Էնտրոպիա

Էնտրոպիա նյութ

Նախորդ քննարկման ընթացքում մենք ուսումնասիրեցինք թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի մի քանի կոնկրետ դրույթներ։ Պետք է նշել, որ այս կոնկրետ դրույթները կարող են բացատրել միայն որոշակի անդառնալի գործընթացներ։ Կլաուզիուսի դրույթները բացատրում են միայն ջերմափոխանակումը և դրա կապը սառնարանի աշխատանքի սկզբունքի հետ։ Կելվինի և Պլանկի դրույթները վերաբերում են սառնարանի աշխատանքի սկզբունքին։ ջերմային շարժիչԸստ էության, այս երկու պնդումները վերաբերում են ջերմափոխանակմանը: Կան բազմաթիվ այլ անդարձելի գործընթացներ, որոնք հնարավոր չէ բացատրել այս երկու պնդումների միջոցով:

Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի կոնկրետ ձևակերպումը չի կարող բացատրել բոլոր անդառնալի պրոցեսները, ուստի մեզ անհրաժեշտ է ավելի ընդհանուր ձևակերպում: Այս ընդհանուր ձևակերպումը, ենթադրաբար, կբացատրի տիեզերքում տեղի ունեցող բոլոր անդառնալի պրոցեսները: Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի ընդհանուր ձևակերպումը ձևակերպվել է միայն տասնիններորդ դարի կեսերին՝ էնտրոպիա (S) կոչվող մեծության միջոցով: Էնտրոպիան կարելի է դիտարկել որպես անկարգության չափանիշ: Էնտրոպիայի մեծությունն առաջին անգամ ներկայացրել է Կլաուզիուսը և ստացվել Կարնոյի ցիկլից (կատարյալ ջերմային շարժիչ): Կլաուզիուսի համաձայն, համակարգի կողմից զգացվող էնտրոպիայի փոփոխության մեծությունը, երբ համակարգը ստանում է լրացուցիչ ջերմություն (Q) հաստատուն ջերմաստիճանում, արտահայտվում է հավասարմամբ.

Էնտրոպիան մեծություն է, որը նկարագրում է համակարգի մանրադիտակային վիճակը և, հետևաբար, չի կարող ուղղակիորեն չափվել: Մենք ուսումնասիրում ենք միայն էնտրոպիայի փոփոխությունը: Նման է համակարգի էներգիայի փոփոխությանը: ջերմադինամիկայի առաջին օրենքը.

Օրինակ հարց 1:

Տարայի մեջ գտնվող գազի որոշակի քանակություն ենթարկվում է ադիաբատիկ ընդարձակման։ Որքա՞ն է գազի էնտրոպիայի փոփոխությունը։

Քննարկում

Ադիաբատիկ պրոցեսի ընթացքում չկա ջերմություն որը մտնում կամ դուրս է գալիս համակարգից (գազ): Քանի որ Q = 0, ապա ΔS = 0: Համակարգի էնտրոպիան չի փոխվում, այսինքն՝ հաստատուն է: Իսկ ադիաբատիկ սեղմման դեպքում ի՞նչ կասեք: Այն հիմնականում նույնն է: Ադիաբատիկ սեղմման ժամանակ համակարգից ջերմություն չի մտնում կամ դուրս չի գալիս (Q = 0): Հետևաբար, համակարգի էնտրոպիան հաստատուն է:

Օրինակ հարց 2:

Կարնոյի շարժիչը 500 Կ ջերմաստիճանում ստանում է 2000 Ջ ջերմություն, կատարում է աշխատանք և որոշակի քանակությամբ ջերմություն է արտանետում 350 Կ ջերմաստիճանում: Որոշեք արտանետվող ջերմության քանակը և շարժիչի ընդհանուր էնտրոպիայի փոփոխությունը մեկ ցիկլի ընթացքում:

Քննարկում

Եթե ​​համակարգը ջերմություն է ստանում, Q-ն դրական է, եթե համակարգը ջերմություն է արձակում, Q-ն բացասական է։ Այս դեպքում համակարգը Կարնոյի շարժիչ է։

Մեկ ցիկլի ընթացքում Կարնոյի շարժիչը ենթարկվում է երկու շրջելի իզոթերմ պրոցեսների (իզոթերմ ընդարձակում + իզոթերմ սեղմում) և երկու շրջելի ադիաբատիկ պրոցեսների (ադիաբատիկ ընդարձակում և ադիաբատիկ սեղմում): Ադիաբատիկ ընդարձակման և սեղմման պրոցեսների ընթացքում համակարգից ջերմություն չի մտնում կամ դուրս չի գալիս (Q = 0): Քանի որ Q = 0 է, ադիաբատիկ պրոցեսի ընթացքում էնտրոպիայի փոփոխությունը = 0 է:

Իզոթերմ ընդարձակման ժամանակ շարժիչը կլանում է 2000 Ջ ջերմություն (Q) 500 Կ ջերմաստիճանում (T): Քանի որ շարժիչը կլանում է ջերմություն, Q-ն դրական է: Շարժիչի էնտրոպիայի փոփոխությունը իզոթերմ ընդարձակման ժամանակ կազմում է.

