy thích.

	Những bông tuyết. Trong quá trình hình thành, các phân tử hơi nước chuyển động hỗn loạn kết hợp thành một tinh thể có trật tự. Trong trường hợp này, quá trình làm mát xảy ra, nghĩa là năng lượng được giải phóng ra môi trường và các nguyên tử chiếm vị trí thuận lợi hơn về mặt năng lượng cho chúng. Mạng tinh thể của bông tuyết tương ứng với trật tự lớn hơn các phân tử hơi chuyển động hỗn loạn.
	Tinh thể muối. Quá trình tương tự cũng được quan sát thấy trong một trải nghiệm mà nhiều người có thể còn nhớ từ thời đi học. Một sợi chỉ được thả vào cốc chứa dung dịch muối đậm đặc (ví dụ: muối ăn hoặc đồng sunfat), và ngay sau đó các phân tử muối hòa tan hỗn loạn tạo thành những hình thù đẹp mắt có hình dạng kỳ quái.
	Fulgurit. Fulgurite là một hình dạng được hình thành từ cát khi sét đánh xuống mặt đất. Trong quá trình này, năng lượng (dòng điện sét) được hấp thụ, dẫn đến sự tan chảy của cát, sau đó đông cứng lại thành một hình rắn, tương ứng với trật tự lớn hơn so với cát phân tán hỗn loạn.
	Bèo tấm trên ao. Thông thường, bèo tấm mọc trên mặt ao, nếu có đủ sẽ có xu hướng chiếm toàn bộ diện tích ao. Cố gắng dùng tay đẩy bèo tấm ra và trong một phút nó sẽ trở lại vị trí ban đầu. Tuy nhiên, khi gió thổi (đôi khi khó nhận biết được), bèo tấm sẽ tích tụ ở một phần ao và ở đó ở trạng thái “bị nén”. Entropy giảm do hấp thụ năng lượng gió.
	Sự hình thành các hợp chất chứa nitơ. Hàng năm, có khoảng 16 triệu cơn giông xảy ra trong bầu khí quyển toàn cầu, trong mỗi trận có hàng chục, hàng trăm vụ sét đánh. Trong quá trình sét đánh, các thành phần đơn giản của khí quyển - nitơ, oxy và độ ẩm - được hình thành thành các hợp chất nitơ phức tạp hơn cần thiết cho sự phát triển của thực vật. Sự giảm entropy trong trường hợp này xảy ra do sự hấp thụ năng lượng của các tia sét điện.
	Phản ứng của Butlerov Quá trình hóa học này còn được gọi là tổng hợp tự xúc tác. Trong đó, các phân tử đường có cấu trúc phức tạp trong một môi trường nhất định tự phát triển, tạo ra loại riêng theo cấp số nhân. Điều này là do tính chất hóa học của các phân tử như vậy. Sự sắp xếp cấu trúc hóa học và do đó làm giảm sự hỗn loạn trong phản ứng Butlerov cũng xảy ra do sự trao đổi năng lượng với môi trường.
	Núi lửa. Các phân tử magma chuyển động hỗn loạn, vỡ ra khỏi bề mặt, đông cứng lại thành mạng tinh thể và tạo thành những ngọn núi lửa và đá có hình dạng phức tạp. Nếu coi magma là một hệ nhiệt động thì entropy của nó giảm do sự giải phóng năng lượng nhiệt vào môi trường.
	Sự hình thành ôzôn. Trạng thái thuận lợi nhất về mặt năng lượng cho các phân tử oxy là O 2. Tuy nhiên, dưới tác động của bức xạ cứng của vũ trụ, một số lượng lớn phân tử được chuyển đổi thành ozone (O 3) và có thể tồn tại trong đó khá lâu. Quá trình này tiếp tục liên tục miễn là có oxy tự do trong bầu khí quyển trái đất.
	Lỗ trên cát. Mọi người đều biết nước sông của chúng ta bẩn đến mức nào: nó chứa rác, tảo và những thứ tương tự, và tất cả đều bị trộn lẫn. Nhưng cạnh bờ có một lỗ nhỏ trên cát, nước không đổ vào mà thấm qua. Đồng thời, nó được lọc: nước bị ô nhiễm đồng đều được chia thành nước sạch và thậm chí còn bẩn hơn. Entropy rõ ràng giảm, và điều này xảy ra do lực hấp dẫn, do sự chênh lệch về mức độ, buộc nước thấm từ sông vào lỗ.
	Vũng nước. Vâng, vâng, một vũng nước đơn giản còn sót lại sau cơn mưa cũng chứng tỏ rằng entropy có thể giảm một cách tự phát! Theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, nhiệt không thể tự truyền từ vật ít nóng hơn sang vật nóng hơn. Tuy nhiên, nhiệt độ của nước trong vũng nước luôn được giữ thấp hơn vài độ so với nhiệt độ của đất và không khí xung quanh (bạn có thể kiểm tra điều này ở nhà bằng một đĩa nước và nhiệt kế; một máy đo độ ẩm, bao gồm một cốc khô và một cốc đo nhiệt độ). nhiệt kế ướt, cũng dựa trên nguyên tắc này). Tại sao? Bởi vì vũng nước bay hơi, với các phân tử nhanh hơn tách ra khỏi bề mặt của nó và bay hơi, trong khi những phân tử chậm hơn vẫn ở lại. Vì nhiệt độ có liên quan đến tốc độ chuyển động của phân tử nên vũng nước liên tục tự làm mát so với môi trường ấm hơn. Do đó, vũng nước là một hệ mở, vì nó không chỉ trao đổi năng lượng mà còn cả vật chất với môi trường, và các quá trình trong đó rõ ràng diễn ra theo hướng ngược lại với hướng được chỉ ra bởi định luật nhiệt động thứ hai.

