La termodinamica come branca indipendente della scienza fisica sorse nella prima metà del 19° secolo. L'era delle macchine è iniziata. La rivoluzione industriale ha richiesto lo studio e la comprensione dei processi associati al funzionamento dei motori termici. Agli albori dell'era delle macchine, gli inventori solitari potevano permettersi di usare solo l'intuizione e il "metodo poke". Non c'era ordine pubblico per le scoperte e le invenzioni, non poteva nemmeno pensare a nessuno che potessero essere utili. Ma quando le macchine termiche (e poco dopo elettriche) sono diventate la base della produzione, la situazione è cambiata. Alla fine gli scienziati hanno gradualmente risolto la confusione terminologica che regnava fino alla metà del 19° secolo, decidendo cosa chiamare energia, quale forza, quale impulso.
Cosa postula la termodinamica
Iniziamo dalla conoscenza comune. La termodinamica classica si basa su diversi postulati (principi) introdotti successivamente nel corso del XIX secolo. Cioè, queste disposizioni non lo sonodimostrabile al suo interno. Sono stati formulati come risultato della generalizzazione dei dati empirici.
La prima legge è l'applicazione della legge di conservazione dell'energia alla descrizione del comportamento di sistemi macroscopici (costituiti da un gran numero di particelle). In breve, può essere formulato come segue: lo stock di energia interna di un sistema termodinamico isolato rimane sempre costante.
Il significato della seconda legge della termodinamica è determinare la direzione in cui i processi procedono in tali sistemi.
La terza legge ti permette di determinare con precisione una quantità come l'entropia. Consideralo in modo più dettagliato.
Il concetto di entropia
La formulazione della seconda legge della termodinamica fu proposta nel 1850 da Rudolf Clausius: "È impossibile trasferire spontaneamente calore da un corpo meno riscaldato a uno più caldo." Allo stesso tempo, Clausius sottolineò il merito di Sadi Carnot, che già nel 1824 stabilì che la proporzione di energia che può essere convertita nel lavoro di una macchina termica dipende solo dalla differenza di temperatura tra la stufa e il frigorifero.
Nell'ulteriore sviluppo della seconda legge della termodinamica, Clausius introduce il concetto di entropia - una misura della quantità di energia che si trasforma irreversibilmente in una forma inadatta alla conversione in lavoro. Clausius ha espresso questo valore con la formula dS=dQ/T, dove dS determina la variazione di entropia. Qui:
dQ - cambio di calore;
T - temperatura assoluta (quella misurata in Kelvin).
Un semplice esempio: tocca il cofano della tua auto con il motore acceso. Lo è chiaramentepiù caldo dell'ambiente. Ma il motore dell'auto non è progettato per riscaldare il cofano o l'acqua nel radiatore. Convertendo l'energia chimica della benzina in energia termica e quindi in energia meccanica, fa un lavoro utile: ruota l'albero. Ma la maggior parte del calore prodotto viene sprecato, poiché da esso non si può ricavare alcun lavoro utile, e ciò che vola fuori dal tubo di scarico non è affatto benzina. In questo caso, l'energia termica si perde, ma non scompare, ma si dissipa (dissipa). Un cofano caldo, ovviamente, si raffredda e ogni ciclo di cilindri nel motore aggiunge nuovamente calore. Pertanto, il sistema tende a raggiungere l'equilibrio termodinamico.
Caratteristiche dell'entropia
Clausius ha derivato il principio generale del secondo principio della termodinamica nella formula dS ≧ 0. Il suo significato fisico può essere definito come il "non decrescente" dell'entropia: nei processi reversibili non cambia, nei processi irreversibili aumenta.
Va notato che tutti i processi reali sono irreversibili. Il termine "non decrescente" riflette solo il fatto che nella considerazione del fenomeno è inclusa anche una versione idealizzata teoricamente possibile. Cioè, la quantità di energia non disponibile in qualsiasi processo spontaneo aumenta.
Possibilità di raggiungere lo zero assoluto
Max Planck ha dato un serio contributo allo sviluppo della termodinamica. Oltre a lavorare sull'interpretazione statistica della seconda legge, partecipò attivamente alla postulazione della terza legge della termodinamica. La prima formulazione appartiene a W alter Nernst e si riferisce al 1906. Il teorema di Nernst consideracomportamento di un sistema di equilibrio a temperatura tendente allo zero assoluto. Il primo e il secondo principio della termodinamica rendono impossibile scoprire quale sarà l'entropia in determinate condizioni.
