في الرسم التوضيحي على اليسار:احتجاج المحافظين المسيحيين على القانون الثاني للديناميكا الحرارية. النقوش على الملصقات: الكلمة المشطوبة "إنتروبيا" ؛ "أنا لا أقبل المبادئ الأساسية للعلم والتصويت".

الأصل الثاني للديناميكا الحرارية وأسئلة الإنشاء

في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين ، اجتمعت مجموعة من المسيحيين المحافظين على درج مبنى الكابيتول (كانساس ، الولايات المتحدة الأمريكية) للمطالبة بإلغاء مبدأ علمي أساسي - القانون الثاني للديناميكا الحرارية (انظر الصورة على اليسار). والسبب في ذلك هو قناعتهم بأن هذا القانون الفيزيائي يتعارض مع إيمانهم بالخالق ، لأنه يتنبأ بالموت الحراري للكون. قال المتظاهرون إنهم لا يريدون العيش في عالم يتجه نحو هذا المستقبل ويعلمونه لأطفالهم. بقيادة الحملة ضد القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، لا أحد غير عضو مجلس الشيوخ عن ولاية كانساس ، الذي يعتقد أن هذا القانون "يهدد فهم أطفالنا للكون كعالم خلقه إله محب وخير."

من المفارقات ، في نفس الولايات المتحدة ، اتجاه مسيحي آخر - الخلقيون ، بقيادة دوان غيش ، رئيس معهد أبحاث الخلق - على العكس من ذلك ، لا يعتبرون القانون الثاني للديناميكا الحرارية علميًا فحسب ، بل يتجهون إليه بحماسة لإثبات ذلك. أن العالم خلقه الله. إحدى حججهم الرئيسية هي أن الحياة لا يمكن أن تنشأ بشكل عفوي ، لأن كل شيء حولها عرضة للتدمير التلقائي ، وليس الخلق.

في ضوء هذا التناقض الصارخ بين هذين الاتجاهين المسيحيين ، يبرز سؤال طبيعي - أيهما على صواب؟ وهل أحد على حق؟

في هذا المقالسننظر في المكان الذي يكون فيه ممكنًا وحيث يكون من المستحيل تطبيق القانون الثاني للديناميكا الحرارية وكيف يرتبط بمسائل الإيمان بالخالق.

الديناميكا الحراريةهو فرع من فروع الفيزياء يدرس علاقات وتحولات الحرارة وأشكال الطاقة الأخرى. وهو يقوم على عدة مبادئ أساسية تسمى مبادئ (أحيانًا قوانين) الديناميكا الحرارية. من بينها ، ربما الأكثر شهرة هي البداية الثانية.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، بالإضافة إلى ما سبق ، له صيغ أخرى. يدور كل الخلاف حول الخلق الذي ذكرناه حول واحد منهم. ترتبط هذه الصيغة بمفهوم الانتروبيا ، والذي سيتعين علينا التعرف عليه.

إنتروبيا(وفقًا لأحد التعريفات) هو مؤشر على اضطراب أو عشوائية النظام. تتحدث لغة بسيطةفكلما سادت الفوضى في النظام ، ارتفعت إنتروبيا. بالنسبة للأنظمة الديناميكية الحرارية ، يكون الانتروبيا أعلى ، وكلما زادت فوضوية حركة جسيمات المادة التي يتكون منها النظام (على سبيل المثال ، الجزيئات).

بمرور الوقت ، أدرك العلماء أن الانتروبيا مفهوم أوسع ويمكن تطبيقه ليس فقط على الأنظمة الديناميكية الحرارية. بشكل عام ، يحتوي أي نظام على قدر معين من الفوضى ، والتي يمكن أن تتغير - تزيد أو تنقص. في هذه الحالة ، من المناسب التحدث عن الإنتروبيا. وهنا بعض الأمثلة:

· كاس من الماء.إذا تجمد الماء وتحول إلى جليد ، فإن جزيئاته ترتبط بشبكة بلورية. هذا يتوافق مع ترتيب أكبر (أقل إنتروبيا) من الحالة عندما يذوب الماء وتتحرك الجزيئات بشكل عشوائي. ومع ذلك ، بعد أن ذاب الماء ، لا يزال يحتفظ بشكل معين - الزجاج الذي يوجد فيه. إذا تم تبخير الماء ، فإن الجزيئات تتحرك بشكل أكثر كثافة وتحتل الحجم الكامل المقدم لها ، وتتحرك بشكل أكثر فوضوية. وبالتالي ، فإن الانتروبيا تزداد أكثر.

· النظام الشمسي.في ذلك أيضًا ، يمكن للمرء أن يلاحظ النظام والاضطراب. تتحرك الكواكب في مداراتها بهذه الدقة بحيث يمكن لعلماء الفلك توقع مواقعها في أي وقت قبل آلاف السنين. ومع ذلك ، هناك العديد من أحزمة الكويكبات في النظام الشمسي التي تتحرك بشكل أكثر فوضوية - فهي تصطدم وتنكسر وأحيانًا تسقط على كواكب أخرى. وفقًا لافتراضات علماء الكونيات ، في البداية كان النظام الشمسي بأكمله (باستثناء الشمس نفسها) مليئًا بمثل هذه الكويكبات ، والتي تشكلت منها فيما بعد الكواكب الصلبة ، وتحركت هذه الكويكبات بشكل أكثر فوضوية من الآن. إذا كان هذا صحيحًا ، فإن الانتروبيا النظام الشمسي(باستثناء الشمس نفسها) كانت أعلى في الأصل.

· المجرة.تتكون المجرة من نجوم تتحرك حول مركزها. ولكن حتى هنا يوجد قدر معين من الفوضى: تصطدم النجوم أحيانًا ، وتغير اتجاه الحركة ، وبسبب التأثير المتبادل لمداراتها ، فإن مداراتها ليست مثالية ، فهي تتغير بطريقة فوضوية إلى حد ما. إذن في هذا النظام ، الكون لا يساوي الصفر.

· غرفة الاطفال.بالنسبة لأولئك الذين لديهم أطفال صغار ، غالبًا ما يتم ملاحظة الزيادة في الانتروبيا بأعينهم. بعد الانتهاء من التنظيف ، يسود النظام النسبي في الشقة. ومع ذلك ، فإن بضع ساعات (وأحيانًا أقل) من بقاء طفل أو طفلين هناك في حالة يقظة كافية لزيادة إنتروبيا هذه الشقة بشكل كبير ...

لو المثال الأخيرجعلك تبتسم ، إذن ، على الأرجح ، فهمت ما هو الانتروبيا.

بالعودة إلى القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، نتذكر أنه ، كما قلنا ، له صيغة أخرى تتعلق بمفهوم الانتروبيا. يبدو مثل هذا: لا يمكن أن تنقص الانتروبيا في نظام معزول. بعبارة أخرى ، في أي نظام معزول تمامًا عن العالم المحيط ، لا يمكن أن ينخفض ​​الاضطراب تلقائيًا: يمكن أن يزيد فقط ، أو في الحالات القصوى ، يظل على نفس المستوى.

إذا وضعت مكعب ثلج في غرفة دافئة مقفلة ، فسوف يذوب بعد فترة. ومع ذلك ، فإن تجمع المياه الناتج في هذه الغرفة لن ينكسر مرة أخرى إلى مكعب ثلج من تلقاء نفسه. افتح زجاجة العطر هناك ، وسوف تنتشر الرائحة في جميع أنحاء الغرفة. لكن لا شيء سيجعله يعود إلى القارورة. أشعل شمعة هناك وستحترق ، لكن لا شيء سيجعل الدخان يتحول إلى شمعة مرة أخرى. كل هذه العمليات اتجاهية ولا رجعة فيها. يكمن سبب عدم رجوع العمليات التي تحدث ليس فقط في هذه الغرفة ، ولكن في الكون بأسره ، على وجه التحديد في القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

ومع ذلك ، فإن هذا القانون ، على الرغم من بساطته الواضحة ، هو واحد من أصعب قوانين الفيزياء الكلاسيكية والتي يساء فهمها في كثير من الأحيان. والحقيقة أنه توجد في صياغته كلمة واحدة لا تحظى باهتمام كافٍ في بعض الأحيان - كلمة "منعزل". وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، لا يمكن أن تنخفض الإنتروبيا (الفوضى) فقط في الأنظمة المعزولة. هذا هو القانون. ومع ذلك ، لم يعد هذا قانونًا في الأنظمة الأخرى ، ويمكن للإنتروبيا فيها إما أن تزيد أو تنقص.

ما هو النظام المعزول؟ دعونا نلقي نظرة على أنواع الأنظمة الموجودة بشكل عام من وجهة نظر الديناميكا الحرارية:

· يفتح.هذه أنظمة تتبادل المادة (وربما الطاقة أيضًا) مع العالم الخارجي. مثال: السيارة (تستهلك البنزين ، الهواء ، تولد الحرارة).

· مغلق.هذه أنظمة لا تتبادل المادة مع العالم المحيط ، لكن يمكنها تبادل الطاقة معها. مثال: مركبة فضائية (محكمة الغلق ، لكنها تمتص الطاقة الشمسية بألواح شمسية).

· معزولة (مغلقة).هذه أنظمة لا تتبادل المادة أو الطاقة مع العالم الخارجي. مثال: ترمس (محكم الغلق ويحتفظ بالحرارة).

كما أشرنا ، فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية ينطبق فقط على ثالث أنواع الأنظمة المدرجة.

للتوضيح ، دعنا نتذكر نظامًا يتكون من غرفة دافئة مقفلة وقطعة من الثلج ذابت أثناء وجودها فيه. في الحالة المثالية ، يتوافق هذا مع نظام معزول ، ويزداد إنتروبيا في هذه الحالة. ومع ذلك ، فلنتخيل الآن أن الجو بارد جدًا في الخارج ، وفتحنا النافذة. أصبح النظام مفتوحًا: بدأت الغرفة في الاستلام هواء بارد، انخفضت درجة الحرارة في الغرفة إلى ما دون الصفر ، وتجمدت قطعة الثلج لدينا ، التي تحولت سابقًا إلى بركة ، مرة أخرى.

في الحياة الواقعية ، حتى الغرفة المغلقة ليست نظامًا معزولًا ، لأنه في الواقع الزجاج وحتى الطوب يسمحان بدخول الحرارة. والحرارة ، كما أشرنا أعلاه ، هي أيضًا شكل من أشكال الطاقة. لذلك ، فإن الغرفة المقفلة ليست معزولة حقًا ، ولكنها نظام مغلق. حتى لو قمنا بإغلاق جميع النوافذ والأبواب بإحكام ، فإن الحرارة ستظل تغادر الغرفة تدريجيًا ، وسوف تتجمد وتتحول البركة أيضًا إلى جليد.

مثال آخر مشابه هو غرفة التجميد. طالما أن المجمد مغلق ، تكون درجة حرارته مماثلة لدرجة حرارة الغرفة. ولكن بمجرد توصيله بالشبكة ، يبدأ في التهدئة ، وتبدأ إنتروبيا النظام في الانخفاض. يصبح هذا ممكنًا لأن مثل هذا النظام أصبح مغلقًا ، أي أنه يستهلك طاقة من البيئة (في هذه الحالة ، كهربائية).

