Abordarea termodinamic la esența vieții

In 1847, Helmholtz formulat legea conservării energiei (ZSE). Trebuie amintit că ZSE este doar o generalizare empirică: În general vorbind, nimeni nu știe de ce energia nu poate fi creată din nimic, nici distrusă - pur și simplu nu se întâmplă în nici un mod arbitrar inteligent, observații și experimente. Ne amintim cu toții că o ZSE zi se agită bine - atunci când a devenit necesar să se explice de ce soarele strălucește (. Vezi vârsta pământului), Cu toate acestea, au apărut în timp descoperirea echivalenței de masă și energia lui Einstein, și totul va cădea în loc. Acesta este motivul pentru care nici unul dintre Oficiul de Brevete nu va lua în considerare proiectul de dispozitiv pentru mai multă energie decât consumă; un astfel de dispozitiv este numit o mașină de mișcare perpetuă a primului tip. Primul om-mașină pentru convertirea căldurii în energie mecanică a motorului cu aburi. Acest dispozitiv produce o lucrare prin mutarea energiei sub formă de căldură din rezervor fierbinte (abur) în rezervorul rece (cu apă). Prin urmare, secțiunea fizică, care se ocupă cu transformări reciproce de muncă și de energie, numite termodinamica, și un motor cu aburi pentru o lungă perioadă de timp a rămas modelul său principal. Prima lege a termodinamicii prevede că „în cazul în care rezervorul de abur conține o anumită cantitate de energie de la motorul cu aburi nu se poate obține mai mult de lucru decât ceea ce o rezervă de energie.“ Este ușor de observat că aceasta este una dintre formulările ZSE; aceasta este prima lege a termodinamicii și încalcă „mașină de mișcare perpetuă a primului tip.“ Ei bine, bine: este imposibil, deoarece este imposibil. Dar cel puțin toată munca pe care este conținută într-o pereche, putem învăța? Se înțelege - în cazul în care elimina complet frecarea și toate celelalte pierderi? Din păcate - se pare, nu. Chiar și în cazul ideal, nu este ceva care castiga - „Ia-o“ nu se poate chiar In 1824 godu Carnot a constatat că fracțiunea de energie termică, care poate fi (în mod ideal chiar!) Convertit în lucru depinde de diferența de temperatură dintre rezervoarele calde și reci. ieșire ideală K = (T2-T1) / T2, unde T1 și T2 - temperatura rezervoarelor de stocare la rece și la cald (în grade absolute scara Kelvin). Să presupunem, de exemplu, T2 ar 400o (= 127 ° C) și 300o T1 (= 27 ° C). În acest caz, K = (400-300) / 400 = 0,25. Aceasta este - chiar și în acest caz idealizat, doar un sfert din energia poate fi transformată în muncă, iar restul de trei sferturi - a pierdut inutil. Dacă avem doar un singur rezervor (este cald, este rece), ieșirea ideală, respectiv, va fi egal cu zero. Aceasta este - energia în acest rezervor cu aburul la fel de mult cât este necesar, dar nu și o singură parte din ea nu poate fi transformată în muncă. Toate acestea se aplică integral altor forme de energie: munca pe care se poate face o piatra care se încadrează de la marginea falezei, depinde de înălțimea acestuia (de exemplu, diferența dintre energiile potențiale ale pietrei), dar piatra situată în mijlocul platoului, la o altitudine de 5 km, nr lucrarea nu poate comite. Aceasta este una din formulările din a doua lege a termodinamicii (BHT), „nici un dispozitiv nu poate extrage de lucru dintr-un sistem care este în întregime același nivel potențial.“ Un aparat pentru extragerea de lucru dintr-un sistem cu un singur nivel de energie (și, prin urmare, violarea BHT), numită mișcarea perpetuă a doilea fel. Imaginați-vă cum ar fi rece - pompa, de exemplu, energia mișcării termice a moleculelor tigaie de apă (cratiță, apoi lăsați când îngheață - legea de conservare a energiei, vom onora!) Și ao transforma, sau chiar o formă mecanică, electrică Putnam. Dar nimic din această afacere nu va funcționa - o mașină de mișcare perpetuă de al doilea tip nu poate fi exact la fel ca prima. Intre timp, la fel ca în sistem să apară doar două nivele de energie, energia începe imediat să curgă de la nivelul superior la scăzut: căldura trece de la cald la corpul rece, piatra cade de pe o stâncă, un curent începe să curgă de la anod la catod, etc. (Care este motivul pentru care există o altă formulare de BHT: „Fluxul de energie este întotdeauna direcționată de la nivelul ridicat la potențial scăzut“). În cazul în care motorul nostru de aburi este un sistem închis (adică, indiferent de energie și nici nu poate penetra din exterior, și nici să-l părăsească), rezervorul de cald se va raci treptat în jos, și se răcește - se încălzească; adică - în orice moment, în timp ce se lucrează la rezervoarele de diferenta de temperatura de sistem va scădea în mod constant. Apoi, în conformitate cu raportul dintre Carnot, proporția din energia conținută într-un sistem care poate fi făcută pentru a lucra va scădea, în timp ce ponderea „imobilizarea“ de energie care nu este disponibilă pentru această transformare - să crească în mod ireversibil. De aceea, BHT poate fi formulată după cum urmează: „În orice proces spontan (atunci când calea de alimentare deschisă pentru revărsare de la un nivel superior la un nivel scăzut) crește cantitatea de energie disponibile cu timpul.