Начала термодинамики : история и анализ
Термодинамическая концепция времени и альтернативные концепции времени: анализ
Первое начало термодинамики — это закон сохранения и превращения энергии в изолированной системе, утверждение существования внутренней энергии, поэтому его называют принципом энергии.
1-ое начало ТД утверждает баланс энергии и работы. Его роль можно сравнить с ролью «бухгалтера» при взаимопревращения различных видов энергии друг в друга. Если процесс циклический, система возвращается в исходное состояние, и все подведенное тепло идет на совершение внешней работы. Если при этом и Q=0, то и А=0, т.е. невозможен процесс, единственным результатом которого является производство работы без каких-либо изменений в других телах, т.е. работа «вечного двигателя».
Майер в своей работе составил таблицу всех рассмотренных им “сил” (энергий) природы и привел 25 случаев их превращений (тепло - механическая работа - электричество, химическая «сила» вещества - теплота). Майер распространил положение о сохранении и превращении энергии и на живые организмы (поглощение пищи - химические процессы - тепловые и механические эффекты).
Эти примеры впоследствии были подкреплены работами Гесса (1840 г.), в которых исследовалось превращение хим. энергии в теплоту, а также Фарадея, Ленца и Джоуля, в результате которых был сформулирован закон Джоуля-Ленца (1845) о связи эл. и тепловой энергии Q=J2Rt.Опираясь на работы Джоуля и Майера, Клаузиус впервые высказал мысль, сформировавшуюся впоследствии в 1ое начало ТД, что всякое тело имеет внутреннюю энергию U. Клаузиус назвал ее теплом, содержащимся в теле, в отличие от тепла Q, сообщенного телу, внутреннюю энергию можно увеличить двумя эквивалентными способами: проведя над телом механическую работу ∆U=-А, или сообщая ему количество теплоты Q. DU = Q-A
|
|
|
В 1860 г. Томсон окончательно заменив устаревший термин “сила” термином “энергия”, записывает первое начало термодинамики в следующей формулировке: Кол-во теплоты, сообщенное газу, идет на увеличение внутренней энергии газа и совершение газом внешней работы Q = DU +A. В случае бесконечно малых изменений: dQ =dU+dA
Таким образом, постепенно, на протяжении более четырех десятилетий сформировался один из самых великих принципов современной науки. Этот принцип заключается в следующем: cуществует определенная величина, называемая энергией, которая не меняется ни при каких превращениях, происходящих в природе. Исключений из закона сохранения энергии не существует.
Второе начало термодинамики устанавливает направленность всех процессов в изолированных системах. Кельвин и Кла-узиус отделили это начало — хотя полное количество энергии сохраняется в любом процессе, распределение энергии изменяется необратимо. Второе начало называют принципом энтропии. Теплота переходит самопроизвольно только от более нагретых тел к менее нагретым. При этом для направления, в котором происходит изменение распределения энергии, оказывается не важно само количество энергии. Это начало проявилось при преобразовании теплоты в полезную работу, оно сыграло важнейшую роль в преобразовании энергии, запасенной в топливе, в движущую силу. Ограничения, устанавливаемые вторым началом термодинамики, показали, что трудно выделить упорядоченное движение из неупорядоченного. В формулировке Кельвина второе начало таково: «Невозможен процесс, единственный результат которого состоял бы в поглощении теплоты от нагревателя и полного преобразования этой теплоты в работу».
|
|
|
Возможность построения машины без холодильника, т.е. с КПД=1, которая могла бы превращать в работу всю теплоту, заимствованную у теплового резервуара, не противоречит закону сохранения энергии. Она была бы аналогична вечному двигателю, т.к. могла бы производить работу за счет практически ∞ источников энергии. Такую машину Оствальд назвал вечным двигателем 2ого рода.
|
|
|
Карно же исходил из невозможности вечного двигателя, утверждая, что в любом непрерывном процессе превращения теплоты от горячего нагревателя в работу непременно должна происходить отдача тепла холодильнику.
Таким образом, здесь проявляется общее свойство теплоты — уравнивание температурной разницы путем перехода от теплых тел к холодным. Второе начало термодинамики определяет направления превращения энергии.
Существует ряд его формулировок: 1) В природе невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от менее нагретого к более нагретому. 2) КПД любой тепловой машины всегда меньше 1, т.е. невозможен вечный двигатель 2 рода. 3) Энтропия изолированной системы не убывает (т.е. при протекании обратимых процессов энтропия постоянна, а при необратимых процессах она возрастает). Энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии максимальна и постоянна.
