Termodinamica sisteme deschise

4. Esența „Boltzmann Demon“.

Referințe.
Totul pe pământ apare și se dezvoltă din cauza energiei.

și totul se prăbușește și moare odată cu entropia creste ...

(Totul pe pământ apare și se dezvoltă

datorită energiei și a distrus VCE

și moare cu o creștere a entropiei. )

În a doua lege a termodinamicii conștiința publică este înconjurat de o aură ciudată de magie. Celebrul scriitor englez Ch.P. Zăpadă de testare propusă pentru cultură generală, potrivit căreia a doua lege a termodinamicii ignoranță echivalate în necunoștință de Shakespeare. Numai bine să înțeleagă a doua lege a termodinamicii, este posibil să se răspundă la întrebarea de ce toată viața este posibilă, deoarece ființele sensibile ar trebui să mențină ordinea internă, care se opune tendința universală de a imprastiere și haos. Că această tendință și descrie al doilea start.

Ca un element cheie în știința de căldură, această lege fizică spune despre imposibilitatea de a transfera căldura de la o mai rece la un corp mai fierbinte într-un sistem izolat, dorința universului la o stare mai dezordonat și haotic. Dreptul și disponibile pentru a explica această lege foarte dificilă. Lyudvig Boltsman, lider fizician al Imperiului Austro-Ungar, și-a petrecut cea mai mare a vieții sale, încercând să determine înțelesul și pentru a clarifica esența sa.

Această lege are un minim de trei formulare egal propus de fizicieni în ani diferiți, diferite generații.

1. Declarația de a doua lege a termodinamicii

Să începem cu prima formulare, care aparține fizicianul german Rudolf Clausius. Aici este o ilustrare simplă și clară a acestei formulări: scoate din cubul de gheata frigider și pune-l în chiuvetă. După ceva timp cub de gheata topit, deoarece căldura dintr-un corp mai cald (aer) să fie trecut peste o rece (cub de gheață). Din punct de vedere al legii de conservare a energiei, nu există nici un motiv pentru a căldurii transmise în această direcție, chiar dacă gheața a devenit mai rece și aerul mai cald este încă, legea de conservare a energiei în continuare va efectua. Faptul că acest lucru nu se întâmplă, doar arată direcția menționată mai sus a proceselor fizice. crește. Asta este ceea ce ne referim când spunem că căldura este transferată din aer la gheață. În acest model, prima formulare a doua lege a termodinamicii este o consecință logică a comportamentului de molecule.

Poate de transfer nu spontan de căldură dintr-un corp rece să se încălzească. (1)

Ilustrarea oa doua limbă în acțiune ușoară. Imagineaza-cilindru vehicul motor cu ardere internă. Se injectează un amestec de combustibil, care este comprimat de către piston la o presiune ridicată după care este aprins. Când arderea explozivă a amestecului este eliberată o cantitate considerabilă de căldură sub formă de produse de ardere fierbinți și expansiune, presiune care împinge pistonul în jos. Într-o lume ideală, am putea realiza eficiența utilizării energiei termice eliberată la nivelul de 100%, tradus pe deplin în pistonul de lucru mecanic.

Nici motor nu se poate converti de căldură în lucrul cu eficiență absolută. (2)

A treia formulare a doua lege a termodinamicii, de obicei atribuit fizica austriac Ludwig Boltzmann, probabil cel mai bine cunoscut. Entropia - o măsură de tulburare într-un sistem. Cu cat mai mare a entropiei - mișcarea haotică a particulelor de material care alcătuiesc sistemul. Boltzmann a fost capabil să dezvolte o formulă pentru descrierea matematică directă a gradului de ordonare a sistemului. Să vedem cum funcționează, de exemplu, apa. Apa lichidă este o structură relativ dezordonat, deoarece moleculele sunt libere să se deplaseze una față de cealaltă, iar orientarea spațială pot fi arbitrare. Un alt lucru este gheata - moleculele sale de apă sunt aranjate de a fi încorporate în rețeaua cristalină. Formularea a doua termodinamicii Boltzmann, relativ vorbind, este că gheața sa topit și transformat în apă (proces însoțit de un grad de reducere a ordinii și entropie mai mare) în sine din apă să nu fie niciodată reînviat. Din nou, vedem un exemplu de caracterul ireversibil al fenomenelor fizice.

Este important să înțelegem că nu vorbim despre faptul că, în formularea celei de a doua lege a termodinamicii afirmă că entropia nu poate cădea oriunde, oricând. În cele din urmă, gheața topită poate fi pus înapoi în congelator și să înghețe din nou. Ideea că entropia nu poate scădea într-un sistem închis - adică, sisteme care nu primesc reîncărcare de energie externă. Și acest lucru duce la o altă formulare a doilea principiu: Frigider nu funcționează, în cazul în care nu este conectat.

entropia nu poate scădea într-un sistem închis. (3)

sisteme deschise 2.Termodinamika.

Definim un sistem închis ca un sistem care este complet izolat de mediul înconjurător, adică. E. Nu face schimb de energie și materie cu mediul. Un astfel de sistem, în toate privințele, separat de mediul înconjurător, de asemenea, menționată ca un sistem izolat. Condiții izolare completă, în practică, desigur, poate fi realizată doar parțial, cum ar fi introducerea sistemului într-un vas Dewar. Sistemul, care este separat de peretele exterior al lumii, este impermeabil la substanțe numite închise. Sistemul închis poate face schimb de energie cu mediul, de exemplu prin căldură sau efectuarea lucrărilor. Sistemele deschise sunt caracterizate prin aceea că ele pot comunica cu mediul atât energie cât și materiale. Schimbul de substanță mediu, care, prin definiție, are loc în mod necesar într-un sistem deschis, acesta poate să apară atât liberi (printr-o deschidere, supape, etc.), cât și prin suprafețele de delimitare cu factor de transmisie selectivă (membrane, ecrane, etc.) . Este necesar să se facă distincția în mod clar conceptul închis (complet izolată), închis (fără substanță cu partajare) și sisteme deschise (schimb de substanță). Pentru a deschide sistem de valori schimbare Z pentru dt extinsa de timp poate fi reprezentat ca suma a două contribuții: Dez, din cauza unor factori externi, și Diz, asociate cu proprietățile intrinseci ale sistemului în sine, și anume ..