Իզոթերմ սեղմման ժամանակ շարժիչը 350 Կ ջերմաստիճանում (T) անջատում է 1400 Ջ ջերմություն (Q): Քանի որ շարժիչը անջատում է ջերմությունը, Q-ն ունի բացասական նշան: Իզոթերմ սեղմման ժամանակ շարժիչի էնտրոպիայի փոփոխությունը հետևյալն է՝

Ընդհանուր էնտրոպիայի փոփոխություն = 4 Ջ/Կ - 4 Ջ/Կ = 0

Օրինակ հարց 3:

Ջերմային շարժիչը 300°C ջերմաստիճանում ստանում է 600 Ջոուլ ջերմություն (Q): ^oC, կատարելով աշխատանք և անջատելով որոշակի քանակությամբ ջերմություն 100 ջերմաստիճանում ^oԳ. Որոշեք շարժիչի անջատված ջերմության քանակը և ընդհանուր էնտրոպիայի փոփոխությունը մեկ ցիկլի ընթացքում…

Քննարկում

T_H = 300 Կ

Q_H = 600 Ջ

T_L = 100 Կ

Q_L =?

Մեկ ցիկլի ընթացքում Կարնոյի շարժիչը ենթարկվում է երկու շրջելի իզոթերմ պրոցեսների (իզոթերմ ընդարձակում + իզոթերմ սեղմում) և երկու շրջելի ադիաբատիկ պրոցեսների (ադիաբատիկ ընդարձակում և ադիաբատիկ սեղմում): Ադիաբատիկ ընդարձակման և սեղմման պրոցեսների ընթացքում համակարգից ջերմություն չի մտնում կամ դուրս չի գալիս (Q = 0): Քանի որ Q = 0 է, ադիաբատիկ պրոցեսի ընթացքում էնտրոպիայի փոփոխությունը = 0 է:

Իզոթերմ ընդարձակման ժամանակ շարժիչը կլանում է 600 Ջ ջերմություն (Q) 300 Կ ջերմաստիճանում (T): Քանի որ շարժիչը կլանում է ջերմություն, Q-ն դրական է: Շարժիչի էնտրոպիայի փոփոխությունը իզոթերմ ընդարձակման ժամանակ կազմում է.

Իզոթերմ սեղմման ժամանակ շարժիչը 100 Կ ջերմաստիճանում (T) անջատում է 200 Ջ ջերմություն (Q): Քանի որ շարժիչը անջատում է ջերմությունը, Q-ն ունի բացասական նշան: Իզոթերմ սեղմման ժամանակ շարժիչի էնտրոպիայի փոփոխությունը հետևյալն է՝

Ընդհանուր էնտրոպիայի փոփոխություն = 2 Ջ/Կ - 2 Ջ/Կ = 0

Օրինակ 2-րդ և օրինակ 3-րդ հարցերից երևում է, որ շրջելի պրոցեսի ընդհանուր էնտրոպիայի փոփոխությունը = 0 է։ Այլ կերպ ասած, շրջելի պրոցեսում ընդհանուր էնտրոպիան միշտ հաստատուն է։

Օրինակ հարց 4:

2 կգ սառցե խորանարդի ջերմաստիճանը 0 է։ ^oԳ. Սառցե խորանարդիկները տեղադրվում են տարայի մեջ և չորացվում արևի տակ։ Քանի որ դրանք լրացուցիչ ջերմություն են ստանում օդից և արևից, սառույցը հալվում է։ Որոշեք սառույցի էնտրոպիայի փոփոխությունը։ (Ջրի հալման ջերմությունը = 3,34 x 10⁵ Ջ/կգ)

Քննարկում

Սառույցի զանգվածը = 2 կգ

Սառույցի ջերմաստիճանը = 0 ^oC + 273 = 273 Կ

Ջրի միաձուլման ջերմությունը = 3,34 x 10 5 Ջ/կգ

2 կգ սառույցը ջրի մեջ հալեցնելու համար անհրաժեշտ ջերմությունը՝

Q = մլ

Q = (2 կգ)(3,34 x 10⁵ Ջ/կգ)

Q = 6,68 x 10⁵ J

Q = 668 x 10³ J

Հալման գործընթացում (սառույցից ջուր) ջերմաստիճանը հաստատուն է։ Քանի որ ջերմաստիճանը հաստատուն է, հաշվարկվում է սառույցի էնտրոպիայի փոփոխությունը։

Օրինակ հարց 5:

Մի բաժակ ջուր 26 աստիճան ջերմաստիճանում ^oC խառնված մի բաժակ ջրի հետ 22 ջերմաստիճանում ^oԳ. Եթե բաժակի մեջ ջրի զանգվածը = 2 կգ է, որոշեք ջրի էնտրոպիայի փոփոխությունը։ Ենթադրենք, որ տաք և սառը ջուրը խառնված է փակ, լավ մեկուսացված տարայի մեջ։ Ջերմափոխանակումը անշրջելի գործընթաց է։