من الجدير بالذكر أنه في الحالة الأولى (غرفة بها قطعة ثلج) ، أعطى النظام الطاقة للبيئة ، وفي الحالة الثانية (غرفة بها ثلاجة) ، على العكس من ذلك ، حصل عليها. ومع ذلك ، انخفضت إنتروبيا كلا النظامين. هذا يعني أنه لكي يتوقف القانون الثاني للديناميكا الحرارية عن العمل كقانون ثابت ، في الحالة العامة ، ليس اتجاه نقل الطاقة هو المهم ، ولكن حقيقة هذا الانتقال بين النظام و العالم المحيط.

أمثلة على تراجع الانطواء في الطبيعة غير الحية.تم إنشاء أمثلة الأنظمة التي نوقشت أعلاه من قبل الإنسان. هل هناك أمثلة على تناقص الكون في الطبيعة غير الحية بدون مشاركة العقل؟ نعم ، بقدر ما تريد.

إذا كنت ذكيًا وقضيت بعض الوقت ، فيمكنك تذكر وكتابة آلاف الأمثلة المماثلة. من المهم أن نلاحظ أنه في العديد من الحالات المدرجة ، فإن الانخفاض في الإنتروبيا ليس حادثًا منفردًا ، ولكنه انتظام - والميل إليه متأصل في بناء مثل هذه الأنظمة. لذلك يحدث في كل مرة تنشأ فيها الظروف المناسبة ، ويمكن أن يستمر لفترة طويلة جدًا - طالما أن هذه الظروف موجودة. كل هذه الأمثلة لا تتطلب آليات معقدة تقلل من الإنتروبيا ، ولا تدخل العقل.

بالطبع ، إذا لم يكن النظام معزولاً ، فليس من الضروري على الإطلاق أن تقل الانتروبيا فيه. بل على العكس من ذلك ، فإن الزيادة في الانتروبيا هي التي تحدث بشكل عفوي في كثير من الأحيان ، أي زيادة الفوضى. على أي حال ، نحن معتادون على حقيقة أن أي شيء يترك دون رعاية أو رعاية ، كقاعدة عامة ، يتدهور ويصبح غير صالح للاستعمال ، ولا يتحسن. يمكن القول أن هذه خاصية أساسية معينة للعالم المادي - الرغبة في التدهور التلقائي ، والميل العام نحو زيادة الانتروبيا.

ومع ذلك ، فقد أظهر هذا العنوان الفرعي أن هذا الاتجاه العام صالح فقط في الأنظمة المعزولة. في الأنظمة الأخرى ، الزيادة في الإنتروبيا ليست قانونًا - كل شيء يعتمد على خصائص نظام معين والظروف التي يقع فيها. لا يمكن تطبيق القانون الثاني للديناميكا الحرارية عليهم بالتعريف. حتى لو زاد الانتروبيا في بعض الأنظمة المفتوحة أو المغلقة ، فهذا ليس تحقيقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، ولكنه مجرد مظهر من مظاهر الاتجاه العامإلى زيادة في الإنتروبيا ، المتأصلة في العالم المادي ككل ، ولكنها بعيدة عن كونها مطلقة.

عندما ينظر مراقب متحمس إلى السماء المرصعة بالنجوم، تمامًا كما لو نظر إليه عالم فلك متمرس من خلال التلسكوب ، يمكن لكليهما ملاحظة ليس جماله فحسب ، بل أيضًا الترتيب المذهل الذي يسود هذا العالم الكبير.

ومع ذلك ، هل يمكن استخدام هذا النظام لإثبات أن الله خلق الكون؟ هل سيكون من الصواب استخدام هذا المنطق: بما أن الكون لم يسقط في حالة من الفوضى وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، فهل يثبت هذا أن الله يتحكم فيه؟

ربما تعودت على التفكير بنعم. لكن في الحقيقة ، خلافًا للاعتقاد السائد ، لا. بتعبير أدق ، فيما يتعلق بهذا ، من الممكن والضروري استخدام براهين مختلفة نوعًا ما ، ولكن ليس القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

أولاًحتى يثبت الكون أنه نظام منعزل. على الرغم من أنه لم يتم إثبات العكس بالطبع ، إلا أنه لا يزال من المستحيل القول بشكل لا لبس فيه أنه يمكن تطبيق القانون الثاني للديناميكا الحرارية عليه بشكل عام.

ولكن ، لنفترض أن عزل الكون كنظام سيثبت في المستقبل (هذا ممكن تمامًا). ماذا بعد؟

ثانيًا، لا يقول القانون الثاني للديناميكا الحرارية ما الذي سيسود بالضبط في نظام معين - النظام أو الفوضى. يخبر القانون الثاني في أي اتجاه سيتغير هذا النظام أو الاضطراب - في نظام منعزل ، ستزداد الفوضى. وفي أي اتجاه يتغير الترتيب في الكون؟ إذا تحدثنا عن الكون ككل ، فإن الفوضى (وكذلك الإنتروبيا) تزداد فيه. من المهم هنا عدم الخلط بين الكون والنجوم الفردية أو المجرات أو عناقيدها. مجرات فردية (مثل مجرتنا) درب التبانة) يمكن أن تكون هياكل مستقرة للغاية ولا يبدو أنها تتحلل على الإطلاق لعدة ملايين من السنين. لكنها ليست أنظمة معزولة: فهي تشع باستمرار الطاقة (مثل الضوء والحرارة) في الفضاء المحيط. تحترق النجوم وتنبعث منها المادة ("الرياح الشمسية") باستمرار في الفضاء بين النجوم. نتيجة لذلك ، يخضع الكون لعملية مستمرة من تحويل المادة المهيكلة للنجوم والمجرات إلى طاقة وغاز مشتتين بشكل عشوائي. وما هذا إن لم يكن زيادة في الإنتروبيا؟

تحدث عمليات التدهور هذه ، بالطبع ، بمعدل بطيء جدًا ، لذلك لا يبدو أننا نشعر بها. لكن إذا تمكنا من مراقبتها بمعدل متسارع للغاية - لنقل ، أسرع تريليون مرة ، فإن صورة مثيرة للغاية لولادة وموت النجوم ستظهر أمام أعيننا. تجدر الإشارة إلى أن الجيل الأول من النجوم التي كانت موجودة منذ بداية الكون قد مات بالفعل. وفقًا لعلماء الكون ، يتكون كوكبنا من بقايا وجود وانفجار نجم محترق ذات مرة ؛ نتيجة لهذه الانفجارات ، يتم تشكيل جميع العناصر الكيميائية الثقيلة.

لذلك ، إذا اعتبرنا الكون نظامًا معزولًا ، فسيتم استيفاء القانون الثاني للديناميكا الحرارية فيه ككل ، سواء في الماضي أو اليوم. هذا هو أحد القوانين التي وضعها الله ، وبالتالي فهو يعمل في الكون بنفس الطريقة التي تعمل بها القوانين الفيزيائية الأخرى.

على الرغم مما قيل أعلاه ، هناك العديد من الأشياء المدهشة في الكون المرتبطة بالترتيب السائد فيه ، فقط لا يرجع ذلك إلى القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، ولكن لأسباب أخرى.

لذلك ، في مجلة "نيوزويك" (عدد 11/09/98) تم النظر في الاستنتاجات التي تقودنا إليها الاكتشافات فيما يتعلق بخلق الكون. وقالت إن الحقائق "تشهد على أصل الطاقة والحركة من العدم ، أي من لا شيء ، عن طريق انفجار هائل للضوء والطاقة ، والذي يتوافق مع وصف [الكتاب التوراتي] سفر التكوين". انتبه إلى الكيفية التي أوضحت بها مجلة Newsweek تشابه ولادة الكون مع الوصف الكتابي لهذا الحدث.

كتبت المجلة: "القوى التي تم إطلاقها كانت - ولا تزال - متوازنة بشكل مذهل (بشكل رائع؟): إذا كان الانفجار العظيم أقل قوة ، لكان توسع الكون أبطأ ، وقريبًا (في غضون بضعة ملايين من السنين أو في غضون دقائق قليلة - على أي حال ، قريبًا) سيعكس العملية وسيحدث الانهيار. إذا كان الانفجار أقوى قليلاً ، فقد يتحول الكون إلى "حساء سائل" مخلخ للغاية وسيكون تكوين النجوم مستحيلاً. كانت فرص وجودنا صغيرة جدًا من الناحية الفلكية. يجب أن تظل نسبة المادة والطاقة إلى حجم الفضاء في الانفجار العظيم ضمن واحد كوادريليون واحد بالمائة من النسبة المثالية.

اقترحت مجلة نيوزويك أن هناك شخصًا يتحكم في خلق الكون ، يعرف: "إزالة حتى درجة واحدة (كما ذكرنا سابقًا ، كان هامش الخطأ واحدًا كوادريليون من واحد بالمائة) ، والنتيجة لن تكون مجرد تنافر ، لكن الانتروبيا الأبدية والجليد.

اعترف عالم الفيزياء الفلكية آلان لايتمان ، "حقيقة أن الكون قد خُلق بهذه الطريقة عالية التنظيم هو لغز [للعلماء]." وأضاف أن "أي نظرية كونية تدعي أنها ناجحة سوف تضطر في النهاية إلى تفسير لغز الأنتروبيا هذا": لماذا لم يقع الكون في حالة من الفوضى. من الواضح أن مثل هذا الاحتمال الضئيل للتطور الصحيح للأحداث لا يمكن أن يكون مصادفة. (مقتبس في استيقظ! ، عدد 6/22/99 ، ص 7.)

كما لوحظ أعلاه ، بين الخلقيين ، هناك نظريات شائعة مفادها أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يثبت استحالة الظهور التلقائي للحياة من المادة الجامدة. في أواخر السبعينيات وأوائل الثمانينيات ، نشر معهد أبحاث الخلق كتابًا حول هذا الموضوع وحاول حتى التواصل مع أكاديمية العلوم في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية بشأن هذه المسألة (كانت المراسلات غير ناجحة).

ومع ذلك ، كما رأينا أعلاه ، فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية يعمل فقط في الأنظمة المعزولة. ومع ذلك ، فإن الأرض ليست نظامًا منعزلاً ، حيث إنها تتلقى الطاقة باستمرار من الشمس ، وعلى العكس من ذلك ، تمنحها إلى الفضاء. والكائن الحي (حتى ، على سبيل المثال ، خلية حية) ، بالإضافة إلى ذلك ، يتبادل مع البيئة والمادة. لذلك ، لا ينطبق القانون الثاني للديناميكا الحرارية على هذه المسألة بحكم التعريف.

