Fizika elminin müstəqil bir sahəsi kimi termodinamika 19-cu əsrin birinci yarısında yaranmışdır. Maşınların əsri başladı. Sənaye inqilabı istilik mühərriklərinin işləməsi ilə bağlı proseslərin öyrənilməsini və başa düşülməsini tələb etdi. Maşın dövrünün başlanğıcında tək ixtiraçılar yalnız intuisiyadan və “poke metodundan” istifadə edə bilirdilər. Kəşflər və ixtiralar üçün ictimai qayda yox idi, onların faydalı ola biləcəyi heç kimin ağlına da gəlməzdi. Ancaq istilik (və bir az sonra elektrik) maşınlar istehsalın əsasına çevrildikdə vəziyyət dəyişdi. Alimlər nəhayət, 19-cu əsrin ortalarına qədər hökm sürən terminoloji çaşqınlığı tədricən sıralayıb, enerjinin, hansı qüvvənin, hansı impulsun adlandırılacağına qərar verdilər.
Termodinamikanın hansı postulatları var
Gəlin ümumi biliklərdən başlayaq. Klassik termodinamika 19-cu əsrdə ardıcıl olaraq tətbiq edilən bir neçə postulata (prinsiplərə) əsaslanır. Yəni bu müddəalar belə deyildaxilində sübuta yetirilə bilər. Onlar empirik məlumatların ümumiləşdirilməsi nəticəsində tərtib edilmişdir.
Birinci qanun makroskopik sistemlərin (çoxlu sayda hissəciklərdən ibarət) davranışının təsvirinə enerjinin saxlanması qanununun tətbiqidir. Qısaca olaraq, onu aşağıdakı kimi formalaşdırmaq olar: təcrid olunmuş termodinamik sistemin daxili enerji ehtiyatı həmişə sabit qalır.
Termodinamikanın ikinci qanununun mənası belə sistemlərdə proseslərin hansı istiqamətdə getdiyini müəyyən etməkdir.
Üçüncü qanun entropiya kimi kəmiyyəti dəqiq müəyyən etməyə imkan verir. Bunu daha ətraflı nəzərdən keçirin.
Entropiya anlayışı
Termodinamikanın ikinci qanununun tərtibi 1850-ci ildə Rudolf Clausius tərəfindən təklif edilmişdir: "İstiliyi daha az qızdırılan cisimdən daha istiyə özbaşına ötürmək mümkün deyil". Eyni zamanda, Klauzi hələ 1824-cü ildə istilik mühərrikinin işinə çevrilə biləcək enerjinin nisbətinin yalnız qızdırıcı ilə soyuducu arasındakı temperatur fərqindən asılı olduğunu müəyyən edən Sadi Karnotun xidmətlərini vurğuladı.
Termodinamikanın ikinci qanununun daha da inkişaf etdirilməsində Klauzius entropiya anlayışını - işə çevrilmək üçün əlverişsiz formaya dönməz şəkildə çevrilən enerji miqdarının ölçüsünü təqdim edir. Klauzius bu dəyəri dS=dQ/T düsturu ilə ifadə etdi, burada dS entropiyanın dəyişməsini təyin edir. Burada:
dQ - istilik dəyişikliyi;
T - mütləq temperatur (Kelvin ilə ölçülür).
Sadə bir misal: mühərrik işlək vəziyyətdə avtomobilinizin kapotuna toxunun. O, aydındırətraf mühitdən daha isti. Amma avtomobilin mühərriki kapotu və ya radiatordakı suyu qızdırmaq üçün nəzərdə tutulmayıb. Benzinin kimyəvi enerjisini istilik enerjisinə, sonra isə mexaniki enerjiyə çevirərək faydalı iş görür - şaftı döndərir. Ancaq istehsal olunan istiliyin çox hissəsi boşa gedir, çünki ondan heç bir faydalı iş çıxarıla bilməz və işlənmiş borudan çıxan heç bir şəkildə benzin deyil. Bu vəziyyətdə istilik enerjisi itirilir, lakin yox deyil, dağılır (dağılar). İsti bir kapot, əlbəttə ki, soyuyur və mühərrikdəki silindrlərin hər dövrü ona yenidən istilik əlavə edir. Beləliklə, sistem termodinamik tarazlığa çatmağa meyllidir.