Nếu bạn thông minh và dành một chút thời gian, bạn có thể ghi nhớ và viết ra hàng nghìn ví dụ tương tự. Điều quan trọng cần lưu ý là trong nhiều trường hợp được liệt kê, việc giảm entropy không phải là một tai nạn cá biệt mà là một mô hình - xu hướng đó vốn có trong chính việc xây dựng các hệ thống như vậy. Do đó, nó xảy ra mỗi khi những điều kiện thích hợp xuất hiện và có thể tiếp tục trong một thời gian rất dài - miễn là những điều kiện này còn tồn tại. Tất cả những ví dụ này không yêu cầu sự hiện diện của các cơ chế phức tạp làm giảm entropy cũng như không cần sự can thiệp của trí óc.

Tất nhiên, nếu hệ thống không bị cô lập thì entropy trong nó không nhất thiết phải giảm đi. Đúng hơn, ngược lại, đó là sự gia tăng entropy, tức là sự gia tăng hỗn loạn, xảy ra một cách tự phát thường xuyên hơn. Trong mọi trường hợp, chúng ta đã quen với thực tế là bất kỳ thứ gì không được giám sát hoặc chăm sóc, theo quy luật, sẽ xuống cấp và trở nên không sử dụng được thay vì được cải thiện. Thậm chí có thể nói rằng đây là một tính chất cơ bản nhất định của thế giới vật chất - mong muốn suy thoái tự phát, xu hướng chung là tăng entropy.

Tuy nhiên, phụ đề này đã chỉ ra rằng xu hướng chung này chỉ là quy luật trong các hệ thống biệt lập. Trong các hệ thống khác, việc tăng entropy không phải là một quy luật - mọi thứ phụ thuộc vào đặc tính của một hệ thống cụ thể và các điều kiện mà nó nằm trong đó. Định luật thứ hai của nhiệt động lực học không thể áp dụng cho chúng theo định nghĩa. Ngay cả khi entropy tăng ở một trong các hệ mở hoặc hệ kín, thì đây không phải là sự đáp ứng định luật thứ hai của nhiệt động lực học, mà chỉ là biểu hiện của xu hướng chung là tăng entropy, đặc trưng của toàn bộ thế giới vật chất, nhưng là còn lâu mới tuyệt đối.

ĐỊNH LUẬT THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG VÀ VŨ TRỤ CỦA CHÚNG TA

Khi một người quan sát nhiệt tình nhìn vào bầu trời đầy sao, cũng như khi một nhà thiên văn học có kinh nghiệm nhìn nó qua kính viễn vọng, cả hai đều có thể quan sát không chỉ vẻ đẹp của nó mà còn cả trật tự đáng kinh ngạc ngự trị trong thế giới vĩ mô này.