كما ذكر أعلاه أن العالم المادي لديه اتجاه عام معين نحو زيادة الانتروبيا ، بسبب الأشياء التي يتم تدميرها في كثير من الأحيان وتسقط في الفوضى أكثر مما يتم إنشاؤه. ومع ذلك ، كما أشرنا ، فهو ليس قانونًا. علاوة على ذلك ، إذا ابتعدنا عن العالم الكبير المألوف لنا وانغمسنا في العالم المصغر - عالم الذرات والجزيئات (أي أنه من المفترض أن الحياة بدأت) ، فسنرى أنه كثير أسهل لعكس عمليات زيادة الانتروبيا فيه. في بعض الأحيان يكون تأثير أعمى غير متحكم فيه كافياً لكي تبدأ إنتروبيا النظام في الانخفاض. من المؤكد أن كوكبنا مليء بأمثلة لمثل هذه التأثيرات: الإشعاع الشمسي في الغلاف الجوي ، والحرارة البركانية في قاع المحيط ، والرياح على سطح الأرض ، وما إلى ذلك. ونتيجة لذلك ، تتدفق العديد من العمليات بالفعل في الاتجاه المعاكس ، "غير المواتي" بالنسبة لهم ، أو يصبح الاتجاه المعاكس "مناسبًا" لهم (انظر الأمثلة أعلاه في العنوان الفرعي "أمثلة على تقليل الإنتروبيا في الطبيعة غير الحية"). لذلك ، حتى ميلنا العام لزيادة الانتروبيا لا يمكن تطبيقه على ظهور الحياة كقاعدة مطلقة: فهناك استثناءات كثيرة جدًا لها.

بالطبع ، لا يعني ما سبق أنه بما أن القانون الثاني للديناميكا الحرارية لا يحظر التوليد التلقائي للحياة ، فقد تكون الحياة قد نشأت من تلقاء نفسها. هناك العديد من الأشياء الأخرى التي تجعل مثل هذه العملية مستحيلة أو غير مرجحة للغاية ، لكنها لم تعد مرتبطة بالديناميكا الحرارية وقانونها الثاني.

على سبيل المثال ، تمكن العلماء في ظل ظروف اصطناعية من الحصول على عدة أنواع من الأحماض الأمينية عن طريق محاكاة الظروف المتوقعة للغلاف الجوي الأساسي للأرض. الأحماض الأمينية هي نوع من اللبنات الأساسية للحياة: في الكائنات الحية ، يتم بناء البروتينات (البروتينات) منها. ومع ذلك ، فإن البروتينات الضرورية للحياة تتكون من المئات ، وأحيانًا الآلاف من الأحماض الأمينية ، متصلة بتسلسل صارم وتوضع بطريقة خاصة في شكل خاص (انظر الشكل على اليمين). إذا قمت بربط الأحماض الأمينية بترتيب عشوائي ، فإن احتمال إنشاء بروتين وظيفي واحد بسيط نسبيًا سيكون ضئيلًا للغاية - وهو صغير جدًا لدرجة أن هذا الحدث لن يحدث أبدًا. إن الاعتراف بحدوثهم العشوائي هو نفسه تقريبًا ، بعد العثور على العديد من الأحجار الشبيهة بالطوب في الجبال ، لتأكيد أن المنزل الحجري الذي يقف بالقرب منه قد تشكل من نفس الحجارة بشكل عشوائي تحت تأثير العمليات الطبيعية.

من ناحية أخرى ، بالنسبة لوجود الحياة ، فإن البروتينات وحدها لا تكفي أيضًا: فلا حاجة إلى جزيئات أقل تعقيدًا من الحمض النووي الريبي والحمض النووي الريبي ، كما أن حدوثها العشوائي أمر لا يصدق. الحمض النووي هو في الأساس مخزن ضخم للمعلومات المنظمة المطلوبة لصنع البروتينات. يتم تقديمه بواسطة مجموعة كاملة من البروتينات والحمض النووي الريبي ، لنسخ هذه المعلومات وتصحيحها واستخدامها "لأغراض الإنتاج". كل هذا هو نظام واحد ، مكوناته المنفصلة لا معنى لها ، ولا يمكن إزالة أي منها منه. على المرء فقط أن يبدأ في التعمق في بنية هذا النظام ومبادئ تشغيله من أجل فهم أن المصمم اللامع قد عمل على إنشائه.

هل القانون الثاني للديناميكا الحرارية متوافق مع الإيمان بالخالق بشكل عام؟ ليس فقط لوجوده ، ولكن بحقيقة أنه خلق الكون والحياة على الأرض (تكوين ١: ١-٢٧ ؛ رؤيا ٤:١١)؛ أنه وعد بأن الأرض ستكون إلى الأبد (مزمور 5: 103)، مما يعني أن كلا من الشمس والكون سيكونان أبديين بشكل أو بآخر ؛ أن الناس سيعيشون إلى الأبد في الجنة على الأرض ولن يموتوا أبدًا (مزمور 36:29 ؛ متى 25:46 ؛ رؤيا 21: 3 ، 4)?

يمكننا أن نقول بأمان أن الإيمان بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية يتوافق تمامًا مع الإيمان بالخالق ووعوده. والسبب في ذلك يكمن في صياغة هذا القانون نفسه: "في نظام منعزل ، لا يمكن للإنتروبيا أن تنخفض." يبقى أي نظام منعزل معزولاً فقط طالما لا يتدخل أحد في عمله ، بما في ذلك الخالق. ولكن بمجرد أن يتدخل ويرسل جزءًا من قوته التي لا تنضب إليها ، سيتوقف عزل النظام ، وسيتوقف القانون الثاني للديناميكا الحرارية عن العمل فيه. يمكن قول الشيء نفسه عن الاتجاه العام نحو زيادة الانتروبيا ، والذي تحدثنا عنه أعلاه. نعم ، من الواضح أن كل ما هو موجود حولنا تقريبًا - من الذرات إلى الكون - يميل إلى التدمير والتدهور بمرور الوقت. لكن الخالق لديه القوة والحكمة اللازمتين لإيقاف أي عمليات تدهور بل وعكسها عندما يراها ضرورية.

ما هي العمليات التي عادة ما يقدمها الناس على أنها تجعل الحياة الأبدية مستحيلة؟

· في غضون بضعة مليارات من السنين ، ستشرق الشمس.كان من الممكن أن يحدث هذا إذا لم يتدخل الخالق في عمله. ومع ذلك ، فهو خالق الكون ولديه طاقة هائلة تكفي لإبقاء الشمس مشتعلة إلى الأبد. على سبيل المثال ، من خلال إنفاق الطاقة ، يمكنها عكس التفاعلات النووية التي تحدث على الشمس ، كما لو تم ملؤها بالوقود لعدة مليارات من السنين ، وأيضًا تجديد أحجام المادة التي تفقدها الشمس على شكل الرياح الشمسية.

· عاجلاً أم آجلاً ، ستصطدم الأرض بكويكب أو ثقب أسود.بغض النظر عن مدى صغر احتمال هذا ، فهو موجود ، وبالتالي ، على مدار الأبدية ، فإنه سيتحقق بالتأكيد. ومع ذلك ، يمكن لله ، باستخدام قوته ، حماية الأرض من أي ضرر مقدمًا ، وببساطة منع مثل هذه الأشياء الخطرة من الاقتراب من كوكبنا.

· سيطير القمر بعيدًا عن الأرض ، وستصبح الأرض غير صالحة للسكنى.يعمل القمر على استقرار ميل محور الأرض ، وبفضل ذلك يتم الحفاظ على المناخ فيه ثابتًا إلى حد ما. يتحرك القمر تدريجياً بعيدًا عن الأرض ، ونتيجة لذلك يمكن أن يتغير ميل المحور في المستقبل ويصبح المناخ لا يطاق. لكن الله ، بالطبع ، لديه القوة اللازمة لمنع مثل هذه التغييرات الكارثية وإبقاء القمر في مداره حيث يراه مناسبًا.

ليس هناك شك في أن الأشياء في العالم المادي عرضة للشيخوخة والتدهور والدمار. لكن يجب أن نتذكر أن الله نفسه خلق العالم بهذه الطريقة. وهكذا كان جزءًا من خطته. لم يكن العالم مصمما للعيش إلى الأبد بمعزل عن الله. على العكس من ذلك ، فقد خُلقت لتعيش إلى الأبد تحت سيطرة الله. وبما أن الله كان يتمتع بالحكمة والقدرة على خلق العالم ، فليس لدينا أي سبب للشك في أنه يتمتع بنفس القوة والحكمة لرعاية خليقته إلى الأبد ، مع إبقاء كل ما بداخلها تحت سيطرته.

تؤكد لنا الآيات التالية من الكتاب المقدس أن الشمس والقمر والأرض والبشر سيبقون إلى الأبد:
· « سوف يخافونك ما دامت الشمس والقمر موجودان - من جيل إلى جيل» (مزمور 72: 5)
· « لن تهتز [الأرض] إلى الأبد» (مزمور 5: 103)
· « الصديقون سيرثون الأرض ويعيشون عليها إلى الأبد» (مزمور 37:29)

لذلك ، لا شيء يمنعنا من الإيمان في نفس الوقت بالقانون الثاني للديناميكا الحرارية واعتباره مبدأ علميًا صحيحًا ، وفي نفس الوقت أن نكون أشخاصًا متدينين بشدة وننتظر الوفاء بجميع وعود الله المسجلة في الكتاب المقدس.

لذا ، إذا كنت مؤمنًا ، فأي المجموعات الدينية المذكورة في بداية المقال تود أن تضيف صوتك إليها؟ إلى المشاركين في المظاهرة الموصوفة أعلاه للمحافظين المسيحيين الذين يطالبون بإلغاء القانون الثاني للديناميكا الحرارية؟ أم للخلقيين الذين يستخدمون هذا القانون كدليل على خلق الله للحياة؟ أنا لست مع أحد.

يميل معظم المؤمنين إلى الدفاع عن إيمانهم بطريقة أو بأخرى ، ويستخدم البعض بيانات العلم لهذا الغرض ، مما يؤكد إلى حد كبير وجود الخالق. مع ذلك ، من المهم بالنسبة لنا أن نتذكر مبدأ كتابيًا جادًا واحدًا: "نريد ... أن نكون أمناء في كل شيء" (عبرانيين 13:18). لذلك ، بالطبع ، سيكون من الخطأ استخدام أي حجج غير صحيحة لإثبات وجود الله.

كما رأينا من هذا المقال ، لا يمكن استخدام القانون الثاني للديناميكا الحرارية كدليل على وجود الله ، تمامًا كما أن وجود الله أو عدم وجوده لا يثبت أو يدحض القانون الثاني للديناميكا الحرارية. القانون الثاني ببساطة لا يرتبط مباشرة بمسألة وجود الخالق ، وكذلك الغالبية العظمى من القوانين الفيزيائية الأخرى (على سبيل المثال ، قانون الجاذبية العامة ، وقانون الحفاظ على الزخم ، وقانون أرخميدس ، أو جميع مبادئ الديناميكا الحرارية الأخرى).

تزودنا إبداعات الله بعدد كبير من الأدلة المقنعة ، فضلاً عن الأدلة الظرفية على وجود الخالق. لذلك ، إذا تبين أن أيًا من العبارات التي استخدمناها سابقًا كدليل غير صحيح ، فلا يجب أن تخشى رفضه من أجل استخدام الحجج الصادقة فقط للدفاع عن إيمانك.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية

تاريخيا ، نشأ القانون الثاني للديناميكا الحرارية من تحليل تشغيل المحركات الحرارية (S. Carnot، 1824). هناك العديد من الصيغ المكافئة له. يعود اسم "القانون الثاني للديناميكا الحرارية" وتاريخيا صيغته الأولى (1850) إلى R. Clausius.

