Praeitame įraše supažindinau jus su entropija, kaip sistemos betvarkės matu. Labai stengiausi atskirti tokį entropijos apibrėžimą nuo dėsnio, nusakančio jos kitimą laikui bėgant. Tas dėsnis vadinamas antruoju termodinamikos dėsniu; iš viso termodinamikos dėsnių yra keturi.
Supratimas apie šiluminę apykaitą galinčių vykdyti sistemų artėjimą prie šiluminės pusiausvyros yra, atrodytų, toks paprastas ir kasdienis dalykas, kad sunku patikėti, jog po juo slepiasi vienas iš svarbiausių Visatos dėsnių. Ankstesnį rašinį pabaigiau pavyzdžiu su arbatos puodeliu, į kurį įpilta vėsaus vandens. Intuityviai mes puikiai suprantame, jog karštas skystis, susilietęs su šaltu, ims vėsti, šildydamas šaltąjį, kol jų temperatūros susilygins. Tas pats galioja ir kietiems kūnams bei dujoms.
Antrasis termodinamikos dėsnis
Šis dėsnis - tai antrasis termodinamikos dėsnis, kuris teigia, jog kiekvienoje uždaroje sistemoje entropija, laikui bėgant, išlieka tokia pati arba didėja, bet niekada nemažėja. Karštos arbatos puodelis su įpiltu šaltu vandeniu yra mažesnės entropijos sistema, nei šiltos šiek tiek praskiestos arbatos puodelis, taigi pirmoji sistema laikui bėgant pavirs į antrąją, bet ne atvirkščiai.
Antrasis termodinamikos dėsnis (ir įvairūs jo vediniai, leidžiantys jį pritaikyti ne tik termodinaminėms, bet ir, pavyzdžiui, gravitacinėms sistemoms) yra vienintelis klasikinės fizikos dėsnis, nesimetriškas laiko tėkmės atžvilgiu. Tam, kad pilnai suprastume antrąjį termodinamikos dėsnį, turime suprasti ir tai, kokiais būdais gali kisti sistemos entropija. Turiu omeny ne didėjimą ar mažėjimą, bet kokybinius procesus, kurių metu entropija kinta.
Šiuo atžvilgiu entropija glaudžiai susijusi su sistemos (ar jos dalies) energija ir energijos pokyčiais. Apie energiją mums paaiškina pirmasis termodinamikos dėsnis.
Kas yra antrasis termodinamikos dėsnis?
Pirmasis termodinamikos dėsnis
Jis formuluojamas įvairiai; viena formuluotė yra tokia: sistemos vidinės energijos pokytis yra lygus iš išorės gautos energijos ir sistemos atlikto darbo prieš išorines jėgas skirtumui. (Papildymas 2012-09-01: atkreipkite dėmesį, kad čia kalbama nebe apie uždarą sistemą; uždara sistema iš išorės negali gauti energijos) Šį dėsnį, nors galbūt neįvardintą kaip termodinamikos dėsnį, jūs turbūt esate girdėję net mokykloje.
Pirmajame termodinamikos dėsnyje slypi keletas svarbių principų. Jame randame ir energijos tvermės dėsnį: sistemos gauta energija yra lygi sistemos vidinės energijos pokyčio ir atlikto darbo sumai; jei darbą laikysime energijos pokyčiu, tuomet aišku, kad uždaroje sistemoje energija negali pranykti ar atsirasti, o tik persiskirstyti tarp sistemos dalių.
Iš šių dviejų termodinamikos dėsnių galime suprasti, jog kiekvienoje uždaroje sistemoje energija yra tvarus dydis, o entropija priklauso nuo sistemos būsenos ir vis kyla, kol pasiekia maksimalią vertę. Ta maksimali vertė priklauso nuo energijos; tam tikra prasme sistemos energiją galima palyginti su virvutės ilgiu, o entropiją - su virvutės apjuosiamu plotu.
Pirmasis termodinamikos dėsnis taip pat yra suprantamas intuityviai: jei pašildai kūną (suteiki sistemai energijos iš išorės), jis paprastai plečiasi (atlieka darbą) ir įšyla (didėja jo vidinė energija). Bet tam, kad galėtume dėsnį naudoti kiekybiniams skaičiavimams, dar turime apsibrėžti, kas yra šiluma ir kas yra temperatūra. Tą daro nulinis termodinamikos dėsnis.
Nulinis termodinamikos dėsnis
Nuliniu jis vadinamas todėl, kad buvo įvardintas vėliau, nei kiti trys, kai tų trijų numeriai jau buvo prigiję, tačiau yra labiau bazinis, nei kiti trys, ir reikalingas norint juos pilnai suprasti, todėl turėtų eiti sąrašo pradžioje. Šis dėsnis teigia, kad dvi sistemos, kurių kiekviena yra šiluminėje pusiausvyroje su trečiąja, yra pusiausviros ir tarpusavyje.
Kitaip tariant, šiluminė sistemos būsena yra tranzityvi savybė: jei vienos sistemos šiluminė būsena yra A, kitos B, o trečios C, tai A = B ir A = C reiškia, jog B = C. Tą šiluminę būseną galime pavadinti sistemos temperatūra. Nulinio dėsnio teisingumas leidžia sukurti prietaisus sistemų šiluminei būsenai matuoti - termometrus.