Tuy nhiên, liệu trật tự này có thể được sử dụng để chứng minh rằng Chúa đã tạo ra vũ trụ? Liệu có đúng không khi sử dụng dòng lý luận này: vì Vũ trụ không rơi vào tình trạng hỗn loạn theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, điều này có chứng tỏ rằng nó được điều khiển bởi Chúa không?

Có lẽ bạn đã quen với việc nghĩ rằng có. Nhưng trên thực tế, trái ngược với niềm tin phổ biến, không. Chính xác hơn, về vấn đề này, có thể và cần thiết phải sử dụng những bằng chứng hơi khác một chút, nhưng không phải định luật thứ hai của nhiệt động lực học.

Trước hết, người ta vẫn chưa chứng minh được Vũ trụ là một hệ cô lập. Tất nhiên, mặc dù điều ngược lại chưa được chứng minh, tuy nhiên, vẫn chưa thể khẳng định một cách dứt khoát rằng định luật thứ hai của nhiệt động lực học có thể được áp dụng cho nó nói chung.

Nhưng giả sử rằng sự cô lập của Vũ trụ như một hệ thống sẽ được chứng minh trong tương lai (điều này hoàn toàn có thể xảy ra). Vậy thì sao?

Thứ hai, định luật thứ hai của nhiệt động lực học không nói chính xác điều gì sẽ ngự trị trong một hệ thống cụ thể - trật tự hay hỗn loạn. Định luật thứ hai cho biết trật tự hoặc sự hỗn loạn này sẽ thay đổi theo hướng nào - trong một hệ cô lập, sự hỗn loạn sẽ gia tăng. Và trật tự trong Vũ trụ thay đổi theo hướng nào? Nếu chúng ta nói về Vũ trụ nói chung, thì sự hỗn loạn trong đó đang gia tăng (cũng như entropy). Điều quan trọng ở đây là không nhầm lẫn Vũ trụ với từng ngôi sao, thiên hà hoặc cụm của chúng. Các thiên hà riêng lẻ (như Dải Ngân hà của chúng ta) có thể có cấu trúc rất ổn định và dường như không bị phân hủy trong nhiều triệu năm. Nhưng chúng không phải là những hệ cô lập: chúng liên tục tỏa năng lượng (như ánh sáng và nhiệt) vào không gian xung quanh. Các ngôi sao cháy hết và liên tục phát ra vật chất (“gió mặt trời”) vào không gian giữa các vì sao. Nhờ đó, một quá trình biến đổi liên tục vật chất có cấu trúc của các ngôi sao và thiên hà thành năng lượng và khí phân tán hỗn loạn xảy ra trong Vũ trụ. Đây là gì nếu không phải là sự gia tăng entropy?

Tất nhiên, những quá trình thoái hóa này diễn ra với tốc độ rất chậm nên chúng ta dường như không cảm nhận được chúng. Nhưng nếu chúng ta có thể quan sát chúng với tốc độ rất nhanh - chẳng hạn nhanh hơn một nghìn tỷ lần, thì một bức tranh rất ấn tượng về sự ra đời và cái chết của các ngôi sao sẽ hiện ra trước mắt chúng ta. Điều đáng nhớ là thế hệ sao đầu tiên tồn tại kể từ khi Vũ trụ bắt đầu hình thành đã chết. Theo các nhà vũ trụ học, hành tinh của chúng ta bao gồm những tàn tích còn sót lại của sự tồn tại và bùng nổ của một ngôi sao đã từng cháy rụi; Kết quả của những vụ nổ như vậy là tất cả các nguyên tố hóa học nặng đều được hình thành.

Do đó, nếu chúng ta coi Vũ trụ là một hệ cô lập, thì định luật thứ hai của nhiệt động lực học nói chung được thỏa mãn trong đó, cả trong quá khứ và ngày nay. Đây là một trong những định luật do Chúa thiết lập và do đó nó hoạt động trong Vũ trụ giống như các định luật vật lý khác.

Bất chấp những gì đã nói ở trên, có rất nhiều điều đáng kinh ngạc trong Vũ trụ gắn liền với trật tự ngự trị trong đó, nhưng đó không phải do định luật thứ hai của nhiệt động lực học mà do những lý do khác.