“ În 1865, R. Clausius, în care se ocupă cu această energie foarte ireversibil pierdut (disipat), a introdus o valoare deosebită, el a numit entropia (S); aceasta reflectă relația de energie termică la temperatura și are o dimensiune cal / °. În orice proces legat de conversie a energiei, crește entropia sau - în cazul ideal (rezervoare de cald și rece separat izolator absolut, fluxurile de curent prin supraconductor, etc.) - nu este redusă. De aceea, BHT este uneori numită Legea entropiei non-descrescătoare. O foarte scurtă formulare a legilor combinate primul și al doilea termodinamicii, a propus aceeași Clausius (1865), prevede următoarele: În orice sistem închis energia totală rămâne constantă, iar totalul entropia crește în timp. Să presupunem că avem aceeași pereche de tancuri - calde și reci; a le conecta, prin care temperatura lor (care reflectă energia cinetică medie a moleculelor) sunt egalizate. Puteți descrie imaginea în acest fel: „Sistemul a fost inițial structurat - împărțit în părți calde și reci, iar apoi această structură sa prăbușit, iar sistemul sa mutat dintr-un stat ordonat la un dezordonate, haotic“ Conceptul de „ordine“ și „haos“ nu este atât de ușor pentru a da o definiție strictă, dar intuitiv înțelegem că ordinea - acest lucru este atunci când obiectele stabilite în conformitate cu un anumit sistem logic, și haos - atunci când nu este detectat nici un sistem. Deci, vedem că atunci când energia (în acest caz - căldura) curge în direcția BHT, haosul (dezordinea) în sistem crește. Deoarece entropia crește, astfel, de asemenea, există o presupunere logică: mai degrabă decât să fie acolo „haos“ și „entropie“, legate de concepte interconectate? Deci, este: Boltzmann riguros dovedit în 1872 că Klauziusova entropia (S) este într-adevăr o măsură de tulburare în starea sistemului: S = klnP, unde k - constanta universală Boltzmann (3,29 * 10-24kal / g), și P - tulburări de expresie cantitativă (este determinată de o manieră destul de complicată, acum nu este important pentru noi). Acest raport se numește principiul ordinii Boltzmann; aceasta implică faptul că schimbările ireversibile ale sistemului termodinamic merg întotdeauna în direcția mai probabil se afirmă, în cele din urmă și să conducă la o stare de haos - uniformitatea maximă și simetria. Ca în orice sistem închis, entropia crește în mod continuu și ireversibil, cu timpul, în acest sistem ca universul nostru să dispară orice haos structurat și ar trebui. În special, se stabilește o temperatură uniformă (care, în consecință, va fi doar puțin peste zero absolut). Această situație ipotetică nazvyvayut „moartea termică a Universului“; discuții cu privire la acest subiect sunt foarte la modă la sfârșitul secolului trecut. Trebuie să spun că legea entropiei non-descreștere - cu toate consecințele sale la nivel global pesimiste - creează, în general, o mulțime de neplăceri la atitudinea oricărei persoane normale. Nu este surprinzător, există o întrebare în mod regulat - și dacă nu puteți găsi o cale de a obegorit cumva BHT și învinge crește entropia? Aceia dintre voi care au citit „luni începe sâmbătă“, s-ar putea aminti de lucru în demon NIICHAVO Wachter lui Maxwell; unele pot citi chiar în „Dicționarul aplicației“ Strugatski explicația că aceste creaturi au fost create inițial „pentru atacul perfid asupra a doua lege a termodinamicii.“ Esența unui experiment de gândire, realizat de J. Maxwell (1860) este după cum urmează. Există două nave cu gaze naturale, conectate la tubul; sistemul este în echilibru termic, - energia medie a moleculelor oricare două porțiuni ale gazului sunt egale. Acest lucru nu înseamnă că toate moleculele de aceeași: printre ei sunt mai rapide ( „la cald“) și mai lent ( „la rece“), doar în număr mare sunt toate mediile. Ce se întâmplă dacă câteva molecule rapide - este pur întâmplătoare! - deplasarea de la rezervor dreapta la stânga, și câteva lent - de la stânga la dreapta? Apoi a părăsit vasul câteva cald în sus, în jos și se răcească dreapta (cu condiția ca energia totală a sistemului rămâne neschimbat); în sistem există o diferență de potențial, care este - va crește regularitatea și scăderea entropiei. În realitate, aceste abateri vor fi - pe teoria probabilității - o pur temporară. Să ne, cu toate acestea, imaginați-vă că containerele tub de legătură se află un demon minuscul, care va trece mai repede decât molecula de la stânga la dreapta, și lent - de la dreapta la stânga. După un timp, toate moleculele rapide se adună în container corect și toate lent - stânga, a părăsit vasul încălzit și dreptul - să se răcească; înseamnă entropie s-au retras. Este clar că un astfel de demon nu există într-adevăr, dar poate vom fi în cele din urmă posibilitatea de a crea un fel de dispozitiv care funcționează pe aceste principii? Din păcate, nu vom reuși. (Apropo, Maxwell nu cred să atenteze la BHT :. demon lui a fost nevoie, pur și simplu pentru a explica temperatura vitezei de mișcare a moleculelor - în contrast cu, atunci noțiunea de „invizibil lichid-caloric“) Ideea este că tancurile noastre cu gaze naturale Acesta nu este un sistem complet: sistemul complet este format din gaze naturale, plus un demon. „Prinderea“ a moleculei cu parametrii corespunzători, demonul va trebui să reinvestească ca un tractor. Prin urmare, o creștere a entropiei demoni proprii cu interes suprascrie scaderea entropiei, care se va produce în gazul. Pe scurt, avem de-a face cu o mașină clasică de mișcare perpetuă de al doilea tip. Dar stai un minut: entropia demon de gaz, oricum, a scăzut. Dar această idee.

tragere la sorți

Atenție! Informații pe site
Acesta este destinat exclusiv educațional
și în scopuri științifice