Законы термодинамики и энтропия

Энтропия в термодинамике определяет функцию состояния  системы с необратимым рассеиванием энергии. Наука термодинамика, а с ней и концепция тепла, температуры и энергии, для описания которой понадобилась точная научная лексика, возникла из практической необходимости проектирования машин. Наука  обобщает многочисленные факты, описывая явления передачи, распространения и превращения тепла.

Распространение тепла представляет собой необратимый процесс  рассеяния энергии – энтропия.

Понятие энтропии в термодинамике представляет количественную меру  теплоты которая не переходит в работу как самопроизвольный процесс.

История развития термодинамики

В 1712 году английский изобретатель сэр Томас Ньюкомен создал первый коммерчески успешный паровой двигатель, проложивший путь к промышленной революции. Однако считается, что эта честь принадлежит шотландскому изобретателю Джеймсу Уатту. Двигатель Уатта был более эффективным, он мог генерировать вращательное движение. С помощью машины Уатта завод можно было расположить в любом месте. Паросиловые машины изменили ход истории.

Р.Клаузиус

Р. Клаузиус

Немецкий математик Рудольф Клаузиус интересовался теплом, которое до первой половины XIX века считалось чем-то вроде жидкости, текущей от горячих вещей к холодным. Он понял, что это описание не в состоянии объяснить цикл работы паровой машины. А начиналось все с работ одного из его современников, английского физика и пивовара Джеймса Джоуля, который работал над улучшением эффективности паровых двигателей на своем пивоваренном заводе.
Воспользовавшись серией простых и тонких экспериментов, Джоуль смог продемонстрировать, как механическую работу можно преобразовать в тепло. Один из таких экспериментов использовал падающий груз, вращающий весло в изолированной бочке воды. Джоуль знал количество работы, проделанной падающим грузом: так он смог измерить повышение температуры воды. Он проводил подобные эксперименты на сжатых газах и проточной воде и каждый раз обнаруживал: чтобы поднять температуру фиксированного количества воды на градус по Фаренгейту, требуется одинаковый объем работы.
Работа Джоуля была так важна, потому что он доказал, что тепло – не поток чего-нибудь между вещами или движение, это на самом деле мера чего-то другого. Даже сегодня это, пожалуй, не очевидно, потому что мы все еще говорим о потоке тепла от горячего предмета к холодному.

Тепло, как мы теперь его понимаем, – это просто форма энергии.

Подобно тому, как шар, лежащий на столе, обладает энергией, которую можно освободить, уронив его (эта энергия известна как гравитационная потенциальная энергия), так и горячий предмет обладает энергией, которую можно освободить, по крайней мере, частично, поставив его рядом с холодным предметом. Для отопления чего-либо просто нужно передать энергию, выполнив некоторую работу, как Джоуль выяснил с помощью падающего груза, и не имеет значения, что это за работа.

Второй закон термодинамики

Рудольф Клаузиус сделал первое прямое указание на существование этого закона, а также заложил основы науки термодинамики в работе «О механической теории теплоты» 1850 года.
Первый закон термодинамики гласит, что увеличение внутренней энергии чего-то равно тепловому потоку в ней минус выполненная им работа.

Спустя пятнадцать лет после того, как он записал Первый закон термодинамики, а сэр Артур Эддингтон описал гораздо более важную для нашего понимания физической картины мира «стрелу времени», Клаузиус ввел новую концепцию, известную как энтропия (мера необратимого рассеивания энергии), которая легла в основу Второго закона термодинамики. В изложении Клаузиуса Второй закон термодинамики, кажется, не столь важен для глубокого понимания будущего нашей Вселенной. Система энтропии изменяется, например, в резервуаре с водой, когда количество тепла просто добавляется к нему при фиксированной температуре или когда лёд превращается в воду в процессе нагревания вещества. энтропия в термодинамике Вообще в любом физическом процессе вы обнаружите, что энтропия либо остается неизменной, либо увеличивается. Она никогда не уменьшается. Вот как выглядит термодинамическая «стрела времени». Клаузиус обнаружил физическую величину, которую можно измерить количественно, которая на практике только увеличивается и никогда не уменьшается, даже в теории, независимо от того, как ловко вы спроектировали свой эксперимент или деталь машины. В будущем энтропия будет выше, чем сегодня, поскольку она всегда растет. В прошлом энтропия была ниже, чем сейчас, потому что она всегда растет.
Клаузиус ввел такое понятие как энтропия в термодинамике, потому что он нашел его полезным, но что же такое энтропия как мера неупорядоченности или хаотичности системы, по какой такой глубокой причине она всегда возрастает? И в чем смысл загадочной цитаты Эддингтона о случайности и «стреле времени»? Он, казалось, приравнивал энтропию в термодинамике к количеству случайностей в мире, да и, в общем, так он и делал.

Когда мы поймем это, нам станет ясно, почему Второй закон термодинамики постулирует, что вся наша Вселенная должна когда-нибудь умереть. Ведь всегда самопроизвольные процессы передачи тепла всегда будут происходить, пока есть перепады температур.