Второе начало термодинамики, тепловая смерть Вселенной

Федеральное агентство по образованию

Уральский Федеральный университет

Кафедра металловедения

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

на тему «Второе начало термодинамики, тепловая смерть Вселенной»

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                    Выполнил:

                                                                 гр

                                                                                       Проверил: Е. С. Конева                                

 

 

 

Екатеринбург

2011

Содержание:

     Введение………………………………………………………………..…...3

   1. Общая характеристика и формулировка второго закона                                 термодинамики……………...........................................................................4

     2. Понятие энтропии……………………………………….………........…8

     3. Вселенная эволюционирует к хаосу.........................................................9

     4. Действие второго начала термодинамики………………………….…10

     5. Появление идеи тепловой смерти Вселенной…………………..….....13

     6. Угрожает ли Вселенной тепловая смерть!?............................................15

     7. Циолковский К. Э. о тепловой смерти Вселенной…………………...17

     Заключение…………………………….………………………………......19

     Список литературы…………………………………………………….….20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

           Чем глубже проникают исследователи  в тайны природы, тем больше  стираются границы между отдельными  областями науки и тем труднее  дать точное определение и  разграничение отдельных дисциплин. Это в полной мере относится  к предмету термодинамики. Рассматривая  взаимные превращения тепла и  различных видов энергии, термодинамика  представляет собой дисциплину, или скорее даже метод, который  очень широко используется физиками, химиками и исследователями в  других областях науки.

           В данной работе мы поговорим  о втором законе термодинамики. Он является важнейшим законом  природы, определяет направление, по  которому протекают термодинамические  процессы, устанавливает возможные  пределы превращения теплоты  в работу при круговых процессах, позволяет дать строгое определение  таких понятий, как энтропия, температура  и т.д.

            Также мы поговорим и о будущем  нашей Вселенной. О будущем очень  далеком, настолько, что неизвестно, наступит ли оно вообще! Жизнь  и развитие науки существенно  меняют наши представления и  о Вселенной, и об ее эволюции, и о законах, управляющих этой  эволюцией. В самом деле, например, существование черных дыр было  предсказано еще в XVIII веке. Но  лишь во второй половине XX столетия  их стали рассматривать как  гравитационные могилы массивных  звезд и как места, куда может  навечно «провалиться» значительная  часть вещества, доступного наблюдениям, выбывая из общего круговорота. А позже стало известно, что  черные дыры испаряются и, таким  образом, возвращают поглощенное, хотя  совсем в другом обличие. Новые  идеи постоянно высказываются  космофизиками. Поэтому картины, нарисованные  еще совсем недавно, неожиданно  оказываются устаревшими.

            Одним из наиболее дискуссионных вот уже около 100 лет является вопрос о возможности достижения равновесного состояния во Вселенной, что эквивалентно понятию ее «тепловой смерти». Я выбрала данную тему реферата, потому что она очень заинтересовала меня, даже само название «тепловая смерть Вселенной» несет за собой что-то глобальное и таинственное. А, как говорится, тайны всегда хочется раскрыть!

 

     

 

1. Общая характеристика и формулировка второго закона термодинамики

 «По-другому второй закон можно сформулировать так: "Вселенная постоянно становится все хаотичнее". Если смотреть на второй закон с такой точки зрения, мы узнаем в нем себя. Мы усердно трудимся, приводя в порядок комнату, но оставьте ее без присмотра, и она станет пыльной и грязной. Как трудно поддерживать в порядке дома, оборудование и наши собственные тела; как легко они приходят в негодность. Фактически, мы ничего не можем с этим поделать: все само по себе изнашивается, ломается, портится — вот о чем гласит второй закон».

(Айзек Азимов)

(рис. 1)

Исторически второе начало термодинамики было сформулировано гораздо раньше первого начала, но со временем оно получало все новое и новое толкование, а его формулировки становились все более строгими. Впервые основное положение второго начала было дано М. В. Ломоносовым (1747 г.). В работе «Размышления о причинах теплоты и стужи» Ломоносов говорит: «Если более теплое тело А приходит в соприкосновение с другим телом Б, менее теплым, то находящиеся в точке соприкосновения частички тела А быстрее вращаются, чем соседние с ним частички тела Б. От более быстрого вращения частички тела А ускоряют вращательное движение частичек тела Б, т. е. передают им часть своего движения; сколько движения уходит от первых, столько же прибавляется ко вторым. Поэтому когда частички тела А ускоряют вращательное движение частичек тела Б, то замедляют свое собственное. Отсюда когда тело А при соприкосновении нагревает тело Б, то само оно охлаждается».

Естественные процессы всегда направлены в сторону достижения системой равновесного состояния (механического, термического или любого другого). Это явление отражено вторым законом термодинамики, имеющим большое значение и для анализа работы теплоэнергетических машин. В соответствии с этим законом, например, теплота самопроизвольно может переходить только от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Для осуществления обратного процесса должна быть затрачена определенная работа. В связи с этим второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом: теплота никогда не переходит с более холодного тела на более горячее, тогда как обратный процесс протекает самопроизвольно (постулат Клаузиуса, 1850 г.).

Второй закон термодинамики определяет также условия, при которых теплота может, как угодно долго преобразовываться в работу. В любом разомкнутом термодинамическом процессе при увеличении объема совершается положительная работа. Но процесс расширения не может продолжаться бесконечно, следовательно, возможность преобразования теплоты в работу ограничена.

Непрерывное преобразование теплоты в работу осуществляется только в круговом процессе или цикле.