Quando T=0 K, l'energia è zero, le particelle del sistema interrompono il moto termico caotico e formano una struttura ordinata, un cristallo con una probabilità termodinamica pari a uno. Ciò significa che svanisce anche l'entropia (di seguito scopriremo perché questo accade). In re altà, lo fa anche un po' prima, il che significa che il raffreddamento di qualsiasi sistema termodinamico, qualsiasi corpo allo zero assoluto è impossibile. La temperatura si avvicinerà arbitrariamente a questo punto, ma non lo raggiungerà.
Perpetuum mobile: no, anche se lo vuoi davvero
Clausius generalizzò e formulò il primo e il secondo principio della termodinamica in questo modo: l'energia totale di qualsiasi sistema chiuso rimane sempre costante e l'entropia totale aumenta con il tempo.
La prima parte di questa affermazione impone il divieto della macchina a moto perpetuo del primo tipo, un dispositivo che funziona senza un afflusso di energia da una fonte esterna. La seconda parte vieta anche la macchina a moto perpetuo del secondo tipo. Una macchina del genere trasferirebbe in lavoro l'energia del sistema senza compensazione di entropia, senza violare la legge di conservazione. Sarebbe possibile pompare calore da un sistema di equilibrio, ad esempio per friggere uova strapazzate o versare acciaio grazie all'energia del movimento termico delle molecole d'acqua, raffreddandolo così.
La seconda e la terza legge della termodinamica vietano una macchina a moto perpetuo del secondo tipo.
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Morte di calore
Ci sono pochi concetti nella scienza che hanno causato così tante emozioni ambigue non solo nel pubblico in generale, ma anche tra gli stessi scienziati, tanto quanto l'entropia. I fisici, e in primis lo stesso Clausius, estrapolarono quasi subito la legge del non decrescente, prima alla Terra, e poi all'intero Universo (perché no, perché può anche essere considerato un sistema termodinamico). Di conseguenza, una quantità fisica, un importante elemento di calcolo in molte applicazioni tecniche, iniziò a essere percepita come l'incarnazione di una sorta di Male universale che distrugge un mondo luminoso e gentile.
Ci sono anche opinioni del genere tra gli scienziati: poiché, secondo la seconda legge della termodinamica, l'entropia cresce in modo irreversibile, prima o poi tutta l'energia dell'Universo si degrada in una forma diffusa e si verificherà la "morte termica". Cosa c'è di cui essere felici? Clausius, ad esempio, esitò per diversi anni a pubblicare le sue scoperte. Naturalmente, l'ipotesi della "morte termica" ha suscitato subito molte obiezioni. Ci sono seri dubbi sulla sua correttezza anche adesso.
Daemon Sorter
Nel 1867, James Maxwell, uno degli autori della teoria cinetica molecolare dei gas, in un esperimento molto visivo (sebbene di fantasia) dimostrò l'apparente paradosso della seconda legge della termodinamica. L'esperienza può essere riassunta come segue.
Che ci sia una nave con il gas. Le molecole al suo interno si muovono in modo casuale, le loro velocità sono diversedifferiscono, ma l'energia cinetica media è la stessa in tutta la nave. Ora dividiamo la nave con una partizione in due parti isolate. La velocità media delle molecole in entrambe le metà della nave rimarrà la stessa. La partizione è sorvegliata da un minuscolo demone che consente alle molecole più veloci e "calde" di penetrare da una parte e alle molecole più lente "fredde" in un' altra. Di conseguenza, il gas si riscalderà nella prima metà e si raffredderà nella seconda metà, ovvero il sistema si sposterà dallo stato di equilibrio termodinamico a una differenza di potenziale di temperatura, il che significa una diminuzione dell'entropia.
L'intero problema è che nell'esperimento il sistema non effettua questa transizione spontaneamente. Riceve energia dall'esterno, a causa della quale la partizione si apre e si chiude, oppure il sistema include necessariamente un demone che spende la sua energia per i compiti di un guardiano. L'aumento dell'entropia del demone coprirà più che la diminuzione del suo gas.
Molecole indisciplinate
Prendi un bicchiere d'acqua e lascialo sul tavolo. Non è necessario guardare il vetro, è sufficiente tornare dopo un po 'e controllare le condizioni dell'acqua al suo interno. Vedremo che il suo numero è diminuito. Se si lascia il bicchiere a lungo, non si troverà acqua, poiché evaporerà tutta. All'inizio del processo, tutte le molecole d'acqua si trovavano in una certa regione di spazio delimitata dalle pareti del vetro. Alla fine dell'esperimento, si sono sparpagliati per la stanza. Nel volume di una stanza, le molecole hanno molte più possibilità di cambiare la loro posizione senza nessunaconseguenze per lo stato del sistema. Non c'è modo di raccoglierli in un "collettivo" saldato e ricacciarli in un bicchiere per bere acqua con benefici per la salute.
