Termodinamika sebagai cabang independen dari ilmu fisika muncul pada paruh pertama abad ke-19. Era mesin telah tiba. Revolusi industri membutuhkan studi dan pemahaman tentang proses yang terkait dengan pengoperasian mesin panas. Pada awal era mesin, penemu tunggal hanya mampu menggunakan intuisi dan "metode poke". Tidak ada ketertiban umum untuk penemuan dan penemuan, bahkan tidak terpikirkan oleh siapa pun bahwa mereka dapat berguna. Tetapi ketika mesin termal (dan sedikit kemudian, listrik) menjadi dasar produksi, situasinya berubah. Para ilmuwan akhirnya secara bertahap menyelesaikan kebingungan terminologi yang berlaku hingga pertengahan abad ke-19, memutuskan apa yang disebut energi, kekuatan apa, impuls apa.
Apa postulat termodinamika
Mari kita mulai dengan pengetahuan umum. Termodinamika klasik didasarkan pada beberapa postulat (prinsip) yang diperkenalkan secara berurutan sepanjang abad ke-19. Artinya, ketentuan tersebut tidakdapat dibuktikan di dalamnya. Mereka dirumuskan sebagai hasil dari generalisasi data empiris.
Hukum pertama adalah penerapan hukum kekekalan energi pada deskripsi perilaku sistem makroskopik (terdiri dari sejumlah besar partikel). Secara singkat dapat dirumuskan sebagai berikut: persediaan energi dalam suatu sistem termodinamika terisolasi selalu tetap.
Arti hukum kedua termodinamika adalah menentukan arah proses yang berlangsung dalam sistem tersebut.
Hukum ketiga memungkinkan Anda untuk secara akurat menentukan kuantitas seperti entropi. Pertimbangkan lebih detail.
Konsep entropi
Perumusan hukum kedua termodinamika diusulkan pada tahun 1850 oleh Rudolf Clausius: "Tidak mungkin memindahkan panas secara spontan dari benda yang kurang panas ke benda yang lebih panas." Pada saat yang sama, Clausius menekankan manfaat Sadi Carnot, yang sejak tahun 1824 menetapkan bahwa proporsi energi yang dapat diubah menjadi kerja mesin panas hanya bergantung pada perbedaan suhu antara pemanas dan lemari es.
Dalam pengembangan lebih lanjut dari hukum kedua termodinamika, Clausius memperkenalkan konsep entropi - ukuran jumlah energi yang secara ireversibel berubah menjadi bentuk yang tidak cocok untuk diubah menjadi kerja. Clausius menyatakan nilai ini dengan rumus dS=dQ/T, di mana dS menentukan perubahan entropi. Di sini:
dQ - perubahan panas;
T - suhu mutlak (yang diukur dalam Kelvin).
Contoh sederhana: sentuh kap mobil Anda saat mesin menyala. Dia jelaslebih hangat dari lingkungan. Tapi mesin mobil tidak dirancang untuk memanaskan kap mesin atau air di radiator. Dengan mengubah energi kimia bensin menjadi energi panas, dan kemudian menjadi energi mekanik, ia melakukan pekerjaan yang bermanfaat - ia memutar poros. Tetapi sebagian besar panas yang dihasilkan terbuang sia-sia, karena tidak ada pekerjaan yang berguna yang dapat diambil darinya, dan yang keluar dari pipa knalpot sama sekali bukan bensin. Dalam hal ini, energi panas hilang, tetapi tidak hilang, tetapi menghilang (menghilang). Kap yang panas, tentu saja, menjadi dingin, dan setiap siklus silinder di mesin menambah panas lagi. Dengan demikian, sistem cenderung mencapai kesetimbangan termodinamika.
Fitur entropi
Clausius menurunkan prinsip umum untuk hukum kedua termodinamika dalam rumus dS 0. Arti fisisnya dapat didefinisikan sebagai entropi "tidak turun": dalam proses reversibel tidak berubah, dalam proses ireversibel meningkat.