لا يسمح القانون الأول للديناميكا الحرارية ، الذي يعبر عن قانون حفظ الطاقة وتحويلها ، بتحديد اتجاه تدفق العمليات الديناميكية الحرارية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للمرء أن يتخيل العديد من العمليات التي لا تتعارض مع القانون الأول ، حيث يتم حفظ الطاقة ، ولكنها لا تتم في الطبيعة.

تظهر التجربة أن أنواعًا مختلفة من الطاقة غير متكافئة من حيث القدرة على التحول إلى أنواع أخرى من الطاقة. يمكن تحويل الطاقة الميكانيكية بالكامل إلى طاقة داخلية لأي جسم. بالنسبة للتحولات العكسية للطاقة الداخلية إلى أنواع أخرى ، توجد قيود معينة: لا يمكن تحويل مخزون الطاقة الداخلية ، تحت أي ظرف من الظروف ، بالكامل إلى أنواع أخرى من الطاقة. يرتبط اتجاه العمليات في الطبيعة بالسمات الملحوظة لتحولات الطاقة.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو المبدأ الذي يؤسس عدم رجوع العمليات العيانية التي تحدث بمعدل محدود.

على عكس العمليات الميكانيكية البحتة (بدون الاحتكاك) أو الديناميكية الكهربية (بدون إطلاق حرارة جول) ، فإن العمليات المرتبطة بنقل الحرارة عند اختلاف درجة حرارة محدودة (أي التدفق بسرعة محدودة) ، مع الاحتكاك ، وانتشار الغازات ، وتمدد الغازات إلى الفراغ ، فإن إطلاق حرارة جول ، وما إلى ذلك ، لا رجوع فيه ، أي أنه يمكن أن يتدفق تلقائيًا في اتجاه واحد فقط.

يعكس القانون الثاني للديناميكا الحرارية اتجاه العمليات الطبيعية ويفرض قيودًا على الاتجاهات المحتملة لتحولات الطاقة في الأنظمة العيانية ، مما يشير إلى العمليات الممكنة في الطبيعة والتي ليست كذلك.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو افتراض لا يمكن إثباته في إطار الديناميكا الحرارية. تم إنشاؤه على أساس تعميم الحقائق التجريبية وتلقى العديد من التأكيدات التجريبية.

بيانات القانون الثاني للديناميكا الحرارية

1). صياغة كارنو: لا تعتمد أعلى كفاءة للمحرك الحراري على نوع سائل العمل ويتم تحديدها تمامًا بواسطة درجات الحرارة المحددة, بين التي تعمل الآلة.

2). صياغة Clausius: لا توجد عملية ممكنة تكون نتيجتها الوحيدة هي نقل الطاقة في شكل حرارة من جسم أقل تسخينًا, لجسم أكثر دفئا.

لا يحظر القانون الثاني للديناميكا الحرارية انتقال الحرارة من جسم أقل تسخينًا إلى جسم أكثر سخونة. يتم تنفيذ هذا الانتقال في آلة التبريد ، ولكن في نفس الوقت ، تقوم القوى الخارجية بالعمل على النظام ، أي هذا الانتقال ليس النتيجة الوحيدة للعملية.

3). صياغة كلفن: لا توجد عملية دائرية ممكنة, والنتيجة الوحيدة لذلك هي تحول الحرارة, وردت من المدفأة, في وظيفة معادلة.

للوهلة الأولى ، قد يبدو أن مثل هذه الصيغة تتعارض مع التمدد متساوي الحرارة لغاز مثالي. في الواقع ، يتم تحويل كل الحرارة التي يتلقاها غاز مثالي من جسم ما إلى عمل. ومع ذلك ، فإن الحصول على الحرارة وتحويلها إلى عمل ليس هو النتيجة النهائية الوحيدة للعملية ؛ بالإضافة إلى ذلك ، نتيجة للعملية ، يحدث تغيير في حجم الغاز.

ملاحظة.: من الضروري الانتباه إلى عبارة "النتيجة الوحيدة" ؛ تتم إزالة المحظورات المنصوص عليها في القانون الثاني إذا لم تكن العمليات المعنية هي الوحيدة.

4). صياغة أوستوالد: من المستحيل تنفيذ النوع الثاني من آلة الحركة الدائمة.

آلة الحركة الدائمة من النوع الثاني هي عبارة عن جهاز يعمل بشكل دوري, الذي يعمل عن طريق تبريد مصدر حرارة واحد.

مثال على هذا المحرك هو محرك السفينة الذي يأخذ الحرارة من البحر ويستخدمها لدفع السفينة. مثل هذا المحرك سيكون عمليا أبديا ، لأنه. إمدادات الطاقة في البيئة عمليا غير محدودة.

من وجهة نظر الفيزياء الإحصائية ، فإن القانون الثاني للديناميكا الحرارية له طابع إحصائي: فهو صالح للسلوك الأكثر احتمالية للنظام. إن وجود التقلبات يعيق تنفيذها بدقة ، لكن احتمال حدوث أي انتهاك كبير ضئيل للغاية.

إنتروبيا

تم تقديم مفهوم "الإنتروبيا" إلى العلم بواسطة R. Clausius في عام 1862 وتم تشكيله من كلمتين: " en"- طاقة،" مجاز" - أنتقل.

وفقًا لقانون الصفر للديناميكا الحرارية ، يمر النظام الديناميكي الحراري المعزول تلقائيًا بمرور الوقت إلى حالة من التوازن الديناميكي الحراري ويبقى فيه لفترة طويلة بشكل تعسفي إذا ظلت الظروف الخارجية دون تغيير.

في حالة التوازن ، يتم تحويل جميع أنواع طاقة النظام إلى طاقة حرارية للحركة الفوضوية للذرات والجزيئات التي يتكون منها النظام. لا توجد عمليات عيانية ممكنة في مثل هذا النظام.

يعمل الانتروبيا كمقياس كمي لانتقال نظام معزول إلى حالة توازن. عندما ينتقل النظام إلى حالة التوازن ، تزداد إنتروبيته وتصل إلى الحد الأقصى عندما يتم الوصول إلى حالة التوازن.

الانتروبيا هي دالة لحالة النظام الديناميكي الحراري ، يُشار إليها بـ:.

التبرير النظري: انخفاض الحرارة,إنتروبيا

من التعبير عن كفاءة دورة كارنو: ويترتب على ذلك ، أو أين كمية الحرارة المنبعثة من سائل العمل إلى الثلاجة ، فإننا نقبل:.

ثم يمكن كتابة العلاقة الأخيرة على النحو التالي:

يُطلق على نسبة الحرارة التي يتلقاها الجسم في عملية متساوية الحرارة إلى درجة حرارة الجسم الذي يطلق الحرارة كمية مخفضة من الحرارة:

مع الأخذ في الاعتبار الصيغة (2) ، يمكن تمثيل الصيغة (1) على النحو التالي:

أولئك. بالنسبة لدورة كارنو ، يكون المجموع الجبري لكميات الحرارة المخفضة هو صفر.

انخفاض كمية الحرارة المنقولة إلى الجسم في جزء صغير جدًا من العملية:.

كمية الحرارة المخفضة لقسم تعسفي:

يُظهر التحليل النظري الدقيق أنه بالنسبة لأي عملية دائرية عكسية ، يكون مجموع الكميات المخفضة من الحرارة صفرًا:

يترتب على المساواة إلى الصفر من التكامل (4) أن التكامل و هو التفاضل الكلي لبعض الوظائف ، والتي يتم تحديدها فقط من خلال حالة النظام ولا تعتمد على المسار الذي وصل به النظام إلى هذه الحالة:

دالة حالة ذات قيمة واحدة, الذي هو مجموع الفرق ,يسمى الانتروبيا .

الصيغة (5) صالحة فقط للعمليات القابلة للعكس ؛ في حالة العمليات غير المتوازنة التي لا رجعة فيها ، مثل هذا التمثيل غير صالح.

خصائص الانتروبيا

1). يتم تحديد الانتروبيا حتى ثابت تعسفي. ليس الإنتروبيا نفسها هي التي لها معنى فيزيائي ، ولكن الفرق بين إنتروبيا حالتين:

. (6)

مثال: إذا كان النظام (الغاز المثالي) يقوم بانتقال التوازن من الحالة 1 إلى الحالة 2 ، فإن التغيير في الإنتروبيا هو:

,

أين ؛ .

أولئك. لا يعتمد التغيير في إنتروبيا الغاز المثالي أثناء انتقاله من الحالة 1 إلى الحالة 2 على نوع عملية الانتقال.

في الحالة العامة ، في الصيغة (6) ، لا تعتمد زيادة الانتروبيا على مسار التكامل.

2) يمكن تعيين القيمة المطلقة للإنتروبيا باستخدام القانون الثالث للديناميكا الحرارية (نظرية نرنست):

تميل إنتروبيا أي جسم إلى الصفر عندما تميل درجة حرارته إلى الصفر المطلق: .

وهكذا ، بالنسبة للنقطة المرجعية الأولية للإنتروبيا تؤخذ عند .

3). الانتروبيا هي كمية مضافة ، أي إنتروبيا نظام من عدة أجسام هي مجموع إنتروبيا كل جسم:.

4). مثل الطاقة الداخلية ، فإن الانتروبيا هي دالة لبارامترات النظام الديناميكي الحراري .

5) ، تسمى العملية التي تحدث في الانتروبيا الثابتة متماثل.

في عمليات التوازن بدون انتقال الحرارة ، لا يتغير الانتروبيا.

على وجه الخصوص ، عملية ثابت الحرارة قابلة للانعكاس متجانسة: بالنسبة لها ؛ ، أي. .

6). في الحجم الثابت ، الانتروبيا هي وظيفة متزايدة بشكل رتيب للطاقة الداخلية للجسم.

في الواقع ، من القانون الأول للديناميكا الحرارية يترتب على ذلك: , ثم . لكن درجة الحرارة دائمًا ولذلك فإن الزيادات لها نفس العلامة التي تم إثباتها.

أمثلة على الانتروبيا تتغير في عمليات مختلفة

1). مع توسع متساوي الضغط للغاز المثالي

2). مع توسع متساوي الصدر لغاز مثالي

3). في التمدد متساوي الحرارة للغاز المثالي

.

4). أثناء انتقالات المرحلة

مثال: أوجد التغير في الانتروبيا أثناء تحول كتلة الجليد عند درجة حرارة إلى بخار.

حل

القانون الأول للديناميكا الحرارية: .

من معادلة Mendeleev-Clapeyron ما يلي:.

ثم تأخذ التعبيرات الخاصة بالقانون الأول للديناميكا الحرارية الشكل:

.

