Nhiệt động lực học là một nhánh độc lập của khoa học vật lý ra đời vào nửa đầu thế kỷ 19. Thời đại của máy móc đã bắt đầu. Cuộc cách mạng công nghiệp đòi hỏi sự nghiên cứu và hiểu biết về các quá trình liên quan đến hoạt động của động cơ nhiệt. Vào buổi bình minh của kỷ nguyên máy móc, những nhà phát minh đơn độc chỉ có thể sử dụng trực giác và “phương pháp chọc ngoáy”. Không có trật tự công cộng cho những khám phá và phát minh, nó thậm chí không thể xảy ra với bất kỳ ai rằng chúng có thể hữu ích. Nhưng khi máy nhiệt (và một thời gian sau, điện) trở thành cơ sở sản xuất, tình hình đã thay đổi. Các nhà khoa học cuối cùng đã dần dần giải quyết được sự nhầm lẫn về thuật ngữ phổ biến cho đến giữa thế kỷ 19, quyết định gọi năng lượng là gì, lực gì, xung lực nào.
Nhiệt động lực học định đề gì
Hãy bắt đầu với những kiến thức phổ thông. Nhiệt động lực học cổ điển dựa trên một số định đề (nguyên tắc) đã được đưa ra liên tiếp trong suốt thế kỷ 19. Đó là, những điều khoản này khôngcó thể chứng minh được bên trong nó. Chúng được xây dựng dựa trên kết quả tổng quát của dữ liệu thực nghiệm.
Định luật đầu tiên là ứng dụng của định luật bảo toàn năng lượng để mô tả hoạt động của các hệ vĩ mô (bao gồm một số lượng lớn các hạt). Một cách ngắn gọn, nó có thể được xây dựng như sau: dự trữ năng lượng bên trong của một hệ thống nhiệt động lực học cô lập luôn không đổi.
Ý nghĩa của định luật thứ hai của nhiệt động lực học là xác định hướng mà các quá trình diễn ra trong các hệ thống như vậy.
Định luật thứ ba cho phép bạn xác định chính xác một đại lượng như entropy. Hãy xem xét nó chi tiết hơn.
Khái niệm về entropy
Công thức của định luật thứ hai của nhiệt động lực học được đề xuất vào năm 1850 bởi Rudolf Clausius: "Không thể truyền nhiệt một cách tự nhiên từ vật ít nóng hơn sang vật nóng hơn." Đồng thời, Clausius nhấn mạnh công lao của Sadi Carnot, người ngay từ năm 1824 đã cho rằng tỷ lệ năng lượng có thể chuyển hóa thành công của động cơ nhiệt chỉ phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa lò sưởi và tủ lạnh.
Trong quá trình phát triển thêm định luật thứ hai của nhiệt động lực học, Clausius đưa ra khái niệm entropi - một đơn vị đo lượng năng lượng biến đổi không thể đảo ngược thành một dạng không thích hợp để chuyển đổi thành công. Clausius đã biểu thị giá trị này bằng công thức dS=dQ / T, trong đó dS xác định sự thay đổi trong entropy. Đây:
dQ - thay đổi nhiệt;
T - nhiệt độ tuyệt đối (nhiệt độ được đo bằng Kelvin).
Một ví dụ đơn giản: chạm vào mui xe khi động cơ đang chạy. Anh ấy rõ ràng làấm hơn môi trường. Nhưng động cơ xe không được thiết kế để làm nóng mui xe hoặc nước trong bộ tản nhiệt. Bằng cách chuyển đổi năng lượng hóa học của xăng thành nhiệt năng, và sau đó thành cơ năng, nó thực hiện công việc hữu ích - làm quay trục. Nhưng hầu hết nhiệt được tạo ra đều bị lãng phí, vì không thể khai thác công việc hữu ích nào từ nó, và thứ bay ra khỏi ống xả không phải là xăng. Trong trường hợp này, nhiệt năng bị mất đi, nhưng không biến mất, mà tiêu tán (tiêu tan). Tất nhiên, mui xe nóng sẽ nguội đi, và mỗi chu kỳ của xi lanh trong động cơ lại tăng thêm nhiệt cho nó. Do đó, hệ thống có xu hướng đạt đến trạng thái cân bằng nhiệt động lực học.
