თერმოდინამიკის მეორე კანონი: განმარტება, განტოლება და მაგალითები

სანაპიროზე ქვიშის ციხე ნელ-ნელა იშლება, როდესაც დღე მოძრაობს. მაგრამ ვინც საპირისპიროს ხედავს - ქვიშა სპონტანურად ხტება ციხესიმაგრის ფორმაში - იტყვის, რომ ისინი რეალობას კი არა, ჩანაწერს უყურებენ. ანალოგიურად, ერთი ჭიქა ცივი ჩაი, რომელშიც კუბურები დნება დროთა განმავლობაში, ემთხვევა ჩვენს მოლოდინს, მაგრამ არა ერთი ჭიქა სითხე, რომელშიც სპონტანურად წარმოიქმნება ყინულის კუბურები.

მიზეზი, რომ ზოგიერთ ბუნებრივ პროცესს, როგორც ჩანს, დროულად ხდება, მაგრამ დროში უკან არ ხდება, ეს უკავშირდება თერმოდინამიკის მეორე კანონს. ეს მნიშვნელოვანი კანონი სამყაროს ერთადერთი ფიზიკური აღწერილობაა, რომელიც დამოკიდებულია დროზე, რომელსაც აქვს კონკრეტული მიმართულება, რომელშიც ჩვენ მხოლოდ წინსვლა შეგვიძლია.

ამის საპირისპიროდ, ნიუტონის კანონები ან კინემატიკის განტოლებები, ორივე გამოიყენება ობიექტების მოძრაობის აღსაწერად ფიზიკოსი თანაბრად კარგად გადაწყვეტს თუ არა ფიზიკოსი ფეხბურთის რკალის ანალიზს, როდესაც ის წინ მიდის ან უკუ სწორედ ამიტომ, თერმოდინამიკის მეორე კანონს ზოგჯერ ასევე უწოდებენ "დროის ისარს".

სტატისტიკური მექანიკა არის ფიზიკის ის დარგი, რომელიც უკავშირდება მიკროსკოპული მასშტაბის ქცევას, როგორიცაა მოძრაობა ჰაერის მოლეკულები დახურულ ოთახში, შემდგომ მაკროსკოპიულ დაკვირვებებზე, მაგალითად, ოთახში ტემპერატურა სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, დაკავშირება იმისა, რასაც ადამიანი უშუალოდ შეიძლება აკვირდებოდეს, უამრავ უხილავ სპონტანურ პროცესთან, რაც ერთად ხდება.

მიკროსტაპია ყველა მოლეკულის ერთ – ერთი შესაძლო მოწყობა და ენერგიის განაწილება დახურულ თერმოდინამიკურ სისტემაში. მაგალითად, მიკროსადგურს შეუძლია აღწეროს თითოეული შაქრისა და წყლის მოლეკულის ადგილმდებარეობა და კინეტიკური ენერგია ცხელი შოკოლადის თერმოსში.

მაკროსტატის მდგომარეობა არის სისტემის ყველა შესაძლო მიკროსტატის მდგომარეობა: თერმოსის შიგნით შაქრისა და წყლის მოლეკულების განლაგების ყველა შესაძლო გზა. ფიზიკოსის მიერ მაკროსტატის აღწერას წარმოადგენს ისეთი ცვლადების გამოყენებით, როგორიცაა ტემპერატურა, წნევა და მოცულობა.

ეს აუცილებელია იმის გამო, რომ მოცემულ მაკროსტატში შესაძლო მიკროსტატების რაოდენობა ძალიან დიდია გასამკლავებლად. ოთახი 30 გრადუს ტემპერატურაზე სასარგებლო საზომია, თუმცა იმის ცოდნა, რომ ის 30 გრადუსია, არ ავლენს ოთახში თითოეული ჰაერის მოლეკულის სპეციფიკურ თვისებებს.

მიუხედავად იმისა, რომ მაკროსტატებს ზოგადად იყენებენ თერმოდინამიკაზე საუბრისას, მიკროსტატების გაგება აქტუალურია, ვინაიდან ისინი აღწერს ფიზიკურ მექანიზმებს, რომლებიც უფრო დიდს იწვევს გაზომვები.

ენტროპიას ხშირად აღწერენ სიტყვებით, როგორც სისტემაში არეულობის ოდენობა. ეს განმარტება პირველად შემოიტანა ლუდვიგ ბოლცმანმა 1877 წელს.