أثناء الانتقال من حالة تجميع إلى أخرى ، تغيير عاميتكون الانتروبيا من التغييرات في العمليات الفردية:

أ). تسخين الثلج من درجة الحرارة إلى نقطة الانصهار:

، أين السعة الحرارية النوعية للجليد.

ب). ذوبان الجليد: ، أين هي الحرارة النوعية لذوبان الجليد.

في). تسخين الماء من درجة الحرارة إلى نقطة الغليان:

أين هي السعة الحرارية المحددة للماء.

ز). تبخر الماء: ، أين هي الحرارة النوعية لتبخير الماء.

ثم يكون التغيير الكلي في الانتروبيا هو:

مبدأ زيادة الانتروبيا

إنتروبيا نظام مغلق لأي ، العمليات التي تحدث فيه لا تنقص:

أو للعملية النهائية: ، لذلك:.

تشير علامة المساواة إلى عملية قابلة للعكس ، وعلامة عدم المساواة إلى علامة لا رجعة فيها. الصيغتان الأخيرتان هما التعبير الرياضي للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. وهكذا ، فإن إدخال مفهوم "الإنتروبيا" جعل من الممكن صياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية رياضياً بشكل صارم.

تؤدي العمليات التي لا رجعة فيها إلى إنشاء حالة توازن. في هذه الحالة ، تصل إنتروبيا النظام المعزول إلى الحد الأقصى. لا توجد عمليات عيانية ممكنة في مثل هذا النظام.

إن حجم التغيير في الانتروبيا هو خاصية نوعية لدرجة عدم رجوع العملية.

ينطبق مبدأ زيادة الانتروبيا على الأنظمة المعزولة. إذا لم يتم عزل النظام ، فقد تنخفض إنتروبيا.

خاتمة: لأن جميع العمليات الحقيقية لا رجعة فيها ، فكل العمليات في نظام مغلق تؤدي إلى زيادة في إنتروبيا.

الإثبات النظري للمبدأ

لنفكر في نظام مغلق يتكون من سخان وثلاجة ومائع عامل و "مستهلك" للعمل المنجز (جسم يتبادل الطاقة مع مائع العمل فقط في شكل عمل) يؤدي دورة كارنو. هذه عملية قابلة للعكس يكون تغيير الانتروبيا فيها:

,

أين هو التغيير في إنتروبيا مائع العمل ؛ هو التغيير في إنتروبيا السخان ؛ هو التغيير في إنتروبيا الثلاجة ؛ - تغيير في إنتروبيا "المستهلك" للعمل.

§ 10.2. القانون الثاني للديناميكا الحرارية. إنتروبيا

القانون الأول للديناميكا الحرارية ، والذي هو في الأساس تعبير عن قانون الحفاظ على الطاقة ، لا يشير إلى اتجاه المسار المحتمل للعمليات. لذلك ، على سبيل المثال ، وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية ، أثناء نقل الحرارة سيكون من الممكن أيضًا نقل الحرارة تلقائيًا من جسم أكثر تسخينًا إلى جسم أقل تسخينًا ، والعكس بالعكس ، من جسم أقل تسخينًا إلى جسم أكثر سخونة. جسم. ومع ذلك ، فمن المعروف من التجربة اليومية أن العملية الثانية ليست حقيقية بطبيعتها ؛ لذلك ، على سبيل المثال ، لا يمكن تسخين الماء في الغلاية تلقائيًا بسبب تبريد الهواء في الغرفة. مثال آخر: عندما يسقط الحجر على الأرض ، فإنه يسخن ، وهو ما يعادل التغير في الطاقة الكامنة ، والعملية العكسية - الرفع التلقائي للحجر فقط بسبب تبريده - أمر مستحيل.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، مثل القانون الأول ، هو تعميم للبيانات التجريبية.

توجد عدة صيغ للقانون الثاني للديناميكا الحرارية: لا يمكن للحرارة أن تنتقل تلقائيًا من جسم ذي درجة حرارة منخفضة إلى جسم بدرجة حرارة أعلى (صيغة كلاوزيوس) ، أو أن آلة الحركة الدائمة من النوع الثاني مستحيلة (صياغة طومسون) ، أي أن مثل هذه العملية الدورية مستحيلة ، والنتيجة الوحيدة لها ستكون تحويل الحرارة إلى عمل بسبب تبريد الجسم.

في المحرك الحراري ، يتم العمل بسبب الحرارة المنقولة ، ولكن يتم بالضرورة نقل جزء من الحرارة إلى الثلاجة. على التين. يوضح الشكل 10.4 بشكل تخطيطي ، على التوالي ، المستحيل (أ) والممكن (ب) ، وفقًا للقانون الثاني ، العمليات الدورية.

ضع في اعتبارك بعض المفاهيم الديناميكية الحرارية التي تسمح لنا بتحديد القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

تسمى العملية 1-2 بالعكس إذا كان من الممكن إجراء العملية العكسية 2-1 من خلال جميع الحالات الوسيطة بحيث بعد عودة النظام إلى حالته الأصلية ، لا تحدث أي تغييرات في الأجسام المحيطة.

العملية القابلة للعكس هي تجريد مادي. جميع العمليات الحقيقية لا رجوع فيها ، حتى لو كان ذلك بسبب وجود قوة احتكاك ، مما يؤدي إلى تسخين الأجسام المحيطة. بعض الأمثلة المميزة للعمليات التي لا رجعة فيها هي توسع الغاز في الفراغ ، والانتشار ، ونقل الحرارة ، وما إلى ذلك لإعادة النظام إلى حالته الأولية في جميع هذه الحالات ، يجب أن يتم العمل بواسطة هيئات خارجية.

الدورة أو العملية الدائرية هي عملية يعود فيها النظام إلى حالته الأصلية.

جي الرسم البياني للدورة عبارة عن خط مغلق. الدورة الموضحة في الشكل. 10.5 ، - مباشر ، يتوافق مع محرك حراري ، أي جهاز يتلقى كمية من الحرارة من جسم معين - باعث حرارة (سخان) ، يؤدي العمل و

يعطي جزءًا من هذه الحرارة لجسم آخر - جهاز استقبال حرارة (ثلاجة) (الشكل 10.4 ، ب).

في هذه الدورة ، تؤدي مادة العمل (الغاز) ككل عملًا إيجابيًا (الشكل 10.5): في العملية 1-a-2 ، يتمدد الغاز ، ويكون العمل موجبًا ومساويًا عدديًا للمنطقة الواقعة أسفل المنحنى 1- أ -2 ؛ في العملية 2-b-1 ، يكون الشغل سالبًا (ضغط الغاز) ويساوي عدديًا المنطقة الواقعة أسفل المنحنى المقابل. يعطي الجمع الجبري العمل الإيجابي الإجمالي الذي يقوم به الغاز في كل دورة. إنه يساوي عدديًا المساحة التي يحدها المنحنى المغلق 1-a-2-b-1.

كفاءة المحرك الحراري أو الدورة المباشرة هي نسبة العمل المنجز إلى كمية الحرارة التي تتلقاها مادة العمل

من السخان:

نظرًا لأن عمل المحرك الحراري يتم بسبب كمية الحرارة ، ولا تتغير الطاقة الداخلية لمادة العمل في كل دورة (AU \ u003d 0) ، فإنه يتبع القانون الأول للديناميكا الحرارية الذي يعمل في العمليات الدائرية يساوي المجموع الجبري لكميات الحرارة: A \ u003d Q X + Q 2.

لذلك،

كمية الحرارة Q v التي تتلقاها مادة العمل موجبة ، وكمية الحرارة Q 2 التي تعطيها مادة العمل للثلاجة سالبة.

عن دورة Brother 2 تتوافق مع تشغيل آلة التبريد ، أي مثل هذا النظام الذي يأخذ الحرارة من الثلاجة وينقل المزيد من الحرارة إلى السخان. على النحو التالي من القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، هذه العملية (الشكل 10.6) لا يمكن أن تستمر من تلقاء نفسها ، فهي تحدث بسبب عمل الهيئات الخارجية. في هذه الحالة ، يقوم الغاز بعمل سلبي: عمل الضغط في عملية 2-a-1 سالب ، عمل. نتيجة التوسع الجبري في العملية 1-6-2 يكون موجب. نتيجة الجمع نحصل على الشغل السالب للغاز عدديًا يساوي المنطقة، يحده منحنى 2-a-1 -b-2.

ضع في اعتبارك دورة كارنو (الشكل 10.7) ، أي عملية دائرية تتكون من اثنين من متساوي الحرارة 1-2 ، 3-4 ، والتي تتوافق مع درجات الحرارة T 1 و T 2 (T 1 \ u003e T 2) ، واثنين من adiabats 2- 3 ، 4-1. في هذه الدورة ، تكون مادة العمل غازًا مثاليًا. يحدث نقل كمية الحرارة من المدفأة إلى مادة العمل عند درجة حرارة T 1 ومن مادة العمل إلى الثلاجة - عند درجة حرارة T 2. بدون دليل ، نشير إلى أن كفاءة دورة Carnot القابلة للعكس تعتمد فقط على درجات الحرارة T 1 و T 2 للسخان والثلاجة:

أثبت كارنو ، بناءً على القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، ما يلي: كفاءة جميع الآلات القابلة للانعكاس التي تعمل في دورة تتكون من اثنين من متساوي الحرارة واثنين من الأديبات ، مع سخان عند درجة حرارة T g وثلاجة عند درجة حرارة T 2 ، هي متساوية مع بعضها البعض ولا تعتمد على مواد العمل وهياكل الآلة التي تصنع الدورة ؛ كفاءة آلة لا رجعة فيها أقل من آلة قابلة للعكس.

استنادًا إلى (10.9) و (10.10) ، يمكن كتابة هذه الأحكام كـ

حيث تشير العلامة "=" إلى دورة قابلة للعكس ، والعلامة "<» - к необ­ратимому.

هذا التعبير هو صيغة كمية للمبدأ الثاني. دعونا نظهر أن كلا الصيغتين النوعيتين اللتين تم تقديمهما في بداية القسم هما نتيجتهما الطبيعية.

لنفترض أن التبادل الحراري يحدث بين جسمين بدون عمل ، أي Q l + Q 2 = 0. ثم [انظر. (10.11)] T 1 - T 2> 0 و T 1> T 2 ، والتي تتوافق مع صيغة Clausius: في عملية عفوية ، تنتقل الحرارة من أجسام ذات درجة حرارة أعلى إلى أجسام ذات درجة حرارة أقل.

في حالة أن المحرك الحراري ينفق تمامًا كل الطاقة الواردة أثناء نقل الحرارة لأداء العمل ولا يعطي طاقة للثلاجة ، س 2 \ u003d 0 ومن (10.11) لدينا

وهو أمر مستحيل ، لأن T 1 و T 2 موجبة. من هذا يتبع صياغة طومسون لاستحالة آلة الحركة الدائمة من النوع الثاني. دعنا نحول التعبير (10.11):

تسمى نسبة كمية الحرارة المتلقاة أو المنبعثة من مادة العمل إلى درجة الحرارة التي يحدث عندها التبادل الحراري بالكمية المخفضة للحرارة.