Քննարկում

Ջրի տեսակարար ջերմությունը (c) = 4180 Ջ/կգ C^o

Ջրի զանգվածը = 2 կգ (նույն ջրի զանգվածը):

Քանի որ ջրի զանգվածը նույնն է, խառնուրդի վերջնական ջերմաստիճանը = 24 ^oC (26 ^oC+22 ^oC / 2 = 48 ^oC / 2 = 24 ^oC):

Տաք ջրի կողմից անջատված ջերմության քանակը, երբ նրա ջերմաստիճանը իջնում ​​է 26°C-ից ^oC - 24 ^oC:

Q = մկ ΔT = (2 կգ)(4180 Ջ/կգ C^o)(26 ^oC - 24 ^oԳ) = (2 կգ)(4180 Ջ/կգ Գ^o)(2 ^oԳ) = 16720 Ջ

Սառը ջրի կողմից կլանված ջերմության քանակը, երբ դրա ջերմաստիճանը բարձրանում է 22°C-ից մինչև 24°C։

Q = մկ ΔT = (2 կգ)(4180 Ջ/կգ C^o)(24 ^oC - 22 ^oԳ) = (2 կգ)(4180 Ջ/կգ Գ^o)(2 ^oԳ) = 16720 Ջ

Ընդհանուր էնտրոպիայի փոփոխություն = տաք ջրի էնտրոպիայի փոփոխություն + սառը ջրի էնտրոպիայի փոփոխություն

Տաք ջրի միջին ջերմաստիճանը = (26 ^oC+24 ^oԳ) / 2 = 50 ^oC / 2 = 25 ^oC ‐‐‐‐ 25 + 273 = 298 Կ

Սառը ջրի միջին ջերմաստիճանը = (22 ^oC+24 ^oԳ) / 2 = 46 ^oC / 2 = 23 ^oC ‐‐‐‐ 23 + 273 = 296 Կ

Տաք ջուրը ջերմություն է անջատում, ուստի Q-ն բացասական է: Հակառակը, սառը ջուրը ջերմություն է կլանում, ուստի Q-ն դրական է: Հիշե՛ք Q նշանի կոնվենցիան (թերմոդինամիկայի առաջին օրենք):

ΔS Ընդհանուր = ΔS տաք ջուր + ΔS սառը ջուր

Δ S Ընդամենը = ‐ 56,107 J/K + 56,486 J/K

ΔS Ընդհանուր = 0,379 Ջ/Կ

Ընդհանուր էնտրոպիան մեծանում է 0,379 Ջ/Կ-ով

Չնայած համակարգի որոշ մասերի էնտրոպիան նվազում է (-56,107 Ջ/Կ), համակարգի որոշ մասերի էնտրոպիան մեծանում է ավելի մեծ քանակությամբ (+ 56,486 Ջ/Կ), այնպես որ ընդհանուր էնտրոպիան միշտ աճում է (+ 0,379 Ջ/Կ):

Անդարձելի պրոցեսում ընդհանուր էնտրոպիայի աճը կիրառելի է ոչ միայն վերը վերլուծված տաք և սառը ջրային խառնուրդների միջև ջերմափոխանակման համար, այլև վերաբերում է գիտնականների կողմից ուսումնասիրված բոլոր դեպքերին: Ընդհանուր էնտրոպիան միշտ մնում է անփոփոխ, եթե պրոցեսը շրջելի է: Եթե պրոցեսը անդարձելի է, ընդհանուր էնտրոպիան միշտ աճում է:

Ըստ էության, մեր առօրյա կյանքի բոլոր բնական գործընթացները անշրջելի են, ուստի ընդհանուր էնտրոպիան անխուսափելիորեն աճում է: Այս փաստը ամփոփված է հետևյալ տողում.

Անդառնալի գործընթացում համակարգի և շրջակա միջավայրի ընդհանուր էնտրոպիան միշտ աճում է։

Այս թեքատառ նախադասությունը ջերմադինամիկայի երկրորդ օրենքի ընդհանուր ձևակերպումն է: Ջերմադինամիկայի երկրորդ օրենքը որոշ չափով տարբերվում է ֆիզիկայի մյուս օրենքներից: Սովորաբար ֆիզիկական օրենքները արտահայտվում են հավասարումների (օրինակ՝ Նյուտոնի օրենքները) կամ պահպանման օրենքների (օրինակ՝ էներգիայի պահպանման օրենքը) տեսքով:

Էնտրոպիան անկարգության չափանիշ է

Էնտրոպիան կարելի է համարել անկարգության չափանիշ։ Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի ընդհանուր դրույթի համեմատ, անկարգությունը հակված է աճել անդառնալի պրոցեսներում։ Այլ կերպ ասած, յուրաքանչյուր անդառնալի պրոցես էապես հանգեցնում է անկարգության վիճակի։ Այստեղ անկարգության իմաստը կարող է անհասկանալի լինել, ուստի այն կբացատրվի առօրյա կյանքում տեղի ունեցող անդառնալի պրոցեսների օրինակներով։