Tính năng của entropy
Clausius rút ra nguyên lý chung cho định luật thứ hai của nhiệt động lực học trong công thức dS ≧ 0. Ý nghĩa vật lý của nó có thể được định nghĩa là "không giảm" của entropi: trong các quá trình thuận nghịch, nó không thay đổi, trong các quá trình không thuận nghịch nó tăng lên.
Cần lưu ý rằng tất cả các quy trình thực đều không thể thay đổi được. Thuật ngữ "không giảm" chỉ phản ánh thực tế rằng một phiên bản lý tưởng hóa có thể có về mặt lý thuyết cũng được bao gồm trong việc xem xét hiện tượng. Có nghĩa là, lượng năng lượng không có sẵn trong bất kỳ quá trình tự phát nào sẽ tăng lên.
Khả năng đạt đến độ không tuyệt đối
Max Planck đã đóng góp nghiêm túc vào sự phát triển của nhiệt động lực học. Ngoài việc nghiên cứu cách giải thích thống kê của định luật thứ hai, ông còn tham gia tích cực vào việc đưa ra định luật thứ ba của nhiệt động lực học. Công thức đầu tiên thuộc về W alter Nernst và đề cập đến năm 1906. Định lý Nernst xem xéthành vi của một hệ thống cân bằng ở nhiệt độ có xu hướng về độ không tuyệt đối. Định luật thứ nhất và thứ hai của nhiệt động lực học khiến chúng ta không thể tìm ra entropi sẽ như thế nào trong các điều kiện nhất định.
Khi T=0 K, năng lượng bằng không, các hạt của hệ dừng chuyển động nhiệt hỗn loạn và tạo thành một cấu trúc có trật tự, một tinh thể có xác suất nhiệt động bằng một. Điều này có nghĩa là entropy cũng biến mất (dưới đây chúng ta sẽ tìm hiểu lý do tại sao điều này xảy ra). Trong thực tế, nó thậm chí còn làm điều này sớm hơn một chút, có nghĩa là việc làm lạnh bất kỳ hệ thống nhiệt động lực học nào, bất kỳ vật thể nào về độ không tuyệt đối là không thể. Nhiệt độ sẽ tùy ý tiếp cận điểm này, nhưng sẽ không đạt được.
Di động chân không: không, ngay cả khi bạn thực sự muốn
Clausius đã khái quát và xây dựng định luật thứ nhất và thứ hai của nhiệt động lực học theo cách này: tổng năng lượng của bất kỳ hệ kín nào luôn không đổi và tổng entropy tăng theo thời gian.
Phần đầu tiên của tuyên bố này áp đặt lệnh cấm đối với máy chuyển động vĩnh cửu thuộc loại đầu tiên - một thiết bị hoạt động mà không cần dòng năng lượng từ nguồn bên ngoài. Phần thứ hai cũng cấm máy chuyển động vĩnh viễn thuộc loại thứ hai. Một cỗ máy như vậy sẽ chuyển năng lượng của hệ thống thành công việc mà không cần bù entropi, mà không vi phạm định luật bảo toàn. Có thể tạo ra nhiệt từ một hệ thống cân bằng, chẳng hạn như để chiên trứng bác hoặc đổ thép do năng lượng của chuyển động nhiệt của các phân tử nước, do đó làm mát nó.
Định luật thứ hai và thứ ba của nhiệt động lực học cấm máy chuyển động vĩnh viễn thuộc loại thứ hai.
Chao ôi, từ thiên nhiên không lấy được gì, không chỉ miễn phí còn phải trả hoa hồng.
Tử nhiệt
Có rất ít khái niệm trong khoa học gây ra nhiều cảm xúc mơ hồ không chỉ cho công chúng, mà còn cho chính các nhà khoa học, nhiều như entropy. Các nhà vật lý, và trước hết là bản thân Clausius, gần như ngay lập tức ngoại suy quy luật không giảm, trước hết là cho Trái đất, rồi đến toàn bộ Vũ trụ (tại sao không, vì nó cũng có thể được coi là một hệ nhiệt động lực học). Kết quả là, một đại lượng vật lý, một yếu tố quan trọng của phép tính trong nhiều ứng dụng kỹ thuật, bắt đầu bị coi là hiện thân của một loại Ác ma phổ quát nào đó đang phá hủy một thế giới tươi sáng và tốt bụng.