Каждый элементарный процесс, входящий в цикл, осуществляется при подводе или отводе теплоты Q, сопровождается совершением или затратой работы, увеличением или уменьшением внутренней энергии, но всегда при выполнении условия Q=U+A (1), которое показывает, что без подвода теплоты (Q=0) внешняя работа может совершаться только за счет внутренней энергии системы, и, подвод теплоты к термодинамической системе определяется термодинамическим процессом.

В связи с этим второму закону термодинамики можно дать еще несколько формулировок:

• передача теплоты от холодного источника к горячему невозможна без затраты работы;
• невозможно построить периодически действующую машину, совершающую работу и соответственно охлаждающую тепловой резервуар;
• природа стремится к переходу от менее вероятных состояний к более вероятным.

Следует подчеркнуть, что второй закон термодинамики (так же как и первый), сформулирован на основе опыта.

В наиболее общем виде второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом: любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым. Все прочие формулировки второго закона являются частными случаями наиболее общей формулировки.

В.Томсон (лорд Кельвин) предложил в 1851 г. следующую формулировку: невозможно при помощи неодушевленного материального агента получить от какой-либо массы вещества механическую работу посредством охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов.

М.Планк предложил формулировку более четкую, чем формулировка Томсона: невозможно построить периодически действующую машину, все действие которой сводилось бы к понятию некоторого груза и охлаждению теплового источника. Под периодически действующей машиной следует понимать двигатель, непрерывно (в циклическом процессе) превращающий теплоту в работу. В самом деле, если бы удалось построить тепловой двигатель, который просто отбирал бы теплоту от некоторого источника и непрерывно (циклично) превращал его в работу, то это противоречило бы положению о том, что работа может производиться системой только тогда, когда в этой системе отсутствует равновесие (в частности, применительно к тепловому двигателю – когда в системе имеется разность температур горячего и холодного источников).

Если бы не существовало ограничений, накладываемых вторым законом термодинамики, то это означало бы, что можно построить тепловой двигатель при наличии одного лишь источника теплоты. Такой двигатель мог бы действовать за счет охлаждения, например, воды в океане. Этот процесс мог бы продолжаться до тех пор, пока вся внутренняя энергия океана не была бы превращена в работу. Тепловую машину, которая действовала бы таким образом, В.Ф.Оствальд удачно назвал вечным двигателем второго рода (в отличие от вечного двигателя первого рода, работающего вопреки закону сохранения энергии). В соответствии со сказанным формулировка второго закона термодинамики, данная Планком, может быть видоизменена следующим образом: осуществление вечного двигателя второго рода невозможно.

Следует заметить, что существование вечного двигателя второго рода не противоречит первому закону термодинамики; в самом деле, в этом двигателе работа производилась бы не из ничего, а за счет внутренней энергии, заключенной в тепловом источнике, так, что с количественной стороны процесс получения работы из теплоты в данном случае не был бы невыполнимым. Однако существование такого двигателя невозможно с точки зрения качественной стороны процесса перехода теплоты между телами.

 

            На рис. 2 изображены процессы, запрещаемые вторым законом, но не запрещаемые первым законом термодинамики: 1 – «вечный двигатель второго рода»; 2 – самопроизвольный переход тепла от холодного тела к более теплому («идеальная холодильная машина»). Эти процессы соответствуют двум формулировкам второго закона термодинамики.

 

 

2. Понятие энтропии

Односторонность и однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах подчеркивает второе начало термодинамики.

Для отражения этого процесса в термодинамику было введено новое понятие - энтропия. Под энтропией стали понижать меру беспорядка системы. Более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает.

Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это и есть наиболее простое состояние системы, или термодинамическое равновесие, при котором движение частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно хаосу.

Часто второе начало термодинамики преподносится как объединенный принцип существования и возрастания энтропии.

Принцип существования энтропии формулируется как математическое выражение энтропии термодинамических систем в условиях обратимого течения процессов:

Sобр = Qобр / Т.   (2)

Принцип возрастания энтропии сводится к утверждению, что энтропия изолированных систем неизменно возрастает при всяком изменении их состояния и остается постоянной лишь при обратимом течении процессов:

Sизол ≥ 0 (3)

Оба вывода о существовании и возрастании энтропии получаются на основе какого-либо постулата, отражающего необратимость реальных процессов в природе. Наиболее часто в доказательстве объединенного принципа существования и возрастания энтропии используют постулаты Р.Клаузиуса, В.Томпсона-Кельвина, М. Планка.

В действительности принципы существования и возрастания энтропии ничего общего не имеют. Физическое содержание: принцип существования энтропии характеризует термодинамические свойства систем, а принцип возрастания энтропии – наиболее вероятное течение реальных процессов. Математическое выражение принципа существования энтропии – равенство, а принципа возрастания – неравенство. Области применения: принцип существования энтропии и вытекающие из него следствия используют для изучения физических свойств веществ, а принцип возрастания энтропии – для суждения о наиболее вероятном течении физических явлений. Философское значение этих принципов также различно.

         В связи с этим принципы существования и возрастания энтропии рассматриваются раздельно и математические выражения их для любых тел получаются на базе различных постулатов.

         Вывод о существовании абсолютной температуры T и энтропии S как термодинамических функций состояния любых тел и систем составляет основное содержание второго закона термодинамики и распространяется на любые процессы – обратимые и необратимые.

 

                           3. Вселенная эволюционирует к хаосу                           (рис.3)

           В 1865 году Клаузиус впервые ввел понятие энтропии. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно хаосу.