Понятие S - энтропия ( физ величина , которая характеризует меру той энергии, которая может быть переведена в работу и тепло , но не может быть переведена обратно). Она показывает нам , почему в природе есть необратимые процессы, помогает нам объяснить почему время - направление направление. И почему время является необратимым .
|
|
|
Стрела времени указывает на то, что у времени есть направление , стрелу времени ввел Артур Эдинктон .
Стрела времени расходящихся кругов воды
Психологическая стрела времени - объясняет нам, почему правильно помнить прошлое, а будущие .Космологическая стрела времени .
Физическую интерпретацию понятия энтропия дал Людвиг Больцман . Он своей знаменитой формулой доказал , что энтропия - мера беспорядка .
Демон Лапласа
«Демон Лапласа»- это мысленный эксперимент, предложенный французским математиком Пьером-Симоном Лапласом в 1814 г., а также главный персонаж этого эксперимента - вымышленное существо, которое знает положения и скорости всех частиц Вселенной в любой момент времени, обладает бесконечной вычислительной мощью, и поэтому может предсказать развитие всех событий, как в прошлом, так и в будущем.
Проблематика «Демона Лапласа» связана с вопросом о том, возможно ли такое предсказание теоретически.
Как возник «Демон Лапласа»?
До создания ньютоновой механики наиболее универсальной причиной движения считали божество, это была единая , общая фундаментальная причина движения.
Затем была создана классическая ньютоновская механика. Причинность ньютоновой механики впервые представил Лаплас. Он пришел к выводу, что всякое движение может быть математически описано во времени, а также все процессы в мире могут быть представлены, как движение взаимодействующих между собой по законам механики материальных точек.
«По Лапласу» весь мир мог быть описан уравнениями. Тогда-то и возникла идея всемогущего разума, способного справиться с составлением и решением этого бесконечного множества уравнений. Так возник «демон Лапласа», имеющий сверхчеловеческие способности — собирать предельно полную, исчерпывающую информацию, перерабатывать ее математически и мгновенно производить любые вычисления. Лапласов демон знает все о состоянии всего в любой момент. Как он собирает информацию неважно, во всяком случае, он способен ее собрать и полностью ее усвоить. В какой-то момент он знает положение и скорость любой частицы. Подставляя их в уравнения движения и решая, он узнает полностью все будущее. И не только будущее, но и прошлое: ведь уравнения Ньютона обратимы. Для этого достаточно изменить направление оси времени, и все прошлое станет полностью известно. Демон знает все о нашем мире, и, кроме того, по своим вычислительным способностям он значительно превосходит все существующие вычислительные машины.
Если бы такой демон существовал, то он знал бы все, все наши поступки и вызванные ими изменения.
Лаплас был убежден в том, что: «Мы можем рассматривать настоящее состояние Вселенной как следствие его прошлого и причину его будущего. Разум, которому в каждый определенный момент времени были бы известны все силы, приводящие природу в движение, и положение всех тел, из которых она состоит, будь он также достаточно обширен, чтобы подвергнуть эти данные анализу, смог бы объять единым законом движение величайших тел Вселенной и мельчайшего атома; для такого разума ничего не было бы не ясного и будущее существовало бы в его глазах точно так же, как прошлое. Ум человеческий в совершенстве … дает нам представление о слабом наброске того разума ». Это и есть сущность «Демона Лапласа».
Демон Максвелла
Мысленный эксперимент состоит в следующем: предположим, сосуд с газом разделён непроницаемой перегородкой на две части: правую и левую. В перегородке есть отверстие с устройством (так называемый демон Максвелла), которое позволяет пролетать быстрым (горячим) молекулам газа только из левой части сосуда в правую, а медленным (холодным) молекулам — только из правой части сосуда в левую. Тогда через большой промежуток времени «горячие» (быстрые) молекулы окажутся в правом сосуде, а «холодные» останутся в левом.
Таким образом, получается, что демон Максвелла позволяет нагреть правую часть сосуда и охладить левую без дополнительного подвода энергии к системе. Энтропия для системы, состоящей из правой и левой части сосуда, в начальном состоянии больше, чем в конечном, что противоречит термодинамическому принципу неубывания энтропии в замкнутых системах
2ое начало термодинамики является проявлением статистических законов (законы вероятности).
Третье начало термодинамики определяет свойства веществ при очень низких температурах, утверждая, что нельзя охладить тела до температуры абсолютного нуля за конечное число процессов. Оно предполагает атомное строение вещества, тогда как остальные являются обобщением опытных данных и не содержат сведений о какой-либо структуре вещества.
Дата добавления: 2018-04-04; просмотров: 519; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!