لذلك ، يمكن صياغة (10.12) على النحو التالي: لا يكون المجموع الجبري للكميات المخفضة للحرارة لكل دورة أكبر من الصفر (في الدورات القابلة للعكس يكون صفرًا ، وفي الدورات التي لا رجعة فيها يكون أقل من الصفر).

إذا لم تتغير حالة النظام وفقًا لدورة Carnot ، ولكن وفقًا لبعض الدورات التعسفية ، فيمكن تمثيلها كمجموعة من دورات Carnot الصغيرة بدرجة كافية (الشكل 10.8). ثم يتم تحويل التعبير (10.12) إلى مجموع كميات صغيرة مخفضة بدرجة كافية من الحرارة ، والتي يتم التعبير عنها في النهاية بواسطة التكامل

التعبير (10.13) صالح لأي (علامة "لا رجعة فيها"<») или обратимого (знак «=») цикла; dQ/T - элементарная при­веденная теплота. Кружок на знаке интеграла означает, что интег­рирование проводится по замкнутому контуру, т. е. по циклу. 1 Рассмотрим обратимый цикл (см. рис. 10.5), состоящий из двух процессов аи б. Для него справедливо равенство:

بناءً على (10.13) للدورات القابلة للعكس ، لدينا

و
تغيير حدود التكامل على طول المسار ب ، نحصل عليه

يعني الأخير أن مجموع كميات الحرارة المخفضة أثناء الانتقال العكسي للنظام من حالة إلى أخرى لا يعتمد على العملية ، وبالنسبة لكتلة معينة من الغاز يتم تحديدها فقط من خلال الحالات الأولية والنهائية للنظام . على التين. يوضح الشكل 10.9 الرسوم البيانية لمختلف العمليات القابلة للانعكاس (أ ، ب ، ج) ، والتي تكون الحالات الأولية 1 والأخيرة فيها شائعة. تختلف كمية الحرارة والعمل في هذه العمليات ، ولكن يتبين أن مجموع الكميات المخفضة من الحرارة هو نفسه.

عادة ما يتم التعبير عن الخاصية الفيزيائية التي لا تعتمد على عملية أو إزاحة على أنها الفرق بين قيمتين لوظيفة معينة تقابل الحالة النهائية والأولية للعملية أو مواقف النظام. لذلك ، على سبيل المثال ، يسمح لنا استقلال عمل الجاذبية عن المسار بالتعبير عن هذا العمل من حيث الاختلاف في الطاقات الكامنة في نقاط نهاية المسار ؛ يسمح لنا استقلالية عمل قوى المجال الكهروستاتيكي عن مسارات الشحنة بربط هذا العمل بالفرق المحتمل لنقاط المجال ، والتي تكون حدودًا أثناء حركته.

وبالمثل ، يمكن تمثيل مجموع الكميات المخفضة من الحرارة لعملية عكسية على أنها الفرق بين قيمتين لبعض وظائف حالة النظام ، والتي تسمى الانتروبيا:

حيث S 2 و S 1 - إنتروبيا ، على التوالي ، في الحالة الثانية والأولى الأولى. لذا ، فإن الانتروبيا هي دالة لحالة النظام ، والفرق في قيمها لحالتين يساوي مجموع كميات الحرارة المخفضة أثناء الانتقال العكسي للنظام من حالة إلى أخرى.

إذا كانت العملية لا رجعة فيها ، فإن المساواة (10.15) لا تصمد. دعنا نعطي دورة (الشكل 10.10) تتكون من 2-b-1 قابلة للعكس وعملية 1-a-2 لا رجعة فيها. نظرًا لأن جزءًا من الدورة لا رجوع فيه ، فإن الدورة بأكملها أيضًا لا رجعة فيها ، لذلك ، بناءً على (10.13) ، نكتب

وفقًا لـ (10.15) ، فبدلاً من (10.16) نحصل ، أو

لذلك ، في عملية لا رجوع فيها ، يكون مجموع الكميات المخفضة من الحرارة أقل من التغير في الانتروبيا. من خلال الجمع بين الجانبين الأيمن (10.15) و (10.17) نحصل على

حيث تشير العلامة "=" إلى إمكانية التراجع ، وتشير العلامة ">" إلى عمليات لا رجوع فيها.

تم الحصول على العلاقة (10.18) على أساس (10.11) وبالتالي فهي تعبر أيضًا عن القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

دعونا نؤسس المعنى المادي للإنتروبيا.

تعطي الصيغة (10.15) فقط فرق الانتروبيا ، بينما يتم تحديد الانتروبيا نفسها حتى ثابت اعتباطي:

إذا كان النظام قد انتقل من حالة إلى أخرى ، فبغض النظر عن طبيعة العملية - سواء كانت قابلة للعكس أو لا رجوع فيها - يتم حساب التغيير في الانتروبيا بواسطة الصيغة (10.15) لأي عملية قابلة للعكس تحدث بين هذه الحالات. هذا يرجع إلى حقيقة أن الانتروبيا هي وظيفة لحالة النظام.

يمكن حساب فرق الانتروبيا بين الحالتين بسهولة في عملية متساوية الحرارة قابلة للانعكاس:

حيث Q هي الكمية الإجمالية للحرارة التي يتلقاها النظام أثناء الانتقال من الحالة 1 إلى الحالة 2 عند درجة حرارة ثابتة T. تُستخدم الصيغة الأخيرة لحساب التغيير في الانتروبيا في عمليات مثل الذوبان والتبخر وما إلى ذلك. في هذه الحالات ، Q هي حرارة تحولات المرحلة. إذا حدثت العملية في نظام معزول (dQ = 0) ، ثم [see. (10.18)] في عملية قابلة للعكس ، لا تتغير الإنتروبيا: S 2 - S 1 = 0 ، S = const ، وفي عملية لا رجعة فيها ، فإنها تزداد. يمكن توضيح ذلك من خلال مثال التبادل الحراري بين جسمين يشكلان نظامًا معزولًا ودرجات الحرارة T 1 و T 2 ، على التوالي (T 1> T 2). إذا مرت كمية صغيرة من الحرارة dQ من الجسم الأول إلى الثاني ، فإن إنتروبيا الجسم الأول تتناقص بمقدار dS 1 = dQ / T 1 ، وتزداد إنتروبيا الجسم الثاني بمقدار dS 2 = dQ / T 2. نظرًا لأن كمية الحرارة صغيرة ، يمكننا أن نفترض أن درجات حرارة الجسمين الأول والثاني لا تتغير أثناء التبادل الحراري. التغيير الكلي في إنتروبيا النظام إيجابي:

وبالتالي ، تزداد إنتروبيا نظام معزول. إذا كان هناك انتقال تلقائي للحرارة في هذا النظام من جسم ذي درجة حرارة منخفضة إلى جسم ذي درجة حرارة أعلى ، فإن إنتروبيا النظام ستنخفض:

وهذا يناقض (10.18). وهكذا ، في نظام معزول ، لا يمكن أن تحدث مثل هذه العمليات التي تؤدي إلى انخفاض في إنتروبيا النظام (صيغة أخرى للقانون الثاني للديناميكا الحرارية).

لن تحدث الزيادة في الانتروبيا في نظام معزول إلى أجل غير مسمى. في المثال المذكور أعلاه ، سوف تتساوى درجات حرارة الأجسام بمرور الوقت ، وسيتوقف انتقال الحرارة بينها وستأتي حالة التوازن (انظر الفقرة 1.10). في هذه الحالة ، ستبقى معلمات النظام دون تغيير ، وستصل الإنتروبيا إلى أقصى حد لها.

وفقًا لنظرية الحركية الجزيئية ، يمكن وصف الانتروبيا بشكل أفضل على أنها مقياس للاضطراب في ترتيب الجسيمات في النظام. لذلك ، على سبيل المثال ، مع انخفاض حجم الغاز ، تُجبر جزيئاته على احتلال المزيد والمزيد من المواضع المحددة بالنسبة إلى بعضها البعض ، وهو ما يتوافق مع ترتيب أكبر في النظام ، بينما تتناقص الإنتروبيا. عندما يتكثف الغاز أو يتبلور السائل عند درجة حرارة ثابتة ، تنطلق الحرارة وتقل الانتروبيا. وفي هذه الحالة ، هناك زيادة في ترتيب الجسيمات.

يتميز اضطراب حالة النظام كميًا بالاحتمال الديناميكي الحراري W t ep. لتوضيح معناها ، ضع في اعتبارك نظامًا يتكون من أربعة جسيمات غاز: أ ، ب ، ج ، د (الشكل 10.11). تنقسم هذه الجسيمات في حجم عقلي إلى خليتين متساويتين ويمكنهما التحرك بحرية فيهما.

حالة النظام ، التي يحددها عدد الجسيمات في الخليتين الأولى والثانية ، سوف نسميها macrostate ؛ حالة النظام ، التي تحددها جزيئات معينة في كل خلية ، هي دولة صغيرة. ثم (الشكل 10.11 ، أ) تتحقق الحالة الكلية - جسيم واحد في الخلية الأولى وثلاثة جسيمات في الثانية - بواسطة أربع دول دقيقة. تتحقق الحالة الكلية المقابلة لوضع أربعة جسيمات بالتساوي ، اثنان في كل خلية ، بواسطة ست دول دقيقة (الشكل 10.11.6).

الاحتمال الديناميكي الحراري هو عدد طرق وضع الجسيمات أو عدد الدول المجهرية التي تحقق حالة كبيرة معينة.

في الأمثلة المدروسة ، W t ep = 4 في الحالة الأولى و W t ep = 6 في الحالة الثانية. من الواضح أن التوزيع المنتظم للجسيمات على الخلايا (خليتان) يتوافق مع احتمال ديناميكي حراري مرتفع. من ناحية أخرى ، فإن التوزيع المنتظم للجسيمات يتوافق مع حالة التوازن مع أعلى إنتروبيا. يتضح من نظرية الاحتمالية أن النظام ، الذي يُترك لنفسه ، يميل إلى الوصول إلى الحالة الكلية ، والتي تتحقق بأكبر عدد من الطرق ، أي أكبر عدد من الدول الصغرى ، أي إلى الحالة ذات الاحتمال الأكبر في الديناميكا الحرارية.

لاحظ أنه إذا تم السماح للغاز بالتمدد ، فإن جزيئاته سوف تميل إلى احتلال الحجم الكامل المحتمل بشكل موحد ، وفي هذه العملية تزداد الإنتروبيا. العملية العكسية - ميل الجزيئات إلى احتلال جزء فقط من الحجم ، على سبيل المثال ، نصف الغرفة - لم تتم ملاحظتها ؛ وهذا يتوافق مع حالة ذات احتمال ديناميكي حراري أقل بكثير وانتروبيا أقل.

من هذا يمكننا أن نستنتج أن الانتروبيا مرتبطة باحتمال الديناميكا الحرارية. وجد بولتزمان أن الانتروبيا مرتبطة خطيًا بلوغاريتم الاحتمال الديناميكي الحراري:

أين ك هو ثابت بولتزمان.

القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو قانون إحصائي ، على عكس ، على سبيل المثال ، القانون الأول للديناميكا الحرارية أو قانون نيوتن الثاني.