Կարևոր է նշել, որ էնտրոպիայի հասկացությունը սկզբնապես կապված էր միայն էներգիայի ձևի և փոխանցման փոփոխությունների հետ կապված անդառնալի գործընթացների հետ։ Ցողունից ազատվելուց և գետնին ընկնելուց հետո ազատորեն ընկնելուց հետո մանգոն երբեք վերև չի սահում։ Մենք սեղմում և կանգ առնող գիրքը երբեք չի վերադառնում մեզ մոտ։ Սրանք էներգիայի ձևի փոփոխությունների և մեկ առարկայից մյուսը էներգիայի փոխանցման հետ կապված անդառնալի գործընթացների մի քանի օրինակներ են։ Այս գործընթացները տեղի են ունենում միայն մեկ ուղղությամբ, բայց երբեք հակառակ ուղղությամբ։ Մանգոն երբեք ինքնուրույն վերև չի սահում, քանի որ ներքին էներգիա վերածվել է կինետիկ էներգիաԳիրքը երբեք չի սահում դեպի մեզ, քանի որ շփման հետևանքով առաջացող ջերմությունը վերածվում է կինետիկ էներգիայի։

Տիեզերքում տեղի ունեցող անդարձելի գործընթացները կապված են ոչ միայն էներգիայի ձևերի և էներգիայի փոխանցման փոփոխությունների հետ։ Ծնվելուց հետո մենք մեծանում ենք՝ դառնալով նորածիններ, երեխաներ, դեռահասներ, մեծահասակներ, ապա ծերանում և քայքայվում, և վերջապես մահանում 😉 Դուք երբևէ տեսե՞լ եք, որ ծերունին վերածվի երեխայի։ Երբեք… Մեր օգտագործած բջջային հեռախոսը ժամանակի ընթացքում դառնում է մռայլ և վնասված… Նոր մեքենան, որը սկզբում հարթ և հզոր էր, դառնում է պակաս հարթ և թույլ մի քանի տարի օգտագործելուց հետո։ Դուք երբևէ տեսե՞լ եք, որ հին մեքենան հանկարծ նորից նորանա։ Կամ ձեր սիրելի բջջային հեռախոսը ամեն օր ավելի հարթ և լավն է դառնում։ Երբեք… Օգտագործելուց հետո բջջային հեռախոսը դառնում է մռայլ և վնասված։ Մեքենաները նույնն են… Սրանք անդարձելի գործընթացների մի քանի օրինակներ են, որոնք ոչ մի կապ չունեն էներգիայի ձևերի և էներգիայի փոխանցման փոփոխությունների հետ…. Այժմ, հասկանալով, որ տիեզերքում տեղի ունեցող բոլոր բնական գործընթացները անդարձելի են, էնտրոպիայի հասկացությունն ավելի լայն է դառնում։ Քննարկումը ներառում է ոչ միայն թերմոդինամիկ գործընթացները, այլև տիեզերքում տեղի ունեցող շատ այլ անդարձելի գործընթացներ։

Հիմա եկեք քննարկենք առօրյա կյանքում տեղի ունեցող որոշ անդարձելի պրոցեսներ։ Նախ, եկեք դիտարկենք մի պարզ անդարձելի պրոցես։ Սա ընդամենը ներածություն է, որպեսզի դուք հասկանաք էնտրոպիայի հասկացությունը և դրա կապը անդարձելի պրոցեսների հետ։

Օրինակ, ենթադրենք, որ դուք ունեք մի քանի կարմիր և կապույտ գնդիկներ։ Գնդիկները տեղադրված են տարայի մեջ։ Կապույտ գնդիկները կոկիկ դասավորված են ներքևում, մինչդեռ կարմիր գնդիկները կոկիկ դասավորված են վերևում (ձախ նկար)։ Տարայի մեջ ձեր գնդիկների դասավորությունը շատ կարգավորված է թվում… Ներքևը ամբողջությամբ կապույտ է, վերևը՝ ամբողջությամբ կարմիր։

Հաջորդը, դուք թափահարում եք տարան վեր ու վար։ Քանի որ տարան շարժվում է վեր ու վար, գնդիկների դասավորությունը, որը սկզբում շատ կանոնավոր էր, փոխվում է՝ կրկին դառնալով անկանոն (աջ նկար)։ Կարմիր և կապույտ գնդիկները խառնվում են իրար 😉 Որքան շատ եք թափահարում այն, այնքան գնդիկների դասավորությունը դառնում է ավելի անկանոն… Հնարավո՞ր է, որ թափահարելուց հետո գնդիկների դասավորությունը դառնա նախկինի պես կանոնավոր։ Դա անհնար է… Խնդրում եմ ապացուցեք, եթե չեք հավատում։ Անհնար է, որ գնդիկները դառնան նախկինի պես կանոնավոր… Սա անդարձելի պրոցեսի օրինակ է։ Անդարձելի պրոցես անցնելուց հետո գնդիկների դասավորությունը, որը սկզբում շատ կանոնավոր էր, փոխվում է՝ դառնալով անկանոն։ Կանոնավորությունը վերածվել է անկանոնության…