În ceea ce privește energia internă U, numărul k molar -lea nk component și S este expresia entropiei ia forma

De asemenea, menționăm că între schimbările de căldură și de lucru este imposibil să se facă o distincție clară, așa că aici este necesar să se facă ipoteze rezonabile.

În timp ce contribuții externe Deu, denk și Dès intervalul de timp dt poate fi de orice semn și magnitudine, pe „anumite limitări interioare impuse. Din prima lege a termodinamicii

și anume în cadrul sistemului, energia nu este produsă și nu dispare; este o lege fundamentală de conservare a energiei. În cadrul sistemului, energia poate fi convertită numai din cea mai mare la formele inferioare. Numărul molar poate varia în cadrul sistemului doar prin reacții chimice. Reacția 1 pot enumera, 2..R (R - orice număr). Dacă notăm coeficienții stoechiometrici νkr K- lea substanță în reacția r--lea, obținem

Există ξr - r răspuns viteză care indică cât de bine -lea reacția are loc; ξr = 0 indică faptul că rezultatul reacției lea R- este format fie dintr-un mol de substanță. ξr = 1 indică faptul că reacția r produce -lea νkr moli pentru a-lea substanță. În cele din urmă, modificarea entropiei cauzată de procese în cadrul unui sistem, în conformitate cu a doua lege a termodinamicii trebuie să fie o valoare non-negativă

Acum ne ocobenno interesați de întrebarea în ce condiții entropia unui sistem poate fi redus. Răspunsul la această întrebare este dependențelor fundamentale (4), (7). Entropia schimbare de sistem arbitrar este format din două componente, contribuția „interior“ trebuie să fie întotdeauna pozitiv. schimbări de entropie datorate proceselor de intrare și ieșire pot fi atât pozitive, cât și negative. Astfel, sistemul este capabil să dea entropia mediului sau, cu alte cuvinte, absorb entropie negativă (negentropia) poate reduce entropia. Comportamentul entropia într-un sistem deschis poate astfel fundamental diferită de comportamentul entropiei într-un sistem izolat. În sistemele deschise pot, fără a încălca legea a doua a termodinamicii forma și structura există. O teorie coerentă a sistemelor deschise a fost dezvoltat de Prigogine. Prigogine și Glansdorff generalizat această teorie la cazul sistemelor neliniare.

Bertalanffy, de asemenea, a subliniat rolul important al echilibrului curent în natură. Sub soldul curent ne referim staționar (independentă de timp) starea de non-echilibru al unui sistem deschis, un echilibru stabil în ceea ce privește mici abateri.

În stadiul actual al echilibrului funcțiilor termodinamice rămân neschimbate, dZ = 0, astfel încât să putem scrie

Pentru a menține soldul curent (ustoychiogo starea de echilibru) ar trebui să apară entropie negativă de admisie. în volumul sistemului care compensează producția de entropie în sistem, precum și afluxul de material care compensează schimbările cauzate de reacții chimice. Dimpotrivă, prezența fluxului rezultat de energie în sistem nu este compatibil cu menținerea echilibrului curent. Cu criterii suficiente pentru existența soldului curent în legătură cu noțiunea de producție entropiei. Diferența principală dintre echilibrul termodinamic și soldul curent este disponibil la sfârșitul ultima entropiei. Când acest echilibru dts> 0, și (11) este doar un semn de inegalitate stricte. Spre deosebire de echilibrul termodinamic la echilibrul actual nu există zero, fluxuri și substanțe entropie, care, însă, în general, nu afectează echilibrul cantităților termodinamice datorită efectelor compensării [vezi. relația (10) și (11)]. Cu criterii suficiente pentru existența soldului curent legat de conceptul de producție entropie.

3. Entropia de producție. Prigogine teorema-Glansdorff

Sub rezerva dacă procesele de formare a structurii fizichekoy principii generale similare cu cea de a doua lege a termodinamicii, sau aceste procese sunt de o natură specială. Cercetarea fundamentală și Glansdorff Prigogine a demonstrat existența unor principii variaționale pentru procese staționare neliniare. Cantitatea fizică principală, a cercetat o nouă teorie - este producția de entropie, care joacă un rol la fel de important ca și entropia în sistemele de echilibru în procesele ireversibile. Aceasta include valoarea principiilor fizice generale menționate mai sus, care sunt, de asemenea, referire la criteriile de evoluție. Termenul „evolutia“ este folosit aici ca în Prigogine și Glansdorff, în sens restrâns „evoluție fizică“, adică. E. Aceasta se referă la direcția de dezvoltare a sistemelor fizice.

Definim producția de entropie în sistem ca

Să considerăm acum un caz special - un sistem închis. Deoarece = 0 Dès, inegalitatea:

(Starea de evoluție). (13)

Entropiei, ca funcție a unui sistem de ak parametru fizic se va schimba până până când ajunge la o stare de echilibru cu valoarea de entropie a ak parametrului (0), pentru care