7.4: Другий закон термодинаміки
- Page ID
- 76383
У відомій лекції під назвою «Дві культури», прочитаній в 1959 році, романіст Сноу прокоментував спільне інтелектуальне ставлення дня - що справжня освіта полягала у знайомстві з гуманітарними науками, літературою, мистецтвом, музикою та класикою, і що вчені були просто некультурними техніками і неосвічених фахівців, які ніколи не читали жодного з великих творів літератури. Він розповів, як його часто провокувало таке ставлення до того, щоб запитати деяких самопроголошених інтелектуалів, чи можуть вони описати Другий закон термодинаміки - питання, на яке він незмінно отримував холодну і негативну відповідь. Тим не менш, він сказав, він просто запитував щось про науковий еквівалент «Ви читали твір Шекспіра?»
Тому я пропоную, якщо ви ніколи не читали твір Шекспіра, на мить перерву від термодинаміки, піти і прочитати «Сон в літню ніч», і повернутися оновленим і готовим завершити свою всебічну освіту, вивчаючи Другий закон термодинаміки.
Ми визначили ентропію таким чином, що якщо кількість тепла dQ додається до системи оборотно при температурі T, збільшення ентропії системи становить dS = dQ/t. Ми також вказали, що якщо тепло передається необоротно, dS > Dq/t.
Тепер розглянемо наступну ситуацію (рис. VII.1).
Ізольована система складається з двох тіл, А при температурі T 1 і B при температурі T 2, таких, що T 2 > T 1. Тепло в кінцевому підсумку буде обмінюватися між двома тілами, і в цілому більше тепла буде передаватися від B до A, ніж від A до B. Тобто буде чиста передача тепла, dQ, від B до A. можливо, це тепло передається випромінюванням. Кожне тіло посилає численні фотони енергії, але в цілому існує чистий потік фотонів від B до A. Або, можливо, два тіла контактують, і тепло передається провідністю. Вібрації в гарячому тілі більш енергійні, ніж ті, що знаходяться в прохолодному тілі, тому буде чиста передача тепла від B до A. Однак, оскільки випромінювання фотонів в першому випадку, і вібрації в другому місці, випадкові, буде визнано, що не неможливо, що в якийсь час більше фотони можуть рухатися від A до B, ніж від B до A. Або, у випадку провідності, більшість атомів в А рухаються вправо, тоді як лише кілька атомів в B рухаються вліво під час своїх коливань. Але, визнаючи, що це в принципі можливо, а не поза законами фізики, це надзвичайно малоймовірно, що станеться на практиці; дійсно настільки малоймовірно, що навряд чи можна сприймати серйозно. Таким чином, в будь-якому природному, спонтанному процесі, без втручання Зовнішнього інтелекту, майже впевнено, що буде чиста передача тепла від B до А. І цей процес, за винятком найбільш малоймовірного набору обставин, є незворотним.
Гаряче тіло втратить кількість ентропії DQ/t 2, в той час як прохолодне тіло отримає кількість ентропії Dq/t 1, що більше, ніж DQ/t 2. Таким чином, ентропія ізольованої системи в цілому збільшується на Dq/t 1 − dq/t 2.
З цього аргументу ми легко робимо висновок, що будь-які природні, спонтанні і незворотні термодинамічні процеси, що відбуваються всередині ізольованої системи, швидше за все, призведуть до збільшення ентропії системи. Це, мабуть, найпростіше твердження Другого закону термодинаміки.
Я використовував фразу «швидше за все», хоча буде зрозуміло, що на практиці можливість того, що ентропія може зменшитися в природному процесі, настільки малоймовірна, щоб бути практично немислимою, хоча це може в принципі статися, не порушуючи жодних фундаментальних законів фізики.
Ви могли б розглядати Всесвіт як ізольовану систему. Подумайте про тверде Тіло, що сидить десь у Всесвіті. Якщо Тіло гаряче, воно може спонтанно втратити тепло для Решта Всесвіту. Якщо холодно, воно може спонтанно поглинати тепло від Решта Всесвіту. Так чи інакше, в ході спонтанного процесу ентропія Всесвіту збільшується.
Передача тепла від гарячого тіла до більш холодного тіла, так що обидва закінчуються при однаковій проміжній температурі, передбачає, по суті, змішування набору швидко рухаються молекул і набору повільно рухаються молекул. Аналогічна ситуація виникає, якщо почати з коробки, що має перегородку посередині, а з одного боку перегородки знаходиться газ синіх молекул, а з іншого - газ червоних молекул. Якщо прибрати перегородку, то з часом гази змішаться в один однорідний газ. Лише невеликим розширенням ідеї ентропії, обговорюваної в курсах статистичної механіки, цю ситуацію можна охарактеризувати як збільшення ентропії — називається, по суті, ентропією змішування. Якби ви побачили дві фотографії, на одній з яких синя і червона молекули були розділені, а в іншій два кольори були ретельно перемішані, ви б зробили висновок, що остання фотографія, ймовірно, була зроблена пізніше першої. Але тільки «ймовірно»; можливо, в рамках законів фізики, що швидкості синьої і червоної молекул відокремилися без зовнішнього втручання. Це було б дозволено цілком добре в межах законів фізики. Дійсно, якби швидкості всіх молекул у змішаних газах були зворотні, гази врешті-решт розділилися б на дві їх складові. Але це, здавалося б, настільки малоймовірно, як ніколи на практиці не відбудеться. Другий закон говорить, що ентропія ізольованої системи ймовірна (дуже ймовірно!) збільшуватися з часом. Дійсно, можна стверджувати, що збільшення ентропії - це критерій, який визначає напрямок стрілки часу. (Детальніше про стрілку часу див. Розділ 15.12 заміток про електрику та магнетизм цієї серії. Також прочитайте статтю про стрілку часу Пола Девіса, Астрономія та геофізика (Королівське астрономічне товариство) 46, 26 (2005). Ви, мабуть, також насолодитеся машиною часу Г.Г. Уеллса.)
Зауважте, що в прикладі наших двох тіл, що обмінюються теплом, одне втрачає ентропію, а інше отримує ентропію; але виграш одного більше, ніж втрати від іншого, в результаті чого спостерігається збільшення ентропії системи в цілому. Принцип збільшення ентропії застосовується до ізольованої системи.
У випадку, якщо ви коли-небудь замислювалися (хто цього не зробив?) як виникло життя на Землі, у вас тепер є загадка. Безумовно, генезис і подальша еволюція життя на Землі являє собою збільшення порядку і складності, а отже, і зменшення ентропії змішування. З цього можна зробити висновок, що генезис і подальша еволюція життя на Землі вимагає Божественного втручання, або Інтелектуального дизайну, і що Другий закон термодинаміки забезпечує доказ існування Бога. Або ви можете зробити висновок, що Земля не є ізольованою термодинамічною системою. Ваш вибір.