Նույնը տեղի է ունենում նաև այլ անդառնալի պրոցեսների դեպքում։ Երբ մենք դիպչում ենք տաք և սառը մարմինների, ջերմությունը ավտոմատ կերպով կհոսի տաքից դեպի սառը մարմին… Ջերմությունը դադարում է հոսել, երբ երկու շփման մեջ գտնվող մարմինները հասնում են նույն ջերմաստիճանի։ Այս գործընթացը անդառնալի է… Սկզբում մենք ունենք մոլեկուլների երկու դասավորություն՝ մոլեկուլներ, որոնք ունեն մեծ միջին կինետիկ էներգիա (մոլեկուլներ, որոնք կազմում են տաք մարմինը) և մոլեկուլներ, որոնք ունեն փոքր միջին կինետիկ էներգիա (մոլեկուլներ, որոնք կազմում են սառը մարմինը)։ Երբ տաք և սառը մարմինները հասնում են նույն ջերմաստիճանի (մոլեկուլներն ունեն նույն միջին կինետիկ էներգիան), մենք այլևս չենք կարող տարբերակել մոլեկուլների երկու դասավորությունները։ Մոլեկուլների դասավորությունը, որը սկզբում կանոնավոր էր, փոխվում է՝ դառնալով անկանոն։ Նման է վերևում նշված մարմարների դասավորությանը… Երբ երկու մարմինները հասնում են նույն ջերմաստիճանի, մոլեկուլների կանոնավոր դասավորությունը փոխվում է անկանոնության (անկանոնությունը մեծանում է ջերմության անդառնալի փոխանցման պատճառով)։

Ավելին, ջերմության հոսքը տաք մարմնից դեպի սառը մարմին կարելի է դիտարկել որպես ջերմության հոսք բարձր ջերմաստիճանի տիրույթից դեպի ցածր ջերմաստիճանի տիրույթ ջերմային շարժիչում: Ջերմության հոսքը բարձր ջերմաստիճանի տիրույթից դեպի ցածր ջերմաստիճանի տիրույթ թույլ է տալիս ջերմային շարժիչին կատարել աշխատանք: Ջերմային շարժիչը չի կարող կատարել աշխատանք առանց ջերմային հոսքի: Այսպիսով, մենք կարող ենք կապ հաստատել անկարգության չափի և աշխատանք կատարելու ունակության միջև: Նույն ջերմաստիճանին հասնելուց հետո տաք մարմնից դեպի սառը մարմին այլևս ջերմային հոսք չկա (անկարգությունը մեծանում է): Քանի որ ջերմային հոսքի բացակայությունը խանգարում է ջերմային շարժիչին կատարել աշխատանք, կարող ենք ասել, որ այն համակարգը, որը չի կարող կատարել աշխատանք, ունի բարձր անկարգություն, մինչդեռ այն համակարգը, որը կարող է կատարել աշխատանք, ունի ցածր անկարգություն…

Այս արդյունքներից մենք կարող ենք եզրակացություններ անել էներգիայի ձևերի և անկարգության չափման միջև եղած կապի մասին: Հիմնականում, էներգիայի այն ձևը, որը կարող է օգտագործվել աշխատանք կատարելու համար, պոտենցիալ էներգիան է: Ջրի գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիան կարող է օգտագործվել տուրբինը շարժելու համար: Նավթի քիմիական պոտենցիալ էներգիան կարող է օգտագործվել տրանսպորտային միջոցը շարժելու համար: Մեր մարմինների քիմիական պոտենցիալ էներգիան կարող է օգտագործվել աշխատանք կատարելու, ճանապարհորդելու, ուսումնասիրելու համար… Մանգոյի գրավիտացիոն պոտենցիալ էներգիան կարող է օգտագործվել տան տանիքի արտահոսքը վերականգնելու համար 😉 Քանի որ էներգիայի օգտակար ձևերը կարող են օգտագործվել աշխատանք կատարելու համար, կարող ենք ասել, որ էներգիայի օգտակար ձևերն ավելի կարգավորված են, մինչդեռ էներգիայի անօգուտ ձևերն ավելի անկարգ են: Անօգուտ էներգիայի ձևերն են ներքին էներգիան և ջերմությունը… Հողին հարվածելուց հետո մանգոն այլևս երբեք վեր չի սահում, քանի որ ներքին էներգիան վերածվում է կինետիկ էներգիայի…

Գիրքը հրելուց հետո այն շարժվում է։ Շփման առկայությունը ստիպում է գրքին կանգ առնել… Այս դեպքում գրքի կինետիկ էներգիան վերածվել է ջերմության (ջերմությունն առաջանում է շփման պատճառով)։ Իրականում, դեռևս առկա գիրքը չի սահում դեպի մեզ, քանի որ ջերմությունը վերածվել է կինետիկ էներգիայի… Այս երկու օրինակները ցույց են տալիս, որ ջերմությունը էներգիայի երկու անօգուտ ձևեր են։ Էներգիայի անօգուտ ձևերը չեն կարող օգտագործվել աշխատանք կատարելու համար։ Այսպիսով, կարող ենք ասել, որ ջերմությունը և ներքին էներգիան ունեն բարձր անկանոնություն…

