თქვენ ალბათ იცით იდეა, რომ სითბო ყოველთვის ჩანს, რომ ცხელი ობიექტებიდან ცივ ობიექტებში მიედინება და არა პირიქით. გარდა ამისა, ორი რამის ერთმანეთში შერევის შემდეგ, სავარაუდოდ, ისინი ერთმანეთისგან არ იქნებიან, რადგან არეულობას განაგრძობთ.
გატეხილი ჩაის ჭიქა სპონტანურად არ შეიკრიბება და ბოთლიდან დაღვრილი რძე ადვილად ვერ მიიღება. ყველა ამ ფენომენის მიზეზი უკავშირდება თერმოდინამიკის მეორე კანონს და კონცეფციას, სახელწოდებით ენტროპია.
ენტროპიის საუკეთესოდ გასაგებად, პირველ რიგში უნდა იცოდეთ სტატისტიკური მექანიკის რამდენიმე ფუნდამენტური ცნება: მიკროსადგურები და მაკროსტატები.
მიკროსტატები და მაკროსტატები
სტატისტიკურ მექანიკაში მიკროსტაზია ერთ-ერთი შესაძლო მოწყობა (და თერმული ენერგია ან შინაგანი) დახურულ სისტემაში არსებული ნაწილაკების ენერგიის განაწილება, ასეთის არსებობის შემთხვევაში, რაც შეიძლება ზოგიერთთან იყოს ალბათობა
ამის ერთ-ერთი მარტივი მაგალითია ორმხრივი მონეტების ნაკრები, რომელიც შეიძლება იყოს თავები ან კუდები. თუ ორი იდენტურია მონეტა, სისტემის ოთხი შესაძლო მიკროსტაზია: მონეტა 1 არის თავები და მონეტა 2 არის კუდები, მონეტა 1 არის კუდები და მონეტა 2 არის თავები, ორივე მონეტა თავებია და ორივე მონეტა არის კუდები.
თუ მონეტები მუდმივად იჭრება ერთდროულად (მსგავსი გაზის მოლეკულები, რომლებიც მუდმივად მოძრაობენ), თითოეული მიკროსტატისტი შეიძლება ჩაითვალოს შესაძლოსისტემის "კადრი"დროის ერთ მომენტში, თითოეულ მიკროსტატას აქვს გარკვეული ალბათობა. ამ შემთხვევაში, ამ ოთხივე მიკროსტატის ალბათობა თანაბარია.
კიდევ ერთი მაგალითისთვის, წარმოიდგინეთ მოკლე სურათს აეროსტატში გაზის მოლეკულების შესახებ: მათი ენერგია, ადგილმდებარეობა, სიჩქარე, რაც ერთ მყისიერად არის აღებული. ეს არის ამ კონკრეტული სისტემის შესაძლო მიკროსტაზია.
მაკროსტატი არის სისტემის ყველა შესაძლო მიკროსტატის სიმრავლე, მოცემული მდგომარეობის ცვლადებით. მდგომარეობის ცვლადები არიან ცვლადები, რომლებიც აღწერს სისტემის მთლიან მდგომარეობას, იმისდა მიუხედავად, თუ როგორ მივიდა იგი ამ მდგომარეობიდან სხვისგან (ან მოლეკულების სხვადასხვა განლაგებით, ან ნაწილაკის მიერ სხვადასხვა შესაძლო ბილიკებით საწყის მდგომარეობიდან საბოლოომდე გადასასვლელად სახელმწიფო).
ბუშტისთვის შესაძლო მდგომარეობის ცვლადებია თერმოდინამიკური რაოდენობის ტემპერატურა, წნევა ან მოცულობა. ბუშტის მაკროსტატი არის გაზის მოლეკულების ყველა შესაძლო მყისიერი სურათის ერთობლიობა, რამაც შეიძლება გამოიწვიოს იგივე ბალონის ტემპერატურა, წნევა და მოცულობა.
ორი მონეტის შემთხვევაში, შესაძლებელია სამი მაკროსტატული მდგომარეობა: ერთი, სადაც ერთი მონეტაა თავები და ერთი კუდები, ერთი, სადაც ორივე თავია და ერთი, სადაც ორივე კუდია.