Entropiyanın xüsusiyyətləri
Klauzius termodinamikanın ikinci qanununun ümumi prinsipini dS ≧ 0 düsturunda götürmüşdür. Onun fiziki mənası entropiyanın “azalmaması” kimi müəyyən edilə bilər: geri dönən proseslərdə dəyişmir, geri dönməz proseslərdə artır.
Qeyd etmək lazımdır ki, bütün real proseslər geri dönməzdir. “Azalmayan” termini yalnız nəzəri cəhətdən mümkün ideallaşdırılmış versiyanın da fenomenin nəzərdən keçirilməsinə daxil edilməsi faktını əks etdirir. Yəni, istənilən kortəbii prosesdə mövcud olmayan enerjinin miqdarı artır.
Mütləq sıfıra çatmaq imkanı
Maks Plank termodinamikanın inkişafına ciddi töhfə verdi. O, ikinci qanunun statistik şərhi üzərində işləməklə yanaşı, termodinamikanın üçüncü qanununun postulatlaşdırılmasında fəal iştirak etmişdir. İlk formula W alter Nernst-ə aiddir və 1906-cı ilə aiddir. Nernst teoremi nəzərə alırmütləq sıfıra meylli bir temperaturda tarazlıq sisteminin davranışı. Termodinamikanın birinci və ikinci qanunları verilmiş şərtlərdə entropiyanın nə olacağını öyrənməyi qeyri-mümkün edir.
T=0 K olduqda enerji sıfırdır, sistemin hissəcikləri xaotik istilik hərəkətini dayandırır və nizamlı bir quruluş, termodinamik ehtimalı 1-ə bərabər olan kristal əmələ gətirir. Bu o deməkdir ki, entropiya da yox olur (aşağıda bunun niyə baş verdiyini öyrənəcəyik). Əslində, o, hətta bunu bir qədər əvvəl edir, yəni istənilən termodinamik sistemin, hər hansı bir cismin mütləq sıfıra qədər soyuması qeyri-mümkündür. Temperatur ixtiyari olaraq bu nöqtəyə yaxınlaşacaq, lakin ona çatmayacaq.
Perpetuum mobile: yox, həqiqətən istəsəniz belə
Klauzius termodinamikanın birinci və ikinci qanunlarını bu şəkildə ümumiləşdirmiş və formalaşdırmışdır: istənilən qapalı sistemin ümumi enerjisi həmişə sabit qalır və ümumi entropiya zamanla artır.
Bu bəyanatın birinci hissəsi birinci növ daimi hərəkət maşınına - xarici mənbədən enerji axını olmadan işləyən cihaza qadağa qoyur. İkinci hissə də ikinci növ əbədi hərəkət maşını qadağan edir. Belə bir maşın, qorunma qanununu pozmadan sistemin enerjisini entropiya kompensasiyası olmadan işə köçürəcəkdir. Tarazlıq sistemindən istiliyi çıxarmaq, məsələn, su molekullarının istilik hərəkətinin enerjisi hesabına omleti qızartmaq və ya polad tökmək və beləliklə, onu soyutmaq mümkün olardı.
Termodinamikanın ikinci və üçüncü qanunları ikinci növ daimi hərəkət edən maşını qadağan edir.
Təəssüf ki, təbiətdən heç nə əldə etmək olmur, təkcə pulsuz deyil, həm də komissiya ödəməlisən.
İsti Ölüm
Elmdə çox az anlayış var ki, nəinki geniş ictimaiyyət arasında, hətta elm adamlarının özləri arasında da entropiya qədər çox qeyri-müəyyən emosiyalara səbəb olub. Fiziklər və ilk növbədə Klauziusun özü, azalmamaq qanununu demək olar ki, dərhal ilk növbədə Yerə, sonra isə bütün Kainata ekstrapolyasiya etdilər (niyə də olmasın, çünki onu termodinamik sistem də hesab etmək olar). Nəticədə, bir çox texniki tətbiqlərdə hesablamaların mühüm elementi olan fiziki kəmiyyət parlaq və xeyirxah dünyanı məhv edən bir növ universal Şərin təcəssümü kimi qəbul olunmağa başladı.