بيان القانون الثاني حول استحالة بعض العمليات ، في جوهره ، هو بيان حول احتمالية منخفضة للغاية ، غير محتملة عمليا ، أي استحالة.

على المستوى الكوني ، لوحظت انحرافات كبيرة عن القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، لكنه لا ينطبق على الكون بأكمله ، وكذلك على الأنظمة التي تتكون من عدد صغير من الجزيئات.

في الختام ، نلاحظ مرة أخرى أنه إذا كان القانون الأول للديناميكا الحرارية يحتوي على توازن الطاقة للعملية ، فإن القانون الثاني يوضح اتجاهها المحتمل. مثلما يكمل القانون الثاني للديناميكا الحرارية القانون الأول ، فإن الإنتروبيا تكمل مفهوم الطاقة.

كما تعلم ، يعكس القانون الأول للديناميكا الحرارية قانون حفظ الطاقة في العمليات الديناميكية الحرارية ، لكنه لا يعطي فكرة عن اتجاه العمليات. بالإضافة إلى ذلك ، يمكنك التوصل إلى العديد من العمليات الديناميكية الحرارية التي لن تتعارض مع القانون الأول ، ولكن في الواقع مثل هذه العمليات غير موجودة. إن وجود القانون الثاني (بداية) للديناميكا الحرارية ناتج عن الحاجة إلى إثبات إمكانية وجود عملية معينة. يحدد هذا القانون اتجاه تدفق العمليات الديناميكية الحرارية. عند صياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، يتم استخدام مفاهيم الانتروبيا وعدم المساواة كلاوسيوس. في هذه الحالة ، تمت صياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية كقانون نمو إنتروبيا نظام مغلق إذا كانت العملية لا رجوع فيها.

بيانات القانون الثاني للديناميكا الحرارية

إذا حدثت عملية في نظام مغلق ، فإن إنتروبيا هذا النظام لا تنقص. في شكل معادلة ، يتم كتابة القانون الثاني للديناميكا الحرارية على النحو التالي:

حيث S - إنتروبيا ؛ L هو المسار الذي يمر به النظام من حالة إلى أخرى.

في هذه الصيغة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، ينبغي الانتباه إلى حقيقة أنه يجب إغلاق النظام قيد الدراسة. في النظام المفتوح ، يمكن للإنتروبيا أن تتصرف كما تريد (وتنقص ، وتزيد ، وتبقى ثابتة). لاحظ أن الإنتروبيا لا تتغير في نظام مغلق أثناء العمليات القابلة للعكس.

إن نمو الانتروبيا في نظام مغلق خلال عمليات لا رجعة فيها هو انتقال النظام الديناميكي الحراري من حالات ذات احتمالية أقل إلى حالات ذات احتمالية أعلى. تعطي صيغة بولتزمان المعروفة التفسير الإحصائيالقانون الثاني للديناميكا الحرارية:

أين ك هو ثابت بولتزمان ؛ ث - الاحتمال الديناميكي الحراري (عدد الطرق التي يمكن من خلالها إدراك الحالة الكلية للنظام). إذن ، القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو قانون إحصائي ، يرتبط بوصف أنماط الحركة الحرارية (الفوضوية) للجزيئات التي تشكل نظامًا حراريًا ديناميكيًا.

صيغ أخرى للقانون الثاني للديناميكا الحرارية

هناك عدد من الصيغ الأخرى للقانون الثاني للديناميكا الحرارية:

1) صياغة كلفن: من المستحيل إنشاء عملية دائرية ، تكون نتيجتها حصريًا تحويل الحرارة ، التي يتم تلقيها من المدفأة ، إلى عمل. من هذه الصيغة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، نستنتج أنه من المستحيل إنشاء آلة الحركة الدائمة من النوع الثاني. هذا يعني أن المحرك الحراري الذي يعمل بشكل دوري يجب أن يحتوي على سخان ، وسائل عمل وثلاجة. في هذه الحالة ، لا يمكن أن تكون كفاءة المحرك الحراري المثالي أكبر من كفاءة دورة كارنو:

أين درجة حرارة السخان؟ - درجة حرارة الثلاجة ؛ (العنوان = "(! LANG: تم التقديم بواسطة QuickLaTeX.com" height="15" width="65" style="vertical-align: -3px;">).!}

2) صياغة Clausius: من المستحيل إنشاء عملية دائرية نتيجة لانتقال الحرارة فقط من جسم ذي درجة حرارة منخفضة إلى جسم ذي درجة حرارة أعلى.

يشير القانون الثاني للديناميكا الحرارية إلى اختلاف كبير بين شكلي نقل الطاقة (العمل والحرارة). ويترتب على هذا القانون انتقال الحركة المنظمة للجسم ككل إلى الحركة الفوضوية لجزيئات الجسم و بيئة خارجية- هي عملية لا رجوع فيها. في هذه الحالة ، يمكن أن تتحول الحركة المنظمة إلى حركة فوضوية بدون عمليات (تعويضية) إضافية. في حين أن انتقال الحركة المضطربة إلى أمر يجب أن يكون مصحوبًا بعملية تعويض.

أمثلة على حل المشكلات

مثال 1

مثال 2

نشأت الديناميكا الحرارية كفرع مستقل من العلوم الفيزيائية في النصف الأول من القرن التاسع عشر. لقد بزغ عصر الآلات. تطلبت الثورة الصناعية دراسة وفهم العمليات المرتبطة بتشغيل المحركات الحرارية. في فجر عصر الآلة ، كان بإمكان المخترعين المنفردين استخدام الحدس و "طريقة الوخز" فقط. لم يكن هناك نظام عام للاكتشافات والاختراعات ، ولا يمكن حتى أن يخطر ببال أي شخص أنها يمكن أن تكون مفيدة. لكن عندما أصبحت الآلات الحرارية (وبعد ذلك بقليل ، الكهربائية) أساس الإنتاج ، تغير الوضع. قام العلماء أخيرًا بفرز الارتباك المصطلحي الذي ساد حتى منتصف القرن التاسع عشر ، وقرروا ما نسميه الطاقة ، وما هي القوة ، وما هو الدافع.

ماذا تفترض الديناميكا الحرارية؟

لنبدأ بالمعرفة العامة. تستند الديناميكا الحرارية الكلاسيكية إلى العديد من الافتراضات (المبادئ) التي تم تقديمها على التوالي طوال القرن التاسع عشر. أي أن هذه الأحكام لا يمكن إثباتها في إطارها. تمت صياغتها كنتيجة لتعميم البيانات التجريبية.

القانون الأول هو تطبيق قانون حفظ الطاقة على وصف سلوك الأنظمة العيانية (التي تتكون من عدد كبير من الجسيمات). باختصار ، يمكن صياغتها على النحو التالي: يظل مخزون الطاقة الداخلية لنظام ديناميكي حراري معزول ثابتًا دائمًا.

معنى القانون الثاني للديناميكا الحرارية هو تحديد الاتجاه الذي تسير فيه العمليات في مثل هذه الأنظمة.

يسمح لك القانون الثالث بتحديد كمية مثل الإنتروبيا بدقة. دعونا ننظر في الأمر بمزيد من التفصيل.

مفهوم الانتروبيا

تم اقتراح صياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية في عام 1850 من قبل رودولف كلاوزيوس: "من المستحيل نقل الحرارة تلقائيًا من جسم أقل تسخينًا إلى جسم أكثر سخونة". في الوقت نفسه ، أكد كلاوسيوس على ميزة سادي كارنو ، الذي أثبت في وقت مبكر من عام 1824 أن نسبة الطاقة التي يمكن تحويلها إلى عمل محرك حراري تعتمد فقط على اختلاف درجة الحرارة بين السخان والثلاجة.

في مزيد من التطوير للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، يقدم كلاوسيوس مفهوم الانتروبيا - مقياس لكمية الطاقة التي تتحول بشكل لا رجعة فيه إلى شكل غير مناسب للتحويل إلى عمل. عبّر Clausius عن هذه القيمة بواسطة الصيغة dS = dQ / T ، حيث تحدد dS التغيير في الانتروبيا. هنا:

dQ - تغير الحرارة ؛

T - درجة الحرارة المطلقة (التي تقاس بالكلفن).

مثال بسيط: المس غطاء محرك السيارة أثناء تشغيل المحرك. من الواضح أنه أكثر دفئًا من البيئة. لكن محرك السيارة غير مصمم لتسخين غطاء المحرك أو الماء في المبرد. من خلال تحويل الطاقة الكيميائية للبنزين إلى حرارة ثم إلى طاقة ميكانيكية ، فإنه يقوم بعمل مفيد - فهو يقوم بتدوير العمود. لكن معظم الحرارة المتولدة تضيع ، لأنه لا يمكن استخلاص أي عمل مفيد منه ، وما يخرج من أنبوب العادم ليس بأي حال من الأحوال بنزين. في هذه الحالة ، تُفقد الطاقة الحرارية ، لكنها لا تختفي ، لكنها تتبدد (تتبدد). يبرد غطاء المحرك الساخن ، بالطبع ، وكل دورة من الأسطوانات في المحرك تضيف الحرارة إليه مرة أخرى. وبالتالي ، يميل النظام إلى الوصول إلى التوازن الديناميكي الحراري.

ميزات الانتروبيا

أحضر كلوسيوس المبدأ العامبالنسبة للقانون الثاني للديناميكا الحرارية في الصيغة dS ≥ 0. يمكن تعريف معناه الفيزيائي على أنه "عدم تناقص" الانتروبيا: في العمليات القابلة للعكس ، لا يتغير ، في العمليات التي لا رجعة فيها.

وتجدر الإشارة إلى أن مصطلح "غير متناقص" يعكس فقط حقيقة أن النسخة المثالية الممكنة نظريًا مدرجة أيضًا في دراسة الظاهرة. أي أن كمية الطاقة التي يتعذر الوصول إليها في أي عملية تلقائية تزداد.

القدرة على الوصول إلى الصفر المطلق

قدم ماكس بلانك مساهمة كبيرة في تطوير الديناميكا الحرارية. بالإضافة إلى العمل على التفسير الإحصائي للقانون الثاني ، قام بدور نشط في افتراض القانون الثالث للديناميكا الحرارية. الصيغة الأولى تنتمي إلى Walter Nernst وتشير إلى عام 1906. تعتبر نظرية نرنست سلوك نظام التوازن عند درجة حرارة تميل إلى الصفر المطلق. يجعل القانونان الأول والثاني للديناميكا الحرارية من المستحيل معرفة ما ستكون الانتروبيا في ظل ظروف معينة.

عند T = 0 K ، الطاقة تساوي صفرًا ، تتوقف جزيئات النظام عن الحركات الحرارية الفوضوية وتشكل بنية منظمة ، بلورة باحتمال ديناميكي حراري يساوي واحدًا. هذا يعني أن الإنتروبيا تختفي أيضًا (أدناه سنكتشف سبب حدوث ذلك). في الواقع ، حتى أنها تفعل ذلك قبل ذلك بقليل ، مما يعني أن تبريد أي نظام ديناميكي حراري ، أي جسم إلى الصفر المطلق أمر مستحيل. ستقترب درجة الحرارة بشكل تعسفي من هذه النقطة ، لكنها لن تصل إليها.