Ciò significa che il sistema si è evoluto a uno stato di entropia superiore. In base alla seconda legge della termodinamica, l'entropia, ovvero il processo di dispersione delle particelle del sistema (in questo caso, le molecole d'acqua) è irreversibile. Perché?
Clausius non ha risposto a questa domanda e nessun altro poteva farlo prima di Ludwig Boltzmann.
Macro e microstati
Nel 1872, questo scienziato introdusse nella scienza l'interpretazione statistica della seconda legge della termodinamica. Dopotutto, i sistemi macroscopici di cui si occupa la termodinamica sono formati da un gran numero di elementi il cui comportamento obbedisce a leggi statistiche.
Torniamo alle molecole d'acqua. Volando casualmente per la stanza, possono assumere diverse posizioni, avere alcune differenze di velocità (le molecole si scontrano costantemente tra loro e con altre particelle nell'aria). Ogni variante dello stato di un sistema di molecole è chiamata microstato e esiste un numero enorme di tali varianti. Quando si implementa la stragrande maggioranza delle opzioni, il macrostato del sistema non cambierà in alcun modo.
Niente è off limits, ma qualcosa è altamente improbabile
La famosa relazione S=k lnW collega il numero di modi possibili in cui un certo macrostato di un sistema termodinamico (W) può essere espresso con la sua entropia S. Il valore di W è chiamato probabilità termodinamica. La forma finale di questa formula è stata data da Max Planck. Il coefficiente k, un valore estremamente piccolo (1.38×10−23 J/K) che caratterizza il rapporto tra energia e temperatura, Planck chiamò la costante di Boltzmann in onore dello scienziato che fu il prima per proporre un'interpretazione statistica la seconda l'inizio della termodinamica.
È chiaro che W è sempre un numero naturale 1, 2, 3, …N (non esiste un numero frazionario di modi). Allora il logaritmo W, e quindi l'entropia, non può essere negativo. Con l'unico microstato possibile per il sistema, l'entropia diventa uguale a zero. Se torniamo al nostro bicchiere, questo postulato può essere rappresentato come segue: le molecole d'acqua, che scorrono casualmente per la stanza, tornano nel bicchiere. Allo stesso tempo, ognuno ripeteva esattamente il suo percorso e prendeva lo stesso posto nel bicchiere in cui si trovava prima della partenza. Nulla vieta l'implementazione di questa opzione, in cui l'entropia è uguale a zero. Non vale la pena aspettare che l'implementazione di una probabilità così piccola evanescente non valga la pena. Questo è un esempio di ciò che può essere fatto solo in teoria.
Tutto è confuso in casa…
Quindi le molecole volano casualmente per la stanza in modi diversi. Non c'è regolarità nella loro disposizione, non c'è ordine nel sistema, non importa come si cambiano le opzioni per i microstati, non è possibile tracciare una struttura intelligibile. Era lo stesso nel vetro, ma a causa dello spazio limitato, le molecole non cambiavano la loro posizione così attivamente.
Lo stato caotico e disordinato del sistema è il massimoil probabile corrisponde alla sua massima entropia. L'acqua in un bicchiere è un esempio di uno stato di entropia inferiore. Il passaggio ad esso dal caos distribuito uniformemente in tutta la stanza è quasi impossibile.
Diamo un esempio più comprensibile per tutti noi: ripulire il disordine in casa. Per mettere ogni cosa al suo posto, dobbiamo anche spendere energia. Nel processo di questo lavoro, diventiamo caldi (cioè non ci congeliamo). Si scopre che l'entropia può essere utile. Questo è il caso. Possiamo dire ancora di più: l'entropia, e attraverso di essa la seconda legge della termodinamica (insieme all'energia) governa l'universo. Diamo un' altra occhiata ai processi reversibili. Ecco come sarebbe il mondo se non ci fosse entropia: niente sviluppo, niente galassie, stelle, pianeti. Nessuna vita…
Un po' più di informazioni sulla "morte termica". Ci sono buone notizie. Poiché, secondo la teoria statistica, i processi "proibiti" sono in effetti improbabili, in un sistema di equilibrio termodinamico sorgono fluttuazioni - violazioni spontanee della seconda legge della termodinamica. Possono essere arbitrariamente grandi. Quando la gravità è inclusa nel sistema termodinamico, la distribuzione delle particelle non sarà più caoticamente uniforme e non si raggiungerà lo stato di massima entropia. Inoltre, l'Universo non è immutabile, costante, stazionario. Pertanto, la stessa formulazione della questione della "morte termica" non ha senso.