Perlu dicatat bahwa semua proses nyata tidak dapat diubah. Istilah "tidak menurun" hanya mencerminkan fakta bahwa versi ideal yang secara teoritis mungkin juga termasuk dalam pertimbangan fenomena tersebut. Artinya, jumlah energi yang tidak tersedia dalam setiap proses spontan meningkat.
Kemungkinan mencapai nol mutlak
Max Planck memberikan kontribusi serius bagi perkembangan termodinamika. Selain bekerja pada interpretasi statistik dari hukum kedua, ia mengambil bagian aktif dalam mendalilkan hukum ketiga termodinamika. Formulasi pertama milik W alter Nernst dan mengacu pada 1906. Teorema Nernst mempertimbangkanperilaku sistem kesetimbangan pada suhu yang cenderung nol mutlak. Hukum termodinamika pertama dan kedua tidak memungkinkan untuk mengetahui berapa entropi dalam kondisi tertentu.
Ketika T=0 K, energinya nol, partikel-partikel sistem menghentikan gerakan termal yang kacau dan membentuk struktur yang teratur, kristal dengan probabilitas termodinamika sama dengan satu. Ini berarti bahwa entropi juga menghilang (di bawah ini kita akan mencari tahu mengapa ini terjadi). Pada kenyataannya, ia bahkan melakukan ini sedikit lebih awal, yang berarti bahwa pendinginan sistem termodinamika apa pun, benda apa pun ke nol mutlak tidak mungkin. Suhu akan mendekati titik ini secara sewenang-wenang, tetapi tidak akan mencapainya.
Perpetuum seluler: tidak, bahkan jika Anda benar-benar ingin
Clausius menggeneralisasi dan merumuskan hukum pertama dan kedua termodinamika dengan cara ini: energi total sistem tertutup selalu tetap, dan entropi total meningkat seiring waktu.
Bagian pertama dari pernyataan ini memberlakukan larangan pada mesin gerak abadi jenis pertama - perangkat yang bekerja tanpa masuknya energi dari sumber eksternal. Bagian kedua juga melarang mesin gerak abadi jenis kedua. Mesin seperti itu akan mentransfer energi sistem menjadi kerja tanpa kompensasi entropi, tanpa melanggar hukum kekekalan. Mungkin untuk memompa keluar panas dari sistem kesetimbangan, misalnya, untuk menggoreng telur orak-arik atau menuangkan baja karena energi pergerakan termal molekul air, sehingga mendinginkannya.
Hukum termodinamika kedua dan ketiga melarang mesin gerak abadi jenis kedua.
Sayangnya, tidak ada yang bisa didapatkan dari alam, tidak hanya gratis, Anda juga harus membayar komisi.
Kematian Panas
Ada beberapa konsep dalam sains yang menyebabkan begitu banyak emosi ambigu tidak hanya di kalangan masyarakat umum, tetapi juga di antara para ilmuwan itu sendiri, seperti halnya entropi. Fisikawan, dan terutama Clausius sendiri, segera mengekstrapolasi hukum tidak-menurun, pertama ke Bumi, dan kemudian ke seluruh Semesta (mengapa tidak, karena itu juga dapat dianggap sebagai sistem termodinamika). Akibatnya, kuantitas fisik, elemen penting dari perhitungan dalam banyak aplikasi teknis, mulai dianggap sebagai perwujudan dari beberapa jenis Kejahatan universal yang menghancurkan dunia yang cerah dan baik.
Ada juga pendapat seperti itu di antara para ilmuwan: karena, menurut hukum kedua termodinamika, entropi tumbuh tidak dapat diubah, cepat atau lambat semua energi Semesta terdegradasi menjadi bentuk yang menyebar, dan "kematian panas" akan datang. Apa yang harus dibahagiakan? Clausius, misalnya, ragu-ragu selama beberapa tahun untuk mempublikasikan temuannya. Tentu saja, hipotesis "kematian panas" segera menimbulkan banyak keberatan. Ada keraguan serius tentang kebenarannya bahkan sekarang.