Cũng có những ý kiến như vậy giữa các nhà khoa học: vì, theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, entropi phát triển không thể đảo ngược, sớm hay muộn tất cả năng lượng của Vũ trụ cũng suy giảm thành dạng khuếch tán, và "cái chết nhiệt" sẽ đến. Có gì để hạnh phúc về? Ví dụ, Clausius đã do dự trong vài năm để công bố những phát hiện của mình. Tất nhiên, giả thuyết "cái chết nhiệt" ngay lập tức dấy lên nhiều ý kiến phản đối. Ngay cả bây giờ vẫn có những nghi ngờ nghiêm trọng về tính đúng đắn của nó.
Sorter Daemon
Năm 1867, James Maxwell, một trong những tác giả của lý thuyết động học phân tử của chất khí, trong một thí nghiệm rất trực quan (mặc dù là hư cấu) đã chứng minh nghịch lý dường như của định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Kinh nghiệm có thể được tóm tắt như sau.
Để có một bình có khí. Các phân tử trong nó chuyển động ngẫu nhiên, tốc độ của chúng là vàikhác nhau, nhưng động năng trung bình là như nhau trong toàn bộ bình. Bây giờ chúng ta chia tàu có vách ngăn thành hai phần biệt lập. Vận tốc trung bình của các phân tử ở cả hai nửa bình sẽ không đổi. Vách ngăn được bảo vệ bởi một con quỷ nhỏ cho phép các phân tử "nóng" nhanh hơn, "nóng" thâm nhập vào một phần và các phân tử "lạnh" chậm hơn đến phần khác. Kết quả là chất khí sẽ nóng lên trong nửa đầu và nguội đi trong nửa sau, tức là hệ sẽ chuyển từ trạng thái cân bằng nhiệt động học sang trạng thái chênh lệch nhiệt độ, nghĩa là giảm entropi.
Toàn bộ vấn đề là trong thử nghiệm, hệ thống không thực hiện chuyển đổi này một cách tự phát. Nó nhận năng lượng từ bên ngoài, do đó vách ngăn mở và đóng, hoặc hệ thống nhất thiết phải bao gồm một con quỷ tiêu hao năng lượng của nó cho các nhiệm vụ của người gác cổng. Sự gia tăng entropi của con quỷ sẽ nhiều hơn là che đậy sự suy giảm khí của nó.
Phân tử ngỗ ngược
Lấy một cốc nước và để trên bàn. Không cần thiết phải xem mặt kính, chỉ cần một lúc sau quay lại và kiểm tra tình trạng nước trong đó là đủ. Chúng ta sẽ thấy rằng số lượng của nó đã giảm xuống. Nếu bạn để ly thủy tinh trong một thời gian dài, sẽ không tìm thấy nước trong nó, vì tất cả chúng sẽ bay hơi hết. Vào lúc bắt đầu của quá trình, tất cả các phân tử nước đều nằm trong một vùng không gian nhất định được giới hạn bởi các bức tường của kính. Vào cuối cuộc thử nghiệm, họ tản ra khắp phòng. Trong thể tích của một căn phòng, các phân tử có nhiều cơ hội hơn để thay đổi vị trí của chúng mà khônghậu quả đối với trạng thái của hệ thống. Không có cách nào chúng ta có thể tập hợp chúng thành một "tập thể" hàn gắn lại và cho chúng vào ly để uống nước có lợi cho sức khỏe.
Điều này có nghĩa là hệ thống đã phát triển lên trạng thái entropy cao hơn. Dựa trên định luật thứ hai của nhiệt động lực học, entropi, hoặc quá trình phân tán của các phần tử của hệ thống (trong trường hợp này là các phân tử nước) là không thể đảo ngược. Tại sao vậy?
Clausius đã không trả lời câu hỏi này và không ai khác có thể trả lời trước Ludwig Boltzmann.
Macro và microstates
Năm 1872, nhà khoa học này đã đưa cách giải thích thống kê của định luật thứ hai của nhiệt động lực học vào khoa học. Rốt cuộc, các hệ thống vĩ mô mà nhiệt động lực học xử lý được hình thành bởi một số lượng lớn các phần tử có hành vi tuân theo các quy luật thống kê.
Hãy quay lại với các phân tử nước. Bay ngẫu nhiên xung quanh phòng, chúng có thể ở các vị trí khác nhau, có một số khác biệt về tốc độ (các phân tử liên tục va chạm với nhau và với các hạt khác trong không khí). Mỗi biến thể của trạng thái của một hệ thống phân tử được gọi là vi trạng thái, và có một số lượng rất lớn các biến thể như vậy. Khi triển khai phần lớn các tùy chọn, trạng thái vĩ mô của hệ thống sẽ không thay đổi theo bất kỳ cách nào.