თერმოდინამიკის თვალსაზრისით, იგი უფრო კონკრეტულად შეიძლება განისაზღვროს, როგორც დახურულ სისტემაში თერმული ენერგიის რაოდენობა, რომელიც არ არის ხელმისაწვდომი სასარგებლო სამუშაოს შესასრულებლად.

სასარგებლო ენერგიის თერმულ ენერგიად გარდაქმნა შეუქცევადი პროცესია. ამის გამო, აქედან გამომდინარეობს, რომ ენტროპიის საერთო რაოდენობა დახურულ სისტემაში - სამყაროს ჩათვლით მხოლოდ - მხოლოდმომატება​.

ეს კონცეფცია განმარტავს, თუ როგორ უკავშირდება ენტროპია მიმართულებას, რომელიც დრო მიედინება. თუ ფიზიკოსებს შეეძლოთ დახურული სისტემის რამდენიმე სურათი გადაეღოთ, თუ რამდენი იყო ენტროპია თითოეულში მათ შეეძლოთ დროულად დაედოთ "დროის ისარი" - ნაკლებიდან მეტისკენ ენტროპია.

გაცილებით მეტი ტექნიკური, მათემატიკური თვალსაზრისით, სისტემის ენტროპია განისაზღვრება შემდეგი ფორმულით, რომელიც ასევე გამოვიდა ბოლცმანმა:

სადიარის სისტემაში მიკროსტატების რაოდენობა (სისტემის შეკვეთის გზების რაოდენობა),კარის ბოლცმანის მუდმივა (ნაპოვნია გაზის იდეალური მუდმივის დაყოფით ავოგადროს მუდმივზე: 1.380649 × 10⁻²³ კ / კ) დაlnარის ბუნებრივი ლოგარითმი (ლოგარითმი ფუძისაკენ)ე​).

ამ ფორმულის მთავარი მოქმედებაა იმის ჩვენება, რომ რაც იზრდება მიკროსტატების რაოდენობა, ან სისტემის შეკვეთის გზები, იზრდება მისი ენტროპიაც.

სისტემის ენტროპიის ცვლილება, როდესაც ის ერთი მაკროსტატისტიდან მეორეში გადადის, შეიძლება აღწერილი იქნას მაკროსტატის ცვლადების სითბოს და დროის მიხედვით:

სადთარის ტემპერატურა დაQარის სითბოს გადაცემა შექცევადი პროცესით, რადგან სისტემა მოძრაობს ორ მდგომარეობას შორის.

თერმოდინამიკის მეორე კანონი ამბობს, რომ სამყაროს ან იზოლირებული სისტემის ტოტალური ენტროპია არასდროს მცირდება. თერმოდინამიკაში იზოლირებული სისტემაა ის სისტემა, რომელშიც არც სითბოს და არც მატერიას არ შეუძლიათ სისტემის საზღვრებში შესვლა ან გამოსვლა.

სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, ნებისმიერ იზოლირებულ სისტემაში (სამყაროს ჩათვლით), ენტროპიის ცვლილება ყოველთვის ნულოვანია ან დადებითი. ეს არსებითად ნიშნავს, რომ შემთხვევითი თერმოდინამიკური პროცესები უფრო მეტ არეულობას იწვევს, ვიდრე წესრიგს.

მნიშვნელოვანი აქცენტი კეთდებამიდრეკილიაამ აღწერის ნაწილი. შემთხვევითი პროცესებიშეეძლობუნებრივი წესების დარღვევის გარეშე გამოიწვიოს უფრო მეტი წესრიგი, ვიდრე უწესრიგობა; ეს ძალზე ნაკლებად მოხდება.

მაგალითად, ყველა მიკროსადგურიდან, რომელშიც შეიძლება შემთხვევით გადახლართული ბარათების გემბანი დასრულდეს - 8.066 × 10⁶⁷ - ამ ვარიანტებიდან მხოლოდ ერთი უდრის იმ შეკვეთას, რაც მათ ჰქონდათ თავდაპირველ შეფუთვაში. ესშეეძლომოხდება, მაგრამ შანსები ძალიან, ძალიან მცირეა. მთლიანობაში, ყველაფერი ბუნებრივად მიდრეკილია უწესრიგობისკენ.

