Второе начало термодинамики, тепловая смерть Вселенной и еще один вечный двигатель

Продолжаем изучение основ термодинамики и рассказываем о том, как второе начало мешает изобретению еще одного perpetuum mobile.

Вечный двигатель второго рода

Открытие первого начала термодинамики должно было разрушить мечту ученых и изобретателей создать вечный двигатель. Однако люди быстро придумали ей замену: если нельзя разработать устройство, которому для работы не нужна энергия извне, значит, построим хотя бы то, что сможет использовать всю теплоту. Этот потенциальный механизм получил название «вечного двигателя второго рода» и не противоречил первому началу термодинамики.

Разочарование не заставило себя ждать: сотни экспериментов и попыток разработки такого механизма показали, что нельзя провести передачу энергии от более холодного тела к более горячему. А если нет теплоты, то нет и работы.

Неудачные опыты навели ученых на мысль, что есть еще один термодинамический закон, о котором пока никто не знает.

Что говорит второе начало термодинамики?

Новый постулат был выведен только на основании отрицательных результатов экспериментов. Основной физический смысл выражает закон сохранения энтропии, чья классическая формулировка звучит так:

В изолированной системе энтропия не уменьшается

Этот закон был открыт в 1865 году немецким ученым Рудольфом Клаузиусом, а теоретически обоснован лишь в 1870-х — австрийским коллегой Людвигом Больцманом.

Чтобы понять, что это значит, разберем несколько понятий.

Термодинамическая функция

В прошлой статье мы рассказали о том, что такое термодинамическая система — объединенная чем-либо совокупность большого количества частиц. Для описания этих систем ученые используют функции состояния, или термодинамический потенциал. Это физическая величина, заданная с учетом нескольких независимых переменных текущего состояния термодинамического равновесия.

К таким параметрам состояния относятся масса, давление, внутренняя энергия и некоторые другие. Чтобы понять значение второго закона термодинамики, разберем, что такое энтропия.

Энтропия

Если бы вечный двигатель второго рода был изобретен, то мы бы научились использовать всю внешнюю энергию источника в механическую работу, а коэффициент полезного действия (КПД) был бы равен 100%, или 1. Это невозможно, потому что часть теплоты во время передачи обязательно рассеивается или превращается в другие виды энергии, которые нельзя использовать для механической работы.

Энтропия — мера необратимого рассеивания энергии. Эта функция состояния была введена в теоретическую физику все тем же Р. Клаузиусом в формулировке, которую мы привели несколькими абзацами выше. Энтропия остается постоянной, если процесс замкнут и обратим, и меняется в положительную сторону при замкнутых и необратимых.

Формула энтропии, обозначаемой буквой S, выглядит так:

Тепловая смерть Вселенной

Введение понятия энтропии позволило обосновать второе начало термодинамики, окончательно опровергнуть возможность изобретения вечного двигателя и… создать новую антинаучную теорию.

Гипотеза о тепловой смерти Вселенной (или Большом замерзании) также была сформулирована Р. Клаузиусом. Согласно второму началу термодинамики, физическая система, которая не обменивается энергией с другими системами, стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию, или состоянию с максимумом энтропии. Под определение такой системы во времена Р.Клаузиуса Вселенная вполне подходила — а это значило, что в определенный момент она должна была прийти в состояние равновесия. Внутренние процессы прекратились бы, а жизнь на Земле стала бы невозможной.

Возникновение гипотезы вызвало критику и попытки ее опровержения. Например, аргументом было представление о том, что Вселенная бесконечна, в то время как второе начало термодинамики касается только конечных систем. Несмотря на это, некоторые ученые придерживались идеи о тепловой смерти до середины 20-го века, а сама гипотеза по-прежнему находит отражение в литературе и кинематографе.

Тема тепловой смерти Вселенной затрагивается в рассказе Айзека Азимова «Последний вопрос», опубликованном в 1956 году. 

Научное сообщество 21 века не поддерживает эту гипотезу, так как опытным путем было выяснено, что у применения второго начала термодинамики есть верхняя и нижняя границы. Эти параметры ставят под сомнение идею о неизбежном «конце света», по крайней мере, таком его варианте. Однако пока ученым точно не известно, какие именно процессы космологического масштаба препятствуют росту энтропии.

Надеемся, что наша статья упростила понимание второго начала термодинамики и объяснила, почему изобретение вечного двигателя невозможно. Правда, для решения сложных задач знания основ теории, скорее всего, окажется недостаточно. Но выход есть: обращайтесь к авторам FenixHelp — здесь вам всегда помогут с выполнением и оформлением любой учебной работы.