Հիմնականում, էներգիայի ձևի փոփոխության գործընթացը՝ էներգիայի օգտակար ձևից էներգիայի անօգուտ ձևի, միշտ մեծացնում է անկարգությունը… Ժարգոնով ասած՝ էնտրոպիան միշտ մեծանում է էներգիայի ձևի փոփոխության ընթացքում… Քանի որ էնտրոպիան միշտ մեծանում է ժամանակի ընթացքում, էներգիայի բոլոր օգտակար ձևերը կվերածվեն անօգուտ ձևերի: Էներգիան միշտ կպահպանվի էներգիայի ձևի փոփոխության գործընթացում, բայց էներգիայի այն ձևը, որը կարգավորված է և կարող է օգտագործվել աշխատանք կատարելու համար, փոխվում է անկանոն ձևի և չի կարող օգտագործվել աշխատանք կատարելու համար…

Էնտրոպիա և վիճակագրություն

Նախկինում մենք քննարկել ենք, որ էնտրոպիան անկարգության չափանիշ է: Յուրաքանչյուր անդառնալի գործընթաց էապես հանգեցնում է բարձր անկարգության վիճակի: Այս գաղափարը կարող է թվալ վերացական և անհասկանալի: Էնտրոպիայի հասկացությունն ավելի լավ հասկանալու համար կարող ենք օգտագործել վիճակագրական մոտեցում: Էնտրոպիայի հասկացությունը վիճակագրական մոտեցմամբ հասկանալն առաջին անգամ օգտագործել է Լյուդվիգ Բոլցմանը (1844–1906):

Այս հոդվածի սկզբում բացատրվեց, որ էնտրոպիան մեծություն է, որը նկարագրում է համակարգի մանրադիտակային վիճակը։ Մակրոսկոպիկ վիճակները նկարագրող մեծությունները կարող են ուղղակիորեն հայտնի լինել, բայց մանրադիտակային վիճակները նկարագրող մեծությունները՝ ոչ։ Մանրադիտակային վիճակը հասկանալու համար կարող ենք ուսումնասիրել մակրոսկոպիկ և մանրադիտակային վիճակների միջև եղած կապը։

Դուք ունե՞ք հարյուր ռուփի մետաղադրամ։ Հարյուր ռուփի մետաղադրամն ունի երկու կողմ. մի կողմում պատկերված է Գարուդա թռչուն, իսկ մյուս կողմում՝ «100 ռուփի» բառը։ Այսպես, օրինակ, եթե դուք ունեք չորս հարյուր ռուփի մետաղադրամներ… եթե բոլոր չորս հարյուր ռուփի մետաղադրամները նետեք գետնին, մեկ նետման ժամանակ կլինեն հինգ տարբեր արդյունքներ.

Սկզբում հայտնվում են Գարուդա թռչնի բոլոր պատկերները (4 պատկեր)։

Երկրորդ, հայտնվում են Գարուդա թռչնի 3 նկարներ՝ հարյուր ռուփիի 1 գրություն (3 նկար, 1 գրություն)։

Երրորդ, հայտնվում են Գարուդա թռչնի 2 պատկեր, 2 բառ՝ հարյուր ռուփիահ (2 պատկեր, 2 բառ)։

Չորրորդ, հայտնվում է Գարուդա թռչնի 1 պատկեր, հայտնվում է 3 բառ՝ հարյուր ռուփի (1 պատկեր, 3 բառ)։

Հինգերորդ, հայտնվում են հարյուր ռուփի բառերը (4 բառ)…

Այս հինգ հնարավոր պատկերները կամ գրությունները մենք անվանում ենք մակրոսկոպիկ վիճակներ (մակրո = մեծ): Եվ հակառակը, եթե մենք չորս մետաղադրամները ներկայացնենք որպես պատկերներ կամ գրություններ, մենք հայտարարում ենք մանրադիտակային վիճակներ (միկրո = փոքր):

Մեկ նետման ժամանակ կա 16 հնարավոր մանրադիտակային վիճակ (Յուրաքանչյուր մետաղադրամ ունի երկու հնարավորություն։ Չորս մետաղադրամ ունի 16 հնարավորություն = 2 x 2 x 2 x 2 = 2 4 = 16)։ Ամենամեծ հավանականությունն այն է, որ կհայտնվեն 2 նկար և 2 գրվածք (Ընդհանուր 16 մանրադիտակային վիճակներից կա 6 հնարավոր մանրադիտակային վիճակ՝ 6/16 x 100% = 37,5%)։ Մյուս կողմից, ամենափոքր հավանականությունն այն է, որ կհայտնվեն 4 նկար կամ 4 գրվածք (Յուրաքանչյուրն ունի 1 հնարավոր մանրադիտակային վիճակ՝ 1/16 x 100% = 6,25%)։ Այստեղ մենք քննարկում ենք միայն հնարավորություն կամ հավանականություն... Եթե մենք մետաղադրամներ նետենք 16 անգամ, հաստատ չէ, որ 2 նկար և 2 գրվածք կհայտնվեն 6 անգամ։ Բայց եթե մենք մետաղադրամներ նետենք հազարավոր անգամներ, 2 նկարի և 2 գրվածքի հայտնվելու հավանականությունը կարող է մոտենալ 37,5%-ին։