ენტროპია შეიძლება განვიხილოთ, როგორც არეულობის ან სისტემის შემთხვევითობის საზომი. თერმოდინამიკის მეორე კანონი ამბობს, რომ ის ყოველთვის იგივე რჩება ან იზრდება, მაგრამ არასდროს იკლებს. ეს სტატისტიკური მექანიკის პირდაპირი შედეგია, რადგან აღწერა დამოკიდებულია არა იშვიათ შემთხვევაზე სადაც ბარათები გადადის სრულყოფილ წესრიგზე, მაგრამ სისტემის უგულებელყოფის გაზრდის საერთო ტენდენციაზე.

ამ კონცეფციაზე ფიქრის გამარტივებული ხერხია იმის გათვალისწინება, რომ ორი კომპლექტის ობიექტის შერევას უფრო მეტი დრო და ძალისხმევა სჭირდება, ვიდრე მათი შერევა. სთხოვეთ ახალშობილის ნებისმიერ მშობელს, გადაამოწმოს იგი; უფრო ადვილია დიდი არეულობის გაკეთება ვიდრე მისი გასუფთავება!

რეალურ სამყაროში უამრავ სხვა დაკვირვებას "აზრი აქვს", რომ ეს ერთი გზით ხდება, მაგრამ არა სხვა გზით, რადგან ისინი თერმოდინამიკის მეორე კანონს ასრულებენ:

• სითბო მიედინება ობიექტებიდან მაღალ ტემპერატურაზე ობიექტებზე დაბალ ტემპერატურაზე და არა სხვა გზა ირგვლივ (ყინულის კუბურები დნება და ცხელი ყავა, რომელიც მაგიდაზე დარჩა, თანდათან ცივდება, სანამ ოთახს არ შეუხამებს ტემპერატურა).
• მიტოვებული შენობები ნელა იშლება და არ აშენებს თავს.
• სათამაშო მოედნის გასწვრივ მოძრავი ბურთი ნელდება და საბოლოოდ ჩერდება, რადგან ხახუნი მის კინეტიკურ ენერგიას გარდაქმნის გამოუსადეგარ თერმულ ენერგიად.
  

თერმოდინამიკის მეორე კანონი კიდევ ერთი გზაა დროის ისრის კონცეფციის ოფიციალურად აღსაწერად: დროში წინ გადაადგილება, სამყაროს ენტროპიული ცვლილება არ შეიძლება იყოს უარყოფითი.

თუ წესრიგი სულ უფრო იზრდება, რატომ უნდა გამოიყურებოდეს მთელ მსოფლიოში დალაგებული სიტუაციების უამრავი მაგალითი?

ენტროპიის დროსსრულიადყოველთვის იზრდება, ადგილობრივიმცირდებაენტროპიაში შესაძლებელია უფრო დიდი სისტემების ჯიბეებში. მაგალითად, ადამიანის სხეული ძალიან ორგანიზებული, შეკვეთილი სისტემაა - ის ბინძურ წვნიანს კი დახვეწილ ძვლებად და სხვა რთულ სტრუქტურებად აქცევს. ამასთან, ამისათვის სხეული იღებს ენერგიას და ქმნის ნარჩენებს, რადგან ის ურთიერთქმედებს მის გარემოცვასთან. ასე რომ, მიუხედავად იმისა, რომ ამ ყველაფრის შემსრულებელმა შეიძლება განიცადოს ნაკლები ენტროპია თავის სხეულში ჭამის / შენობის ნაწილების / ნარჩენების გამოყოფის ციკლის ბოლოს,სისტემის სრული ენტროპია- სხეული, პლუს ყველაფერი, რაც გარშემოა - მაინციზრდება​.

ანალოგიურად, მოტივირებულმა ბავშვმა შეიძლება შეძლოს ოთახის გაწმენდა, მაგრამ მათ ენერგია სითბოს გადააკეთეს პროცესი (იფიქრეთ საკუთარ ოფლზე და გადაადგილებულ საგნებს შორის ხახუნის შედეგად წარმოქმნილ სითბოზე გარშემო). მათ ალბათ ბევრი ქაოტური ნაგავიც გადაყარეს, ამ პროცესში შესაძლოა ნაწილები დაანგრიეს. ისევ და ისევ, ენტროპია იზრდება ZIP კოდექსში, მაშინაც კი, თუ ეს ოთახი spic და span დასრულდება.