Do đó, tạp chí Newsweek (số ra ngày 09 tháng 11 năm 1998) đã xem xét những khám phá về sự hình thành của Vũ trụ đưa chúng ta đến những kết luận nào. Nó nói rằng các sự thật "cho thấy nguồn gốc của năng lượng và chuyển động ex nihilo, nghĩa là từ hư không, bởi một vụ nổ khổng lồ của ánh sáng và năng lượng, tương ứng với mô tả của [sách Kinh thánh] Genesis." Hãy chú ý cách tạp chí Newsweek giải thích sự tương đồng giữa sự ra đời của Vũ trụ với mô tả trong Kinh thánh về sự kiện này.

Tạp chí này viết: “Các lực được giải phóng đã - và vẫn - cân bằng một cách đáng ngạc nhiên (một cách kỳ diệu?): nếu Vụ nổ lớn ít dữ dội hơn một chút, thì sự giãn nở của Vũ trụ sẽ diễn ra chậm hơn, và chẳng bao lâu nữa (trong vài triệu năm nữa). hoặc trong vài phút nữa - trong mọi trường hợp sẽ sớm thôi) quá trình sẽ đảo ngược và sự cố sẽ xảy ra. Nếu vụ nổ mạnh hơn một chút, Vũ trụ có thể biến thành một loại “nước dùng lỏng” quá loãng và việc hình thành các ngôi sao là không thể. Cơ hội tồn tại của chúng ta thực sự rất nhỏ về mặt thiên văn. Tỷ lệ vật chất và năng lượng trên thể tích không gian tại Vụ nổ lớn lẽ ra phải duy trì trong khoảng một phần triệu triệu của một phần trăm tỷ lệ lý tưởng.”

Newsweek cho rằng có Ai đó kiểm soát sự hình thành của Vũ trụ, người biết rằng: “Lấy đi dù chỉ một độ (như đã đề cập ở trên, sai số là một phần triệu tỷ của một phần trăm), ... và kết quả sẽ không chỉ là sự bất hòa , mà là entropy vĩnh cửu và băng."

Nhà vật lý thiên văn Alan Lightman thừa nhận: “Việc Vũ trụ được tạo ra có tổ chức cao đến vậy là một điều bí ẩn [đối với các nhà khoa học]”. Ông nói thêm rằng “bất kỳ lý thuyết vũ trụ nào mong muốn thành công cuối cùng sẽ phải giải thích được bí ẩn entropy này”: tại sao vũ trụ không rơi vào hỗn loạn. Rõ ràng, xác suất phát triển chính xác của các sự kiện thấp như vậy không thể là một tai nạn. (Trích trong Tỉnh Thức!, 22/6/99, trang 7.)

ĐỊNH LUẬT NHIỆT ĐỘ THỨ HAI VÀ NGUỒN GỐC CỦA SỰ SỐNG

Như đã lưu ý ở trên, các lý thuyết rất phổ biến trong giới sáng tạo cho rằng định luật thứ hai của nhiệt động lực học chứng minh rằng sự sống không thể xuất hiện một cách tự phát từ vật chất vô tri. Trở lại cuối những năm 1970 - đầu những năm 1980, Viện Nghiên cứu Sáng tạo đã xuất bản một cuốn sách về chủ đề này và thậm chí đã cố gắng trao đổi thư từ với Viện Hàn lâm Khoa học Liên Xô về vấn đề này (việc trao đổi thư từ không thành công).

Tuy nhiên, như chúng ta đã thấy ở trên, định luật nhiệt động thứ hai chỉ áp dụng được trong các hệ cô lập. Tuy nhiên, Trái đất không phải là một hệ thống biệt lập, vì nó liên tục nhận năng lượng từ Mặt trời và ngược lại, giải phóng nó vào không gian. Và một sinh vật sống (thậm chí, ví dụ, một tế bào sống), ngoài ra còn trao đổi với môi trường và vật chất. Do đó, định luật thứ hai của nhiệt động lực học không áp dụng cho vấn đề này theo định nghĩa.