Ավելի լավ է ապացուցել դա... Խնդրում եմ չորս հարյուր ռուփի մետաղադրամը նետեք 100 անգամ (1000 անգամ, եթե կարող եք 😉): Գրանցեք մեկ նետման արդյունքում ստացված տվյալները... Մետաղադրամները 100 անգամ նետելուց հետո կտեսնեք, որ ամենից հաճախ հայտնվում են 2 պատկեր և 2 գրություն: Որքան շատ նետումների քանակ կա, այնքան 2 պատկեր և 2 գրություն ստանալու հավանականությունը մոտենում է նետումների ընդհանուր թվի 37,5%-ին:

Նախկինում մենք դիտարկել էինք միայն 4 մետաղադրամ։ Եթե մենք մեծացնենք մետաղադրամների քանակը, ապա մանրադիտակային վիճակների քանակը մեծանում է։ Օրինակ, մենք ունենք 100 մետաղադրամ… Մեկ նետման ժամանակ կա 2 100 = 1,27 x 10 30 հնարավոր մանրադիտակային վիճակ… Ամենամեծ հավանականությունն այն է, որ կհայտնվի 50 նկար և 50 գրվածք (Մանրամասնային վիճակների ընդհանուր քանակը՝ 1,27 x 10 30, կա 1,01 x 10 29 հնարավոր մանրադիտակային վիճակ)։ Հակառակը, ամենափոքր հավանականությունն այն է, որ կհայտնվի 100 նկար կամ 100 գրվածք (Յուրաքանչյուրն ունի միայն 1 հնարավոր մանրադիտակային վիճակ՝ 1,27 x 10 30 մանրադիտակային վիճակներից)։ Շատ փոքր է և գրեթե անհնար է… Եթե մենք ունենք 1000 մետաղադրամ, 1000 նկարի կամ 1000 գրվածքի հայտնվելու հավանականությունը, իհարկե, ավելի փոքր է և ավելի ու ավելի անհնար է դառնում։

Սա էնտրոպիայի հասկացության հետ կապելու համար կարող ենք ենթադրել, որ բոլոր պատկերները կամ ամբողջ տեքստը կարգավորված դասավորվածությամբ են, մինչդեռ պատկերների կեսը և տեքստի կեսը անկանոն դասավորվածությամբ են։ Որքան մեծ է մետաղադրամների քանակը, այնքան փոքր է կարգավորված դասավորվածություն (բոլոր պատկերները կամ ամբողջ տեքստը) ստանալու հավանականությունը կամ հնարավորությունը, և դա դառնում է գրեթե անհնար։ Եվ հակառակը, անկանոն դասավորվածությունը (պատկերների կեսը և տեքստի կեսը) ունի շատ ավելի մեծ հավանականություն կամ հնարավորություն։ Այս արդյունքից երևում է, որ անկանոնությունը սերտորեն կապված է հավանականության հետ։ Ամենահավանական վիճակը անկանոն վիճակն է, մինչդեռ ամենաանհավանական վիճակը կարգավորված վիճակն է։

Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի ընդհանուր ձևակերպումը, որը մենք քննարկեցինք ավելի վաղ, նշում է, որ էնտրոպիան կամ անկարգությունը միշտ աճում է յուրաքանչյուր անդարձելի պրոցեսում: Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի այս ձևակերպումը կարելի է հասկանալ որպես հավանականության ձևակերպում: Սա նշանակում է, որ տիեզերքում տեղի ունեցող յուրաքանչյուր պրոցես ունի ամենամեծ հավանականությունը կամ հնարավորությունը: Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը չի արգելում էնտրոպիայի նվազումը յուրաքանչյուր անդարձելի պրոցեսում, բայց հավանականությունը շատ փոքր է, գրեթե անհնար: Եվ հակառակը, էնտրոպիայի աճը շատ ավելի մեծ հավանականություն ունի: Ավելի վաղ մեր կողմից ուսումնասիրված պեննիների քանակը ընդամենը 100 էր… իրականում կա 6,02 x 10:²³ մոլեկուլներ… սա շատ մեծ թիվ է։ Այս թվի հնարավոր մանրադիտակային վիճակները, իհարկե, շատ մեծ են, ուստի ցանկացած կարգ ունի շատ փոքր, գրեթե անհնարին հավանականություն…