Alimlər arasında da belə fikirlər var: çünki termodinamikanın ikinci qanununa görə entropiya geri dönməz şəkildə böyüyür, gec-tez Kainatın bütün enerjisi diffuz formada parçalanır və “isti ölümü” gələcək. Xoşbəxt olmaq üçün nə var? Məsələn, Klauzius öz tapıntılarını dərc etməkdə bir neçə il tərəddüd etdi. Təbii ki, “isti ölüm” fərziyyəsi dərhal bir çox etirazlara səbəb oldu. Onun düzgünlüyünə indi də ciddi şübhələr var.
Sorter Daemon
1867-ci ildə qazların molekulyar-kinetik nəzəriyyəsinin müəlliflərindən biri Ceyms Maksvel çox əyani (uydurma da olsa) təcrübədə termodinamikanın ikinci qanununun görünən paradoksunu nümayiş etdirdi. Təcrübə aşağıdakı kimi ümumiləşdirilə bilər.
Qoy qazlı bir gəmi olsun. İçindəki molekullar təsadüfi hərəkət edir, sürətləri bir neçədirfərqlidir, lakin orta kinetik enerji bütün gəmidə eynidir. İndi bir arakəsmə ilə gəmini iki təcrid olunmuş hissəyə ayırırıq. Damın hər iki yarısındakı molekulların orta sürəti eyni qalacaq. Bölmə daha sürətli, "isti" molekulların bir hissəyə, daha yavaş "soyuq" molekulların digərinə nüfuz etməsinə imkan verən kiçik bir iblis tərəfindən qorunur. Nəticədə qaz birinci yarıda qızacaq, ikinci yarıda isə soyuyacaq, yəni sistem termodinamik tarazlıq vəziyyətindən temperatur potensialı fərqinə keçəcək, bu da entropiyanın azalması deməkdir.
Bütün problem ondadır ki, təcrübədə sistem bu keçidi özbaşına etmir. O, xaricdən enerji alır, bunun sayəsində arakəsmə açılır və bağlanır və ya sistemə mütləq enerjisini qapıçının vəzifələrinə sərf edən bir iblis daxildir. Cinin entropiyasındakı artım onun qazının azalmasından çox olacaq.
Uyğunsuz Molekullar
Bir stəkan su götürüb masanın üstünə qoyun. Stəkanı seyr etmək lazım deyil, bir müddət sonra geri qayıtmaq və içindəki suyun vəziyyətini yoxlamaq kifayətdir. Onun sayının azaldığını görəcəyik. Əgər stəkanı uzun müddət tərk etsəniz, onda heç bir su tapılmayacaq, çünki hamısı buxarlanacaq. Prosesin ən əvvəlində bütün su molekulları şüşənin divarları ilə məhdudlaşan məkanın müəyyən bir bölgəsində idi. Təcrübənin sonunda onlar bütün otağa səpələniblər. Bir otaq həcmində molekulların yerlərini dəyişdirmək üçün daha çox imkanları varsistemin vəziyyəti üçün nəticələr. Sağlamlığa faydası olan su içmək üçün onları lehimli "kollektiv"ə toplayıb yenidən stəkana atmağın heç bir yolu yoxdur.
Bu, sistemin daha yüksək entropiya vəziyyətinə çevrilməsi deməkdir. Termodinamikanın ikinci qanununa əsaslanaraq, entropiya və ya sistemin hissəciklərinin (bu halda su molekullarının) dağılma prosesi geri dönməzdir. Niyə belədir?
Clausius bu suala cavab vermədi və Lüdviq Boltzmandan başqa heç kim cavab verə bilmədi.
Makro və mikrostatlar
1872-ci ildə bu alim termodinamikanın ikinci qanununun statistik şərhini elmə gətirdi. Axı termodinamikanın məşğul olduğu makroskopik sistemlər davranışları statistik qanunlara tabe olan çoxlu sayda elementlərdən əmələ gəlir.
Gəlin su molekullarına qayıdaq. Otaq ətrafında təsadüfi uçaraq, müxtəlif mövqelər tuta bilər, sürətlərdə müəyyən fərqlər ola bilər (molekullar daim bir-biri ilə və havadakı digər hissəciklərlə toqquşur). Molekullar sisteminin vəziyyətinin hər bir variantı mikro vəziyyət adlanır və bu cür variantların çoxu var. Seçimlərin böyük əksəriyyətini həyata keçirərkən sistemin makrostatı heç bir şəkildə dəyişməyəcək.