Ở trên cũng đã đề cập rằng thế giới vật chất được đặc trưng bởi một xu hướng chung nhất định là tăng entropy, do đó mọi thứ thường bị phá hủy và hỗn loạn hơn là được tạo ra. Tuy nhiên, như chúng tôi đã lưu ý, đó không phải là luật. Hơn nữa, nếu chúng ta thoát khỏi thế giới vĩ mô quen thuộc và lao vào thế giới vi mô - thế giới của các nguyên tử và phân tử (và chính từ đây mà sự sống được cho là bắt đầu), thì chúng ta sẽ thấy việc đảo ngược sẽ dễ dàng hơn nhiều. các quá trình tăng entropy trong đó. Đôi khi một ảnh hưởng mù quáng, không kiểm soát được cũng đủ để entropy của hệ bắt đầu giảm. Hành tinh của chúng ta chắc chắn có đầy những ví dụ về những ảnh hưởng như vậy: bức xạ mặt trời trong khí quyển, sức nóng núi lửa dưới đáy đại dương, gió trên bề mặt trái đất, v.v. Và kết quả là, nhiều quá trình diễn ra theo hướng ngược lại, “bất lợi” cho chúng hoặc hướng ngược lại trở nên “có lợi” cho chúng (ví dụ, xem phần phụ đề ở trên “Ví dụ về việc giảm entropy trong bản chất vô tri”). Do đó, ngay cả xu hướng chung của chúng ta hướng tới việc tăng entropy cũng không thể áp dụng được cho sự xuất hiện của sự sống như một loại quy luật tuyệt đối nào đó: có quá nhiều ngoại lệ đối với nó.

Tất nhiên, điều này không có nghĩa là vì định luật thứ hai của nhiệt động lực học không cấm sự sống phát sinh một cách tự phát nên sự sống có thể tự phát sinh. Có nhiều điều khác khiến cho quá trình như vậy không thể hoặc cực kỳ khó xảy ra, nhưng chúng không còn liên quan đến nhiệt động lực học và định luật thứ hai của nó nữa.

Ví dụ, các nhà khoa học đã thu được một số loại axit amin trong điều kiện nhân tạo, mô phỏng các điều kiện giả định của bầu khí quyển sơ cấp của Trái đất. Axit amin là một loại khối xây dựng của sự sống: trong các sinh vật sống, chúng được sử dụng để tạo ra protein (protein). Tuy nhiên, các protein cần thiết cho sự sống bao gồm hàng trăm, đôi khi hàng nghìn axit amin, được kết nối theo một trình tự chặt chẽ và được sắp xếp theo cách đặc biệt theo hình dạng đặc biệt (xem hình bên phải). Nếu bạn kết hợp các axit amin theo thứ tự ngẫu nhiên thì xác suất tạo ra chỉ một loại protein chức năng tương đối đơn giản sẽ không đáng kể - nhỏ đến mức sự kiện này sẽ không bao giờ xảy ra. Giả sử sự xuất hiện ngẫu nhiên của chúng gần giống như việc tìm thấy một số viên đá giống như gạch trên núi và khẳng định rằng một ngôi nhà bằng đá đứng gần đó được hình thành từ chính những viên đá đó một cách ngẫu nhiên dưới tác động của các quá trình tự nhiên.

Mặt khác, để tồn tại sự sống, chỉ riêng protein thôi là chưa đủ: không cần phải có các phân tử DNA và RNA kém phức tạp hơn, sự xuất hiện ngẫu nhiên của chúng cũng đáng kinh ngạc. DNA về cơ bản là một kho chứa thông tin có cấu trúc khổng lồ cần thiết để tạo ra protein. Nó được phục vụ bởi toàn bộ phức hợp protein và RNA, chúng sao chép và sửa thông tin này và sử dụng nó “cho mục đích sản xuất”. Tất cả điều này là một hệ thống duy nhất, các thành phần riêng lẻ của nó không có ý nghĩa gì và không có thành phần nào có thể bị loại bỏ khỏi nó. Người ta chỉ cần bắt đầu nghiên cứu sâu hơn về cấu trúc của hệ thống này và các nguyên tắc hoạt động của nó để hiểu rằng Nhà thiết kế xuất sắc đã làm việc để tạo ra nó.