Amžinieji varikliai ir termodinamikos dėsniai
Pirmasis ir antrasis termodinamikos dėsniai taip pat nurodo, jog negali egzistuoti amžinieji varikliai. Pirmasis dėsnis sako, jog jei sistema negauna energijos iš išorės, ji gali atlikti darbą tik prarasdama vidinę energiją. Vidinės energijos kiekis sistemoje yra baigtinis dydis, taigi ji negali atlikti begalinio darbo. Vadinasi net jei kažkokia amžinai judanti sistema ir egzistuotų, ji negalėtų atlikti jokio naudingo darbo, nes kitaip sustotų.
Beje, beveik amžinai judančios sistemos yra sukurtos: tai - superlaidžios medžiagos, kuriose elektros srovė (turinti energiją, taigi ir galimybę atlikti darbą) neslopsta nė trupučio jau keletą dešimtmečių, ir turėtų nenuslopti per gerokai ilgesnį laiką, nei dabartinis Visatos amžius.
Antrasis dėsnis sako, jog uždara sistema, laikui bėgant, artėja prie maksimalios entropijos būsenos. Tai reiškia, kad bet kokie energijos skirtumai tarp sistemos dalių laikui bėgant mažėja, taigi mažėja ir sistemos galimybė atlikti darbą nesąveikaujant su išorine sistema. Mat darbas gali būti atliekamas tik tada, kai kur nors vyksta energijos pokytis; uždaroje sistemoje pakisti gali sistemos dalies energija, bet tai negali įvykti, jei visoje sistemoje energija yra vienoda. Taigi negali egzistuoti net ir amžinai judančios uždaros šiluminės sistemos.
Minėtieji superlaidininkai yra kvantinės sistemos, kurioms galioja šiek tiek kitokie dėsniai, taigi juose srovė galbūt gali judėti ir amžinai (apie tai dar žr.
Trečiasis termodinamikos dėsnis
Paskutinis, trečiasis, termodinamikos dėsnis susijęs su viena fundamentalia riba šiluminėms sistemoms. Jis teigia, jog sistemos temperatūrai artėjant prie absoliutaus nulio, jos entropija artėja prie minimalios vertės. Jei sistema yra kristalas arba panašus, vieną žemiausios energijos būseną turintis, darinys, minimali entropija yra lygi nuliui (makrobūseną atitinka viena mikrobūsena). Kitose sistemose žemiausią energiją gali atitikti ne viena mikrobūsena - tokiu atveju net ir absoliutų nulį pasiekusi sistema turi šiek tiek entropijos.
Tačiau šiluminė energija sistemoje, kurios temperatūra lygi absoliutčiam nuliui (-273,15 Celsijaus laipsnių), išnyksta visiškai. Iš šio teiginio seka išvada, jog šiluminiais procesais pasiekti absoliutaus nulio neįmanoma. Bet kokia sistema gali atlikti darbą tik tada, kai gali mažėti jos vidinė energija. Vidinė energija gali mažėti tik tada, kai šalia yra dar žemesnės energijos sistema; taip sistemų junginys artėja prie pusiausvyros.
Tačiau kadangi nėra sistemų, kurių temperatūra būtų žemesnė už absoliutų nulį, tai jokia sistema negali pasiekti absoliutaus nulio temperatūros šiluminių procesų dėka, nes neturės kur prarasti vidinės energijos. Tas pat galioja ir sistemos atliekamam darbui dėl turimos vidinės energijos: tam, kad vidinė energija galėtų išnykti visiškai, išorinės jėgos turi tolygiai mažėti iki nulio, kuris vėlgi pasiekiamas tik išorėje esant absoliutaus nulio temperatūrai.
Tiesa, nešiluminiais procesais, pavyzdžiui pasitelkiant magnetizmą ir magnetinę energiją, teoriškai įmanoma pasiekti absoliutų nulį.
Visatos šiluminė mirtis
Iš antrojo termodinamikos dėsnio išplaukia dar viena įdomi išvada. Jame kalbama apie uždaras sistemas. Tačiau realybėje nėra jokios visiškai uždaros sistemos, išskyrus pačią didžiausią - visą Visatą (nebent ji kaip nors sąveikauja su kitomis Visatomis, bet į šias spekuliacijas čia nesileisiu). Vadinasi, laikui bėgant, didėja visos Visatos entropija.
Didesnė entropija reiškia, jog mažėja vidinės energijos skirtumai tarp Visatos dalių. Mažesni energijos skirtumai reiškia mažiau naudingos energijos, taigi mažesnė yra ir galimybė atlikti darbą. Laikui bėgant, Visatos šiluminė būsena turėtų išsilyginti ir Visata tapti visiškai tolygi visur. Taip bus pasiekta maksimalios entropijos būsena Visatoje: nebeliks jokios struktūros, jokių skirtumų, visur viskas bus idealiai vienoda. Ši baigtis vadinama Visatos šilumine mirtimi (Heat death of the Universe).
| Dėsnis | Apibrėžimas |
|---|---|
| Nulinis | Dvi sistemos, esančios šiluminėje pusiausvyroje su trečiąja, yra pusiausviros tarpusavyje. |
| Pirmasis | Sistemos vidinės energijos pokytis yra lygus iš išorės gautos energijos ir sistemos atlikto darbo skirtumui. |
| Antrasis | Kiekvienoje uždaroje sistemoje entropija laikui bėgant didėja arba išlieka tokia pati. |
| Trečiasis | Sistemos temperatūrai artėjant prie absoliutaus nulio, jos entropija artėja prie minimalios vertės. |