ფართო მასშტაბით, თერმოდინამიკის მეორე კანონი წინასწარმეტყველებს საბოლოო შედეგსსითბოს სიკვდილისამყაროს. არ უნდა აგვერიოს ცეცხლოვანი ყელის დროს მომაკვდავი სამყაროში, ეს ფრაზა უფრო ზუსტად ეხება იდეას, რომელიც საბოლოოდ ყველა სასარგებლო იქნება ენერგია გადაიქცევა თერმულ ენერგიად, ან სითბოდ, რადგან შეუქცევადი პროცესი თითქმის ყველგან ხდება. უფრო მეტიც, მთელი ეს სითბო საბოლოოდ მიაღწევს სტაბილურ ტემპერატურას, ან თერმული წონასწორობას, ვინაიდან მას სხვა არაფერი მოხდება.

სამყაროს სითბოს სიკვდილის შესახებ გავრცელებული მცდარი წარმოდგენა არის ის, რომ ის წარმოადგენს დროს, როდესაც სამყაროში ენერგია აღარ არის დარჩენილი. Საქმე მაგაში არაა! უფრო მეტიც, იგი აღწერს იმ დროს, როდესაც ყველა სასარგებლო ენერგია გარდაიქმნა თერმულ ენერგიად, რომელსაც ყველა მიაღწია იგივე ტემპერატურა, როგორც საცურაო აუზი, რომელიც ნახევრად ცხელი და ნახევრად ცივი წყლით არის სავსე, შემდეგ კი დარჩა გარეთ ნაშუადღევს

მეორე კანონი შეიძლება იყოს ყველაზე ცხელი (ან თუნდაც ყველაზე ხაზგასმული) შესავალი თერმოდინამიკაში, მაგრამ როგორც სახელიდან ჩანს, ეს არ არის ერთადერთი. დანარჩენებს უფრო დეტალურად განვიხილავთ საიტის სხვა სტატიებში, მაგრამ აქ მოცემულია მათი მოკლე მიმოხილვა:

​თერმოდინამიკის ნულოვანი კანონი.ასე დაარქვეს, რადგან იგი საფუძვლად უდევს თერმოდინამიკის სხვა კანონებს, ნულოვანი კანონი არსებითად აღწერს რა არის ტემპერატურა. მასში ნათქვამია, რომ როდესაც ორი სისტემა თერმული წონასწორობით არის მესამე სისტემასთან, ისინი აუცილებლად უნდა იყვნენ თერმული წონასწორობითაც. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, სამივე სისტემა უნდა იყოს იგივე ტემპერატურა. ჯეიმს კლერკ მაქსველმა აღწერს ამ კანონის მთავარ შედეგს, როგორც "ყველა სითბო ერთნაირია".

​თერმოდინამიკის პირველი კანონი.ეს კანონი იყენებს ენერგიის დაზოგვას თერმოდინამიკაში. მასში ნათქვამია, რომ სისტემის შიდა ენერგიის ცვლილება უდრის სხვაობას სისტემაში დამატებულ სითბოს და სისტემის მიერ შესრულებულ სამუშაოს შორის:

სადუარის ენერგია,Qარის სითბო დავარის სამუშაო, რომელიც ჩვეულებრივ იზომება ჯოულებით (თუმცა ზოგჯერ Btus– ით ან კალორიებით).

​თერმოდინამიკის მესამე კანონი.ეს კანონი განსაზღვრავსაბსოლუტური ნულიენტროპიის თვალსაზრისით. მასში ნათქვამია, რომ სრულყოფილ კრისტალს აქვს ნულოვანი ენტროპია, როდესაც მისი ტემპერატურა აბსოლუტურად ნულოვანია, ან 0 კელვინი. ბროლი მშვენივრად უნდა იყოს მოწყობილი, თორემ მას სტრუქტურაში გარკვეული თანდაყოლილი აშლილობა (ენტროპია) ექნება. ამ ტემპერატურაზე ბროლის მოლეკულას არავითარი მოძრაობა არ აქვს (რაც თერმულ ენერგიად ან ენტროპიად ჩაითვლება).

გაითვალისწინეთ, რომ როდესაც სამყარო მიაღწევს თერმული წონასწორობის საბოლოო მდგომარეობას - სითბოს სიკვდილს, ის მიაღწევს ტემპერატურასუფრო მაღალივიდრე აბსოლუტური ნულოვანი.