გაითვალისწინეთ, რომ პირველი მაკროსტატი შეიცავს მასში ორ მიკროსტატას: მონეტა 1 თავი მონეტით 2 კუდი და მონეტა 1 კუდი მონეტა 2 თავით. ეს მიკროსადგურები არსებითად ერთი და იგივე მაკროსტატის სხვადასხვა შესაძლო მოწყობაა (ერთი მონეტის თავი და ერთი მონეტის კუდი). ისინი ერთნაირი მიღების სხვადასხვა ხერხიამდგომარეობის ცვლადი, სადაც სახელმწიფო ცვლადი არის თავების საერთო რაოდენობა და კუდების საერთო რაოდენობა.
მაკროსტატის შესაძლო მიკროსტატების რაოდენობას ეწოდება მაკროსტატისიმრავლე. მილიონობით ან მილიარდობით ან მეტი ნაწილაკის მქონე სისტემებისთვის, მაგალითად, გაზის მოლეკულები ბურთით, აშკარად ჩანს, რომ მოცემული მაკროსტატის შესაძლო მიკროსტატების რაოდენობა, ან მაკროსტატის სიმრავლე, უმართავია დიდი
ეს მაკროსტატის სარგებლობაა და ამიტომ მაკროსტატები ზოგადად მუშაობენ თერმოდინამიკურ სისტემაში. მაგრამ მიკროსადგურები მნიშვნელოვანია გასაგებად ენტროპიისთვის.
ენტროპიის განმარტება
სისტემის ენტროპიის ცნება პირდაპირ კავშირშია სისტემაში შესაძლო მიკროსტატების რაოდენობასთან. იგი განისაზღვრება ფორმულით S = k * ln (Ω), სადაც Ω არის მიკროსტატების რაოდენობა სისტემაში, k არის ბოლცმანის მუდმივა, ხოლო ln არის ბუნებრივი ლოგარითმი.
ეს განტოლება, ისევე როგორც სტატისტიკური მექანიკის სფეროს დიდი ნაწილი, შექმნა გერმანელმა ფიზიკოსმალუდვიგ ბოლცმანი. აღსანიშნავია მისი თეორიები, რომლის თანახმადაც გაზები სტატისტიკური სისტემებია, რადგან დიდი შემადგენლობისგან შედგება ატომების ან მოლეკულების რაოდენობა მოვიდა იმ დროს, როდესაც კვლავ საკამათო იყო თუ არა თუნდაც ატომები არსებობდა. განტოლება
S = k \ ln {\ ომეგა}
მის საფლავის ქვაზეა ამოტვიფრული.
სისტემის ენტროპიის ცვლილება, როდესაც ის ერთი მაკროსტატისტიდან მეორეში გადადის, შეიძლება აღწერილი იყოს სახელმწიფო ცვლადების თვალსაზრისით:
\ დელტა S = \ frac {dQ} {T}
სადაც T არის ტემპერატურა კელვინში და dQ არის სითბო ჯოულებში, რომელიც იცვლება შექცევად პროცესში, როდესაც სისტემა იცვლება სახელმწიფოებს შორის.
თერმოდინამიკის მეორე კანონი
ენტროპია შეიძლება განვიხილოთ, როგორც არეულობის ან სისტემის შემთხვევითობის საზომი. რაც უფრო მეტია მიკროსადგურები, მით უფრო დიდია ენტროპია. მეტი მიკროსადგური არსებითად ნიშნავს, რომ სისტემაში შესაძლებელია ყველა იმ მოლეკულის მოწყობის უფრო მეტი გზა, რომლებიც უფრო მასშტაბურად გამოიყურება.
იფიქრეთ მაგალითზე, როდესაც ცდილობენ აურიოთ ის, რაც ერთმანეთში აირია. აბსურდული რაოდენობის მიკროსტატაციაა, რომელშიც მასალები რჩება შერეული, მაგრამ მხოლოდ ძალიან, ძალიან ცოტა, რომელშიც ისინი მშვენივრად არიან შერეული. ამიტომ, ალბათობა, კიდევ ერთი აჟიოტაჟი გამოიწვიოს ყველაფრის აირია, გაქრება მცირე. ეს შერეული მიკროსადგური მხოლოდ მაშინ ხვდება, თუ დროში უკან წახვალ.