Perpetuum mobile: لا يمكنك ذلك ، حتى لو كنت تريد ذلك حقًا

عمم كلوسيوس وصاغ القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية بهذه الطريقة: تظل الطاقة الكلية لأي نظام مغلق دائمًا ثابتة ، ويزداد الانتروبيا الكلية بمرور الوقت.

يفرض الجزء الأول من هذا البيان حظراً على آلة الحركة الدائمة من النوع الأول - جهاز يعمل بدون تدفق للطاقة من مصدر خارجي. يحظر الجزء الثاني أيضًا آلة الحركة الدائمة من النوع الثاني. مثل هذه الآلة ستنقل طاقة النظام إلى العمل دون تعويض الانتروبيا ، دون انتهاك قانون الحفظ. سيكون من الممكن ضخ الحرارة من نظام التوازن ، على سبيل المثال ، لقلي البيض المخفوق أو صب الفولاذ بسبب طاقة الحركة الحرارية لجزيئات الماء ، وبالتالي تبريده.

يحظر القانونان الثاني والثالث للديناميكا الحرارية آلة الحركة الدائمة من النوع الثاني.

للأسف ، لا يمكن الحصول على أي شيء من الطبيعة ، ليس فقط مجانًا ، بل يتعين عليك أيضًا دفع عمولة.

"الموت الحراري"

هناك مفاهيم قليلة في العلم أثارت الكثير من المشاعر الغامضة ، ليس فقط بين عامة الناس ، ولكن أيضًا بين العلماء أنفسهم ، بقدر ما أثارت الإنتروبيا. قام الفيزيائيون ، وقبل كل شيء كلاوسيوس نفسه ، على الفور تقريبًا باستقراء قانون عدم التناقص ، أولاً على الأرض ، ثم إلى الكون بأكمله (لم لا ، لأنه يمكن أيضًا اعتباره نظامًا ديناميكيًا حراريًا). ونتيجة لذلك ، بدأ يُنظر إلى الكمية المادية ، وهي عنصر مهم في الحسابات في العديد من التطبيقات التقنية ، على أنها تجسيد لنوع من الشر العالمي الذي يدمر عالمًا مشرقًا وجيدًا.

هناك أيضًا مثل هذه الآراء بين العلماء: بما أنه وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، فإن الانتروبيا تنمو بشكل لا رجوع فيه ، عاجلاً أم آجلاً ، تتحلل كل طاقة الكون إلى شكل منتشر ، وسيحدث "موت حراري". ما الذي يوجد ليكون سعيدا؟ كلاوسيوس ، على سبيل المثال ، تردد لعدة سنوات في نشر نتائجه. بالطبع ، أثارت فرضية "الموت الحراري" العديد من الاعتراضات على الفور. هناك شكوك جدية حول صحتها حتى الآن.

فارز شيطان

في عام 1867 ، أظهر جيمس ماكسويل ، أحد مؤلفي النظرية الحركية الجزيئية للغازات ، في تجربة بصرية للغاية (وإن كانت خيالية) التناقض الظاهري للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. باختصار ، يمكن تلخيص التجربة على النحو التالي.

يجب ألا يكون هناك وعاء به غاز. تتحرك الجزيئات الموجودة فيه بشكل عشوائي ، وتختلف سرعاتها إلى حد ما ، لكن متوسط ​​الطاقة الحركية هو نفسه في جميع أنحاء الوعاء. الآن نقسم الوعاء بقسم إلى جزأين منفصلين. متوسط ​​السرعةستبقى الجزيئات في نصفي الوعاء كما هي. يحرس هذا القسم شيطان صغير يسمح للجزيئات "الساخنة" الأسرع باختراق جزء ، والجزيئات "الباردة" الأبطأ إلى جزء آخر. نتيجة لذلك ، سوف يسخن الغاز في النصف الأول ، ويبرد في النصف الثاني ، أي أن النظام سينتقل من حالة التوازن الديناميكي الحراري إلى اختلاف في إمكانات درجة الحرارة ، مما يعني انخفاض الانتروبيا.

تكمن المشكلة برمتها في أن النظام في التجربة لا يقوم بهذا الانتقال تلقائيًا. يتلقى الطاقة من الخارج ، بسبب فتح القسم وإغلاقه ، أو يشتمل النظام بالضرورة على شيطان ينفق طاقته على واجبات حارس البوابة. الزيادة في إنتروبيا الشيطان سوف تعوض عن انخفاضه في الغاز.

جزيئات جامحة

خذ كوبًا من الماء واتركه على الطاولة. ليس من الضروري مشاهدة الكوب بل يكفي العودة بعد فترة وفحص حالة الماء فيه. سنرى أن عددها قد انخفض. إذا تركت الكوب لفترة طويلة ، فلن يوجد ماء فيه على الإطلاق ، حيث سيتبخر كله. في بداية العملية ، كانت جميع جزيئات الماء في منطقة معينة من الفضاء محدودة بجدران الزجاج. في نهاية التجربة ، انتشروا في جميع أنحاء الغرفة. في حجم الغرفة ، تتمتع الجزيئات بفرصة أكبر لتغيير موقعها دون أي عواقب على حالة النظام. لا توجد طريقة يمكننا من خلالها جمعهم في "مجموعة" ملحومة وإعادتهم إلى الكوب لشرب الماء مع الفوائد الصحية.

هذا يعني أن النظام قد تطور إلى حالة إنتروبيا أعلى. استنادًا إلى القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، أو الانتروبيا ، أو عملية تشتت جزيئات النظام (في هذه الحالة ، جزيئات الماء) لا رجعة فيه. لماذا هو كذلك؟

لم يُجب كلوسيوس على هذا السؤال ، ولم يتمكن أي شخص آخر من القيام بذلك قبل لودفيج بولتزمان.

ماكرو و microstates

في عام 1872 ، قدم هذا العالم التفسير الإحصائي للقانون الثاني للديناميكا الحرارية في العلوم. بعد كل شيء ، تتشكل الأنظمة العيانية التي تتعامل بها الديناميكا الحرارية من خلال عدد كبير من العناصر التي يخضع سلوكها للقوانين الإحصائية.

دعنا نعود إلى جزيئات الماء. أثناء الطيران بشكل عشوائي في جميع أنحاء الغرفة ، يمكنهم اتخاذ أوضاع مختلفة ، وبعض الاختلافات في السرعات (تتصادم الجزيئات باستمرار مع بعضها البعض ومع الجسيمات الأخرى في الهواء). يُطلق على كل متغير من حالة نظام الجزيئات اسم microstate ، وهناك عدد كبير من هذه المتغيرات. عند تنفيذ الغالبية العظمى من الخيارات ، لن تتغير الحالة الكلية للنظام بأي شكل من الأشكال.

لا شيء ممنوع ، لكن هناك شيء مستبعد للغاية

العلاقة الشهيرة S = k lnW تتعلق بالرقم الطرق الممكنة، والتي يمكن أن تعبر عن حالة كبيرة معينة لنظام ديناميكي حراري (W) ، مع إنتروبياها S. تسمى قيمة W الاحتمال الديناميكي الحراري. الشكل النهائي لهذه الصيغة قدمه ماكس بلانك. المعامل k - قيمة صغيرة للغاية (1.38 × 10 23 J / K) ، تميز العلاقة بين الطاقة ودرجة الحرارة ، دعا بلانك ثابت بولتزمانتكريمًا للعالم الذي اقترح أولاً تفسيرًا إحصائيًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية.

من الواضح أن W دائمًا عدد طبيعي 1 ، 2 ، 3 ، ... N (لا يوجد عدد كسري من الطرق). ثم لا يمكن أن يكون اللوغاريتم W ، وبالتالي الانتروبيا ، سالبًا. مع الحالة الدقيقة الوحيدة الممكنة للنظام ، تصبح الإنتروبيا مساوية للصفر. إذا عدنا إلى زجاجنا ، يمكن تمثيل هذه الفرضية على النحو التالي: عادت جزيئات الماء ، التي تنطلق عشوائيًا حول الغرفة ، إلى الزجاج. في نفس الوقت ، كرر كل واحد مساره بالضبط وأخذ نفس المكان في الزجاج الذي كان عليه قبل المغادرة. لا شيء يمنع تنفيذ هذا الخيار ، حيث تساوي الأنتروبيا صفرًا. فقط انتظر تنفيذ مثل هذا الاحتمال الضئيل لا يستحق كل هذا العناء. هذا مثال واحد على ما يمكن القيام به نظريًا فقط.

كل شيء مختلط في المنزل ...

لذا فإن الجزيئات تطير بشكل عشوائي حول الغرفة طرق مختلفة. لا يوجد انتظام في ترتيبها ، ولا يوجد ترتيب في النظام ، وبغض النظر عن كيفية تغيير خيارات الدول الصغيرة ، فلا يمكن تتبع بنية واضحة. كان الأمر نفسه في الزجاج ، ولكن نظرًا للمساحة المحدودة ، لم تغير الجزيئات موقعها بنشاط كبير.

الحالة الفوضوية والمضطربة للنظام باعتبارها الأكثر احتمالية تتوافق مع أقصى إنتروبيا. الماء في الزجاج هو مثال على حالة إنتروبيا أقل. من المستحيل عمليا الانتقال إليه من الفوضى الموزعة بالتساوي على الغرفة.

دعونا نعطي مثالًا أكثر مفهومًا لنا جميعًا - تنظيف الفوضى في المنزل. لوضع كل شيء في مكانه ، علينا أيضًا أن ننفق الطاقة. في عملية هذا العمل ، نصبح ساخنين (أي أننا لا نتجمد). اتضح أن الانتروبيا يمكن أن تكون مفيدة. إنه كذلك بالفعل. يمكننا أن نقول أكثر: الإنتروبيا ، ومن خلالها يحكم القانون الثاني للديناميكا الحرارية (جنبًا إلى جنب مع الطاقة) الكون. دعنا نلقي نظرة أخرى على العمليات القابلة للعكس. هكذا سيبدو العالم إذا لم يكن هناك إنتروبيا: لا تطور ، لا مجرات ، نجوم ، كواكب. لا حياة...

بعض مزيد من المعلومات حول "الموت الحراري". هناك أخبار جيدة. بما أنه ، وفقًا للنظرية الإحصائية ، فإن العمليات "المحظورة" غير محتملة في الواقع ، تنشأ التقلبات في نظام التوازن الديناميكي الحراري - انتهاكات عفوية للقانون الثاني للديناميكا الحرارية. يمكن أن تكون كبيرة بشكل تعسفي. عندما يتم تضمين الجاذبية في النظام الديناميكي الحراري ، لن يكون توزيع الجسيمات منتظمًا بشكل فوضوي ، ولن يتم الوصول إلى حالة الانتروبيا القصوى. بالإضافة إلى ذلك ، الكون ليس ثابتًا أو ثابتًا أو ثابتًا. وبالتالي ، فإن صياغة مسألة "الموت الحراري" لا معنى لها.