ĐỊNH LUẬT THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG VÀ NIỀM TIN VÀO ĐẤNG SÁNG TẠO

Định luật thứ hai của nhiệt động lực học có tương thích với niềm tin vào Đấng Tạo Hóa nói chung không? Không chỉ với việc anh ấy tồn tại, mà còn với việc anh ấy đã tạo ra Vũ trụ và sự sống trên Trái đất (Sáng thế ký 1:1–27; Khải huyền 4:11); rằng ông đã hứa rằng Trái đất sẽ tồn tại mãi mãi (Thi Thiên 103:5), có nghĩa là cả Mặt trời và Vũ trụ sẽ tồn tại vĩnh cửu ở dạng này hay dạng khác; rằng con người sẽ sống mãi mãi trên thiên đường dưới đất và sẽ không bao giờ chết (Thi-thiên 36:29; Ma-thi-ơ 25:46; Khải huyền 21:3, 4)?

Chúng ta có thể nói một cách an toàn rằng niềm tin vào định luật thứ hai của nhiệt động lực học hoàn toàn tương thích với niềm tin vào Đấng Tạo Hóa và những lời hứa của Ngài. Và lý do cho điều này nằm ở cách phát biểu định luật này: “trong một hệ cô lập, entropy không thể giảm”. Bất kỳ hệ thống biệt lập nào cũng chỉ bị cô lập khi không có ai can thiệp vào công việc của nó, kể cả Đấng Tạo Hóa. Nhưng ngay khi anh ta can thiệp và hướng một phần lực vô tận của mình lên nó, hệ sẽ không còn bị cô lập và định luật thứ hai của nhiệt động lực học sẽ không còn tác dụng trong đó. Điều tương tự cũng có thể nói về xu hướng chung hơn là tăng entropy mà chúng ta đã thảo luận ở trên. Đúng vậy, hiển nhiên là hầu hết mọi thứ tồn tại xung quanh chúng ta - từ nguyên tử đến Vũ trụ - đều có xu hướng hủy diệt và suy thoái theo thời gian. Nhưng Đấng Tạo Hóa có đủ sức mạnh và sự khôn ngoan cần thiết để ngăn chặn mọi quá trình suy thoái và thậm chí đảo ngược chúng khi Ngài thấy cần thiết.

Người ta thường cho rằng những quá trình nào khiến cuộc sống vĩnh cửu không thể xảy ra?

· Trong vài tỷ năm nữa, Mặt trời sẽ tắt.Điều này sẽ xảy ra nếu Đấng Tạo Hóa chưa bao giờ can thiệp vào công việc của mình. Tuy nhiên, ông là Đấng tạo ra vũ trụ và có nguồn năng lượng khổng lồ, đủ để giữ cho Mặt trời cháy mãi. Ví dụ, bằng cách tiêu hao năng lượng, nó có thể đảo ngược các phản ứng hạt nhân xảy ra trên Mặt trời, như thể tiếp nhiên liệu cho nó trong vài tỷ năm nữa, đồng thời bổ sung lượng vật chất mà Mặt trời mất đi dưới dạng gió mặt trời.

· Sớm hay muộn, Trái đất sẽ va chạm với một tiểu hành tinh hoặc lỗ đen. Dù xác suất của điều này có nhỏ đến đâu thì nó vẫn tồn tại, điều đó có nghĩa là trong suốt thời gian vĩnh cửu, nó chắc chắn sẽ trở thành hiện thực. Tuy nhiên, Chúa có thể sử dụng sức mạnh của mình để bảo vệ Trái đất khỏi mọi tổn hại trước, chỉ bằng cách ngăn chặn những vật thể nguy hiểm đó tiếp cận hành tinh của chúng ta.

· Mặt trăng sẽ bay khỏi Trái đất và trái đất sẽ trở nên không thể ở được. Mặt trăng ổn định độ nghiêng của trục Trái đất, nhờ đó khí hậu trên đó được duy trì ít nhiều không đổi. Mặt trăng đang dần di chuyển ra khỏi Trái đất, do đó trong tương lai độ nghiêng của trục của nó có thể thay đổi và khí hậu có thể trở nên khó chịu. Nhưng tất nhiên, Chúa có quyền năng cần thiết để ngăn chặn những thay đổi tai hại như vậy và giữ Mặt trăng trong quỹ đạo của nó ở nơi Ngài thấy phù hợp.