Penyortir Daemon
Pada tahun 1867, James Maxwell, salah satu penulis teori kinetik molekuler gas, dalam eksperimen yang sangat visual (walaupun fiksi) mendemonstrasikan paradoks hukum kedua termodinamika. Pengalaman tersebut dapat diringkas sebagai berikut.
Biarkan ada kapal dengan gas. Molekul di dalamnya bergerak secara acak, kecepatannya beberapaberbeda, tetapi energi kinetik rata-rata adalah sama di seluruh kapal. Sekarang kita membagi kapal dengan partisi menjadi dua bagian yang terisolasi. Kecepatan rata-rata molekul di kedua bagian kapal akan tetap sama. Partisi dijaga oleh iblis kecil yang memungkinkan molekul "panas" yang lebih cepat menembus satu bagian, dan molekul "dingin" yang lebih lambat ke bagian lain. Akibatnya, gas akan memanas di babak pertama dan mendingin di babak kedua, yaitu, sistem akan berpindah dari keadaan kesetimbangan termodinamika ke perbedaan potensial suhu, yang berarti penurunan entropi.
Seluruh masalahnya adalah bahwa dalam eksperimen sistem tidak melakukan transisi ini secara spontan. Ia menerima energi dari luar, yang dengannya partisi membuka dan menutup, atau sistem harus menyertakan iblis yang mengeluarkan energinya untuk tugas penjaga gerbang. Peningkatan entropi iblis akan lebih dari menutupi penurunan gasnya.
Molekul Susah
Ambil segelas air dan taruh di atas meja. Tidak perlu mengamati gelas, cukup kembali setelah beberapa saat dan periksa kondisi air di dalamnya. Kita akan melihat bahwa jumlahnya telah berkurang. Jika Anda meninggalkan gelas untuk waktu yang lama, tidak akan ada air sama sekali di dalamnya, karena semuanya akan menguap. Pada awal proses, semua molekul air berada di wilayah ruang tertentu yang dibatasi oleh dinding kaca. Di akhir percobaan, mereka tersebar di seluruh ruangan. Dalam volume ruangan, molekul memiliki lebih banyak kesempatan untuk mengubah lokasinya tanpakonsekuensi untuk keadaan sistem. Tidak mungkin kita bisa mengumpulkannya ke dalam "kolektif" yang disolder dan memasukkannya kembali ke dalam gelas untuk diminum airnya yang bermanfaat bagi kesehatan.
Ini berarti bahwa sistem telah berevolusi ke keadaan entropi yang lebih tinggi. Berdasarkan hukum kedua termodinamika, entropi atau proses dispersi partikel sistem (dalam hal ini molekul air) bersifat irreversible. Mengapa demikian?
Clausius tidak menjawab pertanyaan ini, dan tidak ada orang lain yang bisa menjawabnya sebelum Ludwig Boltzmann.
Makro dan keadaan mikro
Pada tahun 1872, ilmuwan ini memperkenalkan interpretasi statistik dari hukum kedua termodinamika ke dalam sains. Bagaimanapun, sistem makroskopik yang berhubungan dengan termodinamika dibentuk oleh sejumlah besar elemen yang perilakunya mematuhi hukum statistik.
Mari kembali ke molekul air. Terbang secara acak di sekitar ruangan, mereka dapat mengambil posisi yang berbeda, memiliki beberapa perbedaan kecepatan (molekul terus-menerus bertabrakan satu sama lain dan dengan partikel lain di udara). Setiap varian dari keadaan sistem molekul disebut keadaan mikro, dan ada sejumlah besar varian seperti itu. Saat menerapkan sebagian besar opsi, keadaan makro sistem tidak akan berubah sama sekali.