თერმოდინამიკის ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი კანონი, მეორე კანონი ამბობს, რომ სამყაროს ტოტალური ენტროპია (ან რომელიმე იდეალურად იზოლირებული სისტემა)არასოდეს მცირდება. ანუ, ენტროპია იზრდება ან რჩება იგივე. ამ კონცეფციას, რომ სისტემები დროთა განმავლობაში ყოველთვის აშლილობისკენ მიისწრაფვიან, ზოგჯერ Time's Arrow- ს უწოდებენ: ის მხოლოდ ერთი მიმართულებით მიუთითებს. ნათქვამია, რომ ეს კანონი მიუთითებს სამყაროს საბოლოო სითბოს სიკვდილზე.
სამუშაო და სითბოს ძრავები
სითბოს ძრავა იყენებს ცხელი ობიექტებიდან ცივ ობიექტებზე გადასვლის კონცეფციას სასარგებლო სამუშაოს შესაქმნელად. ამის მაგალითია ორთქლის ლოკომოტივი. საწვავის დაწვისას, სითბო ხდება, ეს სითბო გადადის წყალში, რაც ქმნის ორთქლს, რომელიც უბიძგებს დგუშებს, შექმნან მექანიკური მოძრაობა. საწვავის ცეცხლისგან შექმნილი მთელი სითბო არ მოძრაობს დგუშების გადაადგილებაში; დანარჩენი მიდის ჰაერის გათბობაში. შიდა წვის ძრავები ასევე სითბოს ძრავების მაგალითებია.
ნებისმიერ ძრავაში, სამუშაოს შესრულებისას, გარემოსთვის გაცემული ენტროპია უფრო მეტი უნდა იყოს, ვიდრე მისგან აღებული ენტროპია, რის შედეგადაც ენტროპიის წმინდა ცვლილება უარყოფითია.
ეს ცნობილია როგორცკლაუსიუსის უთანასწორობა:
\ oint \ frac {dQ} {T} \ leq 0
ინტეგრალი არის ძრავის ერთი სრული ციკლი. კარნოტის ციკლში იგი უდრის 0-ს, ან ძრავის თეორიულ იდეალურ ციკლს, სადაც ძრავისა და მისი შემოგარენის ქსელის ენტროპია არც იზრდება და არც იკლებს. იმის გამო, რომ ენტროპია არ მცირდება, ეს ძრავის ციკლი შექცევადია. შეუქცევადი იქნება თუ ენტროპია შემცირდება თერმოდინამიკის მეორე კანონის გამო.
მაქსველის დემონი
ფიზიკოსმა ჯეიმს კლერკმა მაქსველმა შექმნა აზროვნების ექსპერიმენტი ენტროპიასთან დაკავშირებით, რომელიც, მისი აზრით, თერმოდინამიკის მეორე კანონის შემდგომ გაგებას შეძლებდა. სააზროვნო ექსპერიმენტში არსებობს იმავე ტემპერატურის აირის ორი კონტეინერი, რომელთა კედელიც არის მათ შორის.
"დემონი" (თუმცა ეს არ იყო მაქსველის სიტყვა) თითქმის ყველგან ძალა აქვს: მან გახსნა პატარა კარი კედელი, რათა სწრაფად მოძრავი მოლეკულები გადავიდეს ყუთი 1 – დან მე –2 უჯრაში, მაგრამ ხურავს მას ნელი მოძრაობისთვის მოლეკულები. იგი ასევე აკეთებს შებრუნებას, ხსნის პატარა კარს, რათა ნელა მოძრაობდეს მოლეკულები მე –2 უჯრიდან 1 – ლი უჯრაში.
საბოლოოდ, ყუთში 1 იქნება უფრო სწრაფი მოძრავი მოლეკულა და მე –2 უჯრაში უფრო ნელა მოძრავი მოლეკულა, ხოლო სისტემის წმინდა ენტროპია შემცირდება მეორე კანონის დარღვევით თერმოდინამიკა.