Heç bir şey məhdudlaşdırılmayıb, lakin nəsə ehtimal olunmur
Məşhur S=k lnW əlaqəsi termodinamik sistemin müəyyən makro halının (W) onun S entropiyası ilə ifadə oluna biləcəyi mümkün yolların sayını əlaqələndirir. W dəyərinə termodinamik ehtimal deyilir. Bu formulun son forması Maks Plank tərəfindən verilmişdir. Enerji və temperatur arasındakı əlaqəni xarakterizə edən son dərəcə kiçik bir dəyər olan k əmsalı (1,38×10−23 J/K) Plank, alimin şərəfinə Boltsman sabitini adlandırdı. birincisi, ikincisi termodinamikanın başlanğıcının statistik şərhini təklif edir.
Aydındır ki, W həmişə 1, 2, 3, …N natural ədədidir (yolların kəsr sayı yoxdur). O zaman W loqarifmi və deməli, entropiya mənfi ola bilməz. Sistem üçün yeganə mümkün mikrostate ilə entropiya sıfıra bərabər olur. Şüşəmizə qayıtsaq, bu postulatı aşağıdakı kimi təqdim etmək olar: otaqda təsadüfi olaraq fırlanan su molekulları yenidən şüşəyə qayıtdılar. Eyni zamanda, hər biri öz yolunu dəqiq təkrarladı və yola düşməzdən əvvəl olduğu stəkanda eyni yeri tutdu. Entropiyanın sıfıra bərabər olduğu bu variantın həyata keçirilməsini heç nə qadağan etmir. Sadəcə belə bir itib-batan kiçik bir ehtimalın həyata keçirilməsini gözləyin, buna dəyməz. Bu, yalnız nəzəri cəhətdən edilə biləcəyinə bir nümunədir.
Evdə hər şey qarışıb…
Beləliklə, molekullar təsadüfi olaraq otaqda müxtəlif yollarla uçurlar. Onların düzülüşündə heç bir qanunauyğunluq yoxdur, sistemdə nizam-intizam yoxdur, mikrodövlətlər üçün variantları necə dəyişsəniz də, heç bir anlaşılan strukturu izləmək mümkün deyil. Şüşədə də eyni idi, lakin məkan məhdud olduğuna görə molekullar öz mövqelərini o qədər də aktiv şəkildə dəyişməyiblər.
Sistemin ən xaotik, nizamsız vəziyyətiehtimal onun maksimum entropiyasına uyğundur. Bir stəkanda su aşağı entropiya vəziyyətinə bir nümunədir. Bütün otaqda bərabər paylanmış xaosdan ona keçid demək olar ki, mümkün deyil.
Hamımız üçün daha başa düşülən bir nümunə verək - evdəki qarışıqlığı təmizləmək. Hər şeyi öz yerinə qoymaq üçün biz də enerji sərf etməliyik. Bu iş prosesində istiləşirik (yəni donmuruq). Belə çıxır ki, entropiya faydalı ola bilər. Bu belədir. Daha çox şey deyə bilərik: entropiya və onun vasitəsilə termodinamikanın ikinci qanunu (enerji ilə birlikdə) kainatı idarə edir. Geri dönən proseslərə bir daha nəzər salaq. Entropiya olmasaydı, dünya belə görünərdi: inkişaf, qalaktikalar, ulduzlar, planetlər yox idi. Həyat yoxdur…
"isti ölüm" haqqında bir az daha çox məlumat. Yaxşı xəbər var. Statistik nəzəriyyəyə görə, "qadağan olunmuş" proseslər əslində mümkün olmadığından, termodinamik tarazlıq sistemində dalğalanmalar yaranır - termodinamikanın ikinci qanununun kortəbii pozulması. Onlar özbaşına böyük ola bilər. Cazibə qüvvəsi termodinamik sistemə daxil edildikdə, hissəciklərin paylanması artıq xaotik olaraq vahid olmayacaq və maksimum entropiya vəziyyətinə çatmayacaq. Bundan əlavə, Kainat dəyişməz, sabit, sabit deyil. Buna görə də "isti ölüm" sualının özü mənasızdır.