Tidak ada yang terlarang, tetapi ada sesuatu yang sangat tidak mungkin
Hubungan terkenal S=k lnW menghubungkan sejumlah cara yang memungkinkan keadaan makro tertentu dari sistem termodinamika (W) dapat diekspresikan dengan entropi S. Nilai W disebut probabilitas termodinamika. Bentuk akhir dari rumus ini diberikan oleh Max Planck. Koefisien k, nilai yang sangat kecil (1,38×10−23 J/K) yang mencirikan hubungan antara energi dan suhu, Planck menyebut konstanta Boltzmann untuk menghormati ilmuwan yang pertama mengusulkan interpretasi statistik kedua awal termodinamika.
Jelas bahwa W selalu bilangan asli 1, 2, 3, …N (tidak ada bilangan pecahan). Maka logaritma W, dan karenanya entropi, tidak boleh negatif. Dengan satu-satunya keadaan mikro yang mungkin untuk sistem, entropi menjadi sama dengan nol. Jika kita kembali ke gelas kita, postulat ini dapat direpresentasikan sebagai berikut: molekul air, yang secara acak berlarian di sekitar ruangan, kembali ke gelas. Pada saat yang sama, masing-masing persis mengulangi jalannya dan mengambil tempat yang sama di kaca sebelum keberangkatan. Tidak ada yang melarang penerapan opsi ini, di mana entropi sama dengan nol. Tunggu saja implementasi probabilitas yang semakin kecil seperti itu tidak sepadan. Ini adalah salah satu contoh dari apa yang hanya bisa dilakukan secara teoritis.
Semuanya campur aduk di rumah…
Jadi molekul-molekul itu terbang secara acak di sekitar ruangan dengan cara yang berbeda. Tidak ada keteraturan dalam pengaturannya, tidak ada urutan dalam sistem, tidak peduli bagaimana Anda mengubah opsi untuk keadaan mikro, tidak ada struktur yang dapat dipahami yang dapat dilacak. Itu sama di kaca, tetapi karena ruang yang terbatas, molekul tidak mengubah posisinya secara aktif.
Kondisi sistem yang paling kacau dan tidak teraturkemungkinannya sesuai dengan entropi maksimumnya. Air dalam gelas adalah contoh dari keadaan entropi yang lebih rendah. Transisi ke sana dari kekacauan yang merata di seluruh ruangan hampir tidak mungkin.
Mari kita beri contoh yang lebih mudah dipahami bagi kita semua - membersihkan kekacauan di rumah. Untuk meletakkan segala sesuatu pada tempatnya, kita juga harus mengeluarkan energi. Dalam proses pekerjaan ini, kita menjadi panas (yaitu, kita tidak membeku). Ternyata entropi bisa bermanfaat. Ini adalah kasusnya. Kita dapat mengatakan lebih banyak lagi: entropi, dan melaluinya hukum kedua termodinamika (bersama dengan energi) mengatur alam semesta. Mari kita lihat lagi proses reversibel. Beginilah tampilan dunia jika tidak ada entropi: tidak ada perkembangan, tidak ada galaksi, bintang, planet. Tidak ada kehidupan…
Sedikit informasi lebih lanjut tentang "kematian panas". Ada kabar baik. Karena, menurut teori statistik, proses "terlarang" sebenarnya tidak mungkin, fluktuasi muncul dalam sistem kesetimbangan termodinamika - pelanggaran spontan terhadap hukum kedua termodinamika. Mereka bisa menjadi besar secara sewenang-wenang. Ketika gravitasi termasuk dalam sistem termodinamika, distribusi partikel tidak lagi seragam secara kacau, dan keadaan entropi maksimum tidak akan tercapai. Selain itu, Alam Semesta tidak berubah, konstan, stasioner. Oleh karena itu, rumusan pertanyaan "kematian panas" tidak ada artinya.