Եթե ​​մենք բաժակը գցենք հատակին, հատակին ցրված ապակու բեկորները կարող են կրկին հավաքվել և կազմել ամբողջական բաժակ, ինչպես նախկինում։ Սակայն դա տեղի ունենալու հավանականությունը այնքան փոքր է, որ անհնար է… երբ ապակին դեռևս ամբողջական է, մոլեկուլների դիրքը ավելի կարգավորված է։ Երբ ապակին ընկնում է այնքան ժամանակ, մինչև կոտրվում է, որպեսզի ապակու բեկորները ցրվեն գետնին, մոլեկուլների դիրքը դառնում է անկարգ։ Կարգավորված դիրք վերադառնալու հավանականությունը այնքան փոքր է, որ անհնար է սպասել, որ ապակու մոլեկուլները կրկին հավաքվեն։ Եթե մենք դիպչենք տաք և սառը առարկաների, ջերմությունն ինքնուրույն կհոսի տաք առարկայից դեպի սառը առարկա… տաք առարկաներն ունեն մոլեկուլներ, որոնք շարժվում են պատահականորեն և արագ, մյուս կողմից՝ սառը առարկաները կազմող մոլեկուլների շարժումը շատ արագ չէ։ Այս արագ շարժվող մոլեկուլների միմյանց բախվելու կամ սառը առարկային անցնելու հավանականությունը շատ ավելի մեծ է, քան դանդաղ շարժվող մոլեկուլների հավանականությունը… ով արագ է, նա էլ է ստանում 😉 ջերմությունը կարող է տեղափոխվել սառը առարկայից դեպի տաք առարկա, բայց դա տեղի ունենալու հավանականությունը շատ ավելի փոքր է։

Վերևում պատկերված կապույտ և կարմիր գնդիկները կարող են վերադառնալ իրենց սկզբնական, կանոնավոր դասավորությանը։ Սակայն կարգավորված դասավորությանը վերադառնալու հավանականությունը շատ ավելի փոքր է։ Անկանոն դասավորությունը շատ ավելի մեծ հավանականություն ունի։ Նմանապես, փակ տարայի մեջ գազի ազատ ընդարձակման դեպքում։ Տարան ունի երկու խցիկ, որտեղ երկու խցիկները բաժանված են պատնեշով։ Սկզբում գազը գտնվում է ձախ խցիկում։ Երբ պատնեշը հեռացվում է, գազի մոլեկուլները կհավաքվեն աջ խցիկ։ Աջ խցիկը դատարկ է, մինչդեռ ձախ խցիկը պարունակում է պատահականորեն շարժվող մոլեկուլներ։ Երբ պատնեշը հեռացվում է, մոլեկուլները մեծ հավանականություն ունեն անցնելու դատարկ խցիկ։ Երբ մոլեկուլները լցնեն երկու խցիկ ունեցող տարայի ամբողջ ծավալը, հնարավո՞ր է, որ բոլոր մոլեկուլները կրկին լցնեն ձախ խցիկը։ Հնարավոր է, բայց հավանականությունը շատ փոքր է։ Միայն մեկ մոլում կա 6,02 x 10²³ մոլեկուլներ… բոլոր մոլեկուլները ձախ տարածությունում լինելու հավանականությունը միլիոնից 1 է։ Միլիոնից մեկը շատ փոքր և գրեթե անհնարին հավանականություն է…

Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը մեզ ասում է, որ տիեզերքում տեղի ունեցող յուրաքանչյուր պրոցես ամենահավանականն է։ Բնության մեջ պրոցեսի ընթացքի ուղղությունը (դեպի ավելի բարձր էնտրոպիա) որոշվում է պատահականությամբ կամ հավանականությամբ… անկարգությունն ունի տեղի ունենալու շատ ավելի մեծ հավանականություն և, հետևաբար, ավելի հավանական է, որ տեղի ունենա…

Էնտրոպիա = ժամանակի նետ

Էնտրոպիան կոչվում է նաև ժամանակի նետ, քանի որ այն ցույց է տալիս ժամանակի ընթացքը։ Յուրաքանչյուր բնական պրոցեսի ուղղությունը դեպի անկարգություն է։ Եթե դիտարկենք հակառակը, այսինքն՝ անկարգությունն ինքնին վերածվում է կարգի, կարող ենք ասել, որ իրադարձությունը շրջված է։ Եթե տեսնենք, որ հատակին ցրված ապակու կտորները կրկին հավաքվում են և կրկին կազմում են ամբողջական բաժակ, կարող ենք ասել, որ իրադարձությունը շրջված է։ Սա երբեք տեղի չի ունենում մեր առօրյա կյանքում, և եթե այդպես լիներ, դա կխախտեր ջերմադինամիկայի երկրորդ օրենքը։ Այս դեպքում ժամանակը երբեք հետ չի շարժվում, և անկարգությունը երբեք ինքնաբերաբար չի փոխվում կարգի։ Մեր կյանքում ամենահավանական և անընդհատ երևույթն այն է, որ կարգուկանոնը միշտ շարժվում է դեպի անկարգություն. ժամանակը միշտ շարժվում է առաջ, այլ ոչ թե հետ։ Եթե տարեց մարդը վերածվում է երեխայի, մենք դա կհամարենք աննորմալ և ջերմադինամիկայի երկրորդ օրենքի խախտում։