Không có gì là vượt quá giới hạn, nhưng điều gì đó rất khó xảy ra
Quan hệ nổi tiếng S=k lnW kết nối số cách khả dĩ trong đó một trạng thái vĩ mô nhất định của hệ nhiệt động lực học (W) có thể được biểu diễn với entropy S của nó. Giá trị của W được gọi là xác suất nhiệt động. Dạng cuối cùng của công thức này được đưa ra bởi Max Planck. Hệ số k, một giá trị cực kỳ nhỏ (1,38 × 10−23J / K) đặc trưng cho mối quan hệ giữa năng lượng và nhiệt độ, Planck gọi là hằng số Boltzmann để vinh danh nhà khoa học đã đầu tiên đề xuất một giải thích thống kê về sự khởi đầu thứ hai của nhiệt động lực học.
Rõ ràng rằng W luôn là số tự nhiên 1, 2, 3,… N (không có số cách phân số). Khi đó, logarit W, và do đó là entropi, không thể âm. Với vistate duy nhất có thể có cho hệ thống, entropy trở thành bằng không. Nếu chúng ta quay trở lại chiếc kính của mình, định đề này có thể được biểu diễn như sau: các phân tử nước, ngẫu nhiên di chuyển xung quanh phòng, quay trở lại kính. Đồng thời, mỗi chiếc lặp lại chính xác đường đi của mình và vào cùng một vị trí trong tấm kính mà nó đã ở trước khi khởi hành. Không có gì cấm việc thực hiện tùy chọn này, trong đó entropy bằng không. Chỉ cần chờ đợi cho việc thực hiện một xác suất nhỏ như vậy là không đáng. Đây là một ví dụ về những gì chỉ có thể được thực hiện trên lý thuyết.
Mọi thứ đều xáo trộn trong nhà…
Vì vậy, các phân tử ngẫu nhiên bay xung quanh phòng theo những cách khác nhau. Không có sự đều đặn trong cách sắp xếp của chúng, không có trật tự trong hệ thống, cho dù bạn thay đổi các tùy chọn cho các vi hạt như thế nào, thì không có cấu trúc dễ hiểu nào có thể được truy tìm. Nó cũng giống như vậy trong kính, nhưng do không gian hạn chế, các phân tử không thay đổi vị trí của chúng một cách chủ động.
Tình trạng hỗn loạn, rối loạn của hệ thống nhất làxác suất tương ứng với entropy cực đại của nó. Nước trong ly là một ví dụ về trạng thái entropy thấp hơn. Việc chuyển đổi sang nó từ sự hỗn loạn được phân bổ đều khắp căn phòng là điều gần như không thể.
Hãy đưa ra một ví dụ dễ hiểu hơn cho tất cả chúng ta - dọn dẹp đống bừa bộn trong nhà. Để đặt mọi thứ vào đúng vị trí của nó, chúng ta cũng phải tiêu hao năng lượng. Trong quá trình làm việc này, chúng tôi trở nên nóng (nghĩa là, chúng tôi không đóng băng). Hóa ra là entropy có thể hữu ích. Đây là trường hợp. Chúng ta có thể nói nhiều hơn nữa: entropy, và thông qua nó, định luật thứ hai của nhiệt động lực học (cùng với năng lượng) chi phối vũ trụ. Chúng ta hãy xem xét các quá trình thuận nghịch. Thế giới sẽ trông như thế nào nếu không có entropy: không có sự phát triển, không có thiên hà, ngôi sao, hành tinh. Không có cuộc sống…
Thêm một chút thông tin về "cái chết nhiệt". Có một tin tốt. Vì, theo lý thuyết thống kê, các quá trình "bị cấm" trên thực tế khó xảy ra, các dao động phát sinh trong một hệ thống cân bằng nhiệt động lực học - sự vi phạm tự phát của định luật thứ hai của nhiệt động lực học. Chúng có thể lớn tùy ý. Khi trọng lực được bao gồm trong hệ thống nhiệt động lực học, sự phân bố của các hạt sẽ không còn đồng nhất một cách hỗn loạn, và trạng thái entropi cực đại sẽ không đạt được. Ngoài ra, Vũ trụ không phải là bất biến, bất biến, đứng yên. Vì vậy, công thức của câu hỏi về "cái chết do nhiệt" là vô nghĩa.