Không còn nghi ngờ gì nữa, mọi thứ trong thế giới vật chất đều có xu hướng già đi, xuống cấp và tan vỡ. Nhưng chúng ta phải nhớ rằng chính Thiên Chúa đã tạo ra thế giới theo cách này. Và điều đó có nghĩa đây là một phần trong kế hoạch của anh ấy. Thế giới không có ý định tồn tại mãi mãi ngoài Chúa. Ngược lại, nó được tạo dựng để tồn tại mãi mãi dưới sự điều khiển của Thiên Chúa. Và vì Đức Chúa Trời có cả sự khôn ngoan và quyền năng để tạo dựng nên thế giới, nên chúng ta không có lý do gì để nghi ngờ rằng Ngài có cùng quyền năng và sự khôn ngoan để vĩnh viễn chăm sóc công trình sáng tạo của mình, giữ mọi thứ trong đó dưới sự kiểm soát của Ngài.

Những câu Kinh thánh sau đây đảm bảo với chúng ta rằng Mặt trời, Mặt trăng, Trái đất và con người sẽ tồn tại mãi mãi:
· « Họ sẽ sợ bạn chừng nào mặt trời và mặt trăng còn tồn tại - từ thế hệ này sang thế hệ khác» (Thi Thiên 72:5)
· « [Trái đất] sẽ không rung chuyển mãi mãi, mãi mãi» (Thi Thiên 103:5)
· « Người công chính sẽ thừa hưởng đất và sống ở đó mãi mãi» (Thi Thiên 36:29)

Vì vậy, không có gì ngăn cản chúng ta vừa tin vào định luật thứ hai của nhiệt động lực học vừa coi đó là một nguyên lý khoa học đúng đắn, đồng thời là những người có lòng mộ đạo sâu sắc và chờ đợi sự thực hiện mọi lời hứa của Chúa được ghi trong Kinh thánh.

SỬ DỤNG LÝ LUẬN TRUNG THỰC

Vậy, nếu bạn là một tín đồ, thì bạn sẽ thêm tiếng nói của mình vào nhóm tôn giáo nào được đề cập ở đầu bài viết? Đối với những người tham gia cuộc biểu tình được mô tả ở trên của những người theo chủ nghĩa bảo thủ Cơ đốc giáo yêu cầu bãi bỏ định luật thứ hai của nhiệt động lực học? Hay đối với những người theo thuyết sáng tạo sử dụng định luật này làm bằng chứng về sự sáng tạo ra sự sống của Chúa? Tôi không dành cho bất cứ ai.

Hầu hết các tín đồ có xu hướng bảo vệ đức tin của mình bằng cách này hay cách khác, và một số sử dụng dữ liệu khoa học để làm điều này, điều này phần lớn xác nhận sự tồn tại của Đấng Tạo Hóa. Tuy nhiên, điều quan trọng là chúng ta phải nhớ một nguyên tắc nghiêm túc trong Kinh thánh: “chúng ta... muốn ăn ở lương thiện trong mọi việc” (Hê-bơ-rơ 13:18). Vì vậy, tất nhiên, sẽ là sai lầm nếu sử dụng bất kỳ lý lẽ sai lầm nào để chứng minh sự tồn tại của Chúa.

Như chúng ta đã thấy trong bài viết này, định luật thứ hai của nhiệt động lực học không thể được sử dụng làm bằng chứng cho sự tồn tại của Chúa, cũng như sự tồn tại hay không tồn tại của Chúa không chứng minh hay bác bỏ định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Nguyên lý thứ hai đơn giản là không liên quan trực tiếp đến câu hỏi về sự tồn tại của Đấng Tạo Hóa, giống như đại đa số các định luật vật lý khác (ví dụ, định luật vạn vật hấp dẫn, định luật bảo toàn động lượng, định luật Archimedes hay tất cả các định luật vật lý khác). nguyên lý nhiệt động lực học khác).

Những sáng tạo của Chúa cung cấp cho chúng ta một số lượng lớn bằng chứng thuyết phục, cũng như bằng chứng gián tiếp về sự tồn tại của Đấng Tạo Hóa. Vì vậy, nếu bất kỳ tuyên bố nào mà chúng tôi sử dụng trước đây làm bằng chứng hóa ra là không chính xác, bạn đừng ngại từ bỏ nó để chỉ sử dụng những lý lẽ trung thực để bảo vệ đức tin của mình.