Тепловая смерть вселенной основа термодинамики

Тепловая смерть вселенной основа термодинамики

«Смотри — лучи солнца, не могут пробиться сквозь серое небо
и все твои мысли, молитвы о помощи.
Пути пройдены, нам некуда бежать. И осторожно, касаясь пальцем звезд,
Я понимаю … но, неизбежно то, что слишком поздно…»

Английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин), один из основателей термодинамики в 1852 году выдвинул гипотезу о тепловой смерти Вселенной.

«Тепловая смерть» — это термин в термодинамике, описывающий конечное состояние любой замкнутой термодинамической системы, когда все виды энергии переходят в тепловую энергию. При этом термодинамическая энтропия системы максимальна.

Тогда «тепловая смерть Вселенной» это состояние Вселенной, когда все виды энергии в ней перейдут в энергию теплового движения, которая равномерно распределится по всей Вселенной. После этого все термодинамические процессы во Вселенной должны прекратиться.

Томсон считал, что материальная Вселенная, то есть звезды, планеты и прочие небесные тела, является единой, замкнутой, изолированной системой. Ведь другой такой же Вселенной нет. А если так, то второе начало термодинамики полностью применимо ко всему космосу и, стало быть, в конце концов наш разнообразный и веселый мир ждет унылая «тепловая смерть».

В 1865 году известный физик Р. Клаузиус, основываясь на втором законе термодинамики сделал теоретический вывод о тепловой смерти Вселенной. Согласно второму началу термодинамики, любая замкнутая физическая система, т. е. не обменивающаяся энергией с другими системами, стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию, т.е. к состоянию теплового равновесия, что соответствует максимуму энтропии.

Рудольф Клаузиус утверждал, что хотя энергия некоторой системы и остается постоянной (первое начало термодинамики), однако с течением времени она лишается способности к превращениям, а значит и способности совершать работу. Это означает, что всякая термодинамическая система со временем «деградирует», наступает «тепловая смерть».

Он согласился с выводом Томсона и написал: «…энтропия Вселенной стремится к некоторому максимуму. Чем больше Вселенная приближается к этому предельному состоянию, . тем больше исчезают поводы к дальнейшим изменениям, а если это состояние было бы наконец-то достигнуто, то больше не происходило бы никаких дальнейших изменений, и Вселенная находилась бы в некотором мертвом состоянии инерции».

Теория «тепловой смерти» находилась в противоречии с ньютоновской вечной Вселенной. Действительно, если рассмотреть Вселенную как изолированную термодинамическую систему, то, учитывая ее бесконечный возраст, на основании закона возрастания энтропии можно сделать вывод о достижении ею уже максимума энтропии, то есть состояния термодинамического равновесия. Но в реально окружающей нас Вселенной этого не наблюдается.

Попытка избежать указанного противоречия гипотезы тепловой смерти Вселенной была предпринята Больцманом, который предположил, что у системы и в состоянии термодинамического равновесия могут наблюдаться небольшие изменения — флуктуации термодинамических параметров (температуры, давления, объема).

Вселенная с энергетической точки зрения уже мертва, но отдельные ее области подвержены флуктуациям.

И наша часть бесконечной Вселенной, все пространство, до которого достигает взгляд человека, находится в режиме огромной, ныне затухающей флуктуации. А если считать, что наблюдаемая Вселенная является следствием такой флуктуации, то противоречия парадокса о тепловой смерти Вселенной исчезают.

В 1909 году против тепловой смерти выступил известный шведский ученый Сванте Август Аррениус, занимавшийся вопросами образования и эволюции небесных тел.

Аррениус писал: «Если бы Клаузиус был прав, то эта «смерть тепла» за бесконечно долгое время существования мира давно бы уже наступила, чего, однако, не случилось. Или нужно допустить, что мир существует не бесконечно долго и что он имел свое начало; это, однако, противоречит первой части положения Клаузиуса, устанавливающей, что энергия мира постоянна, — ибо тогда пришлось бы допустить, что вся энергия возникла в момент творения».

В 20 веке Общая Теория Относительности А. Эйнштейна разрешила многие противоречия, существовавшие в классической физике.

Однако и в наше время в науке нет единого мнения о строении Вселенной и ее возникновении. Хотя современной космологией однозначно установлено, что Вселенная, возраст которой определен в 13,72 млрд лет, не стационарна.

Среди ученых не утихают споры о будущем Вселенной, о ее «бесконечном расширении», о существовании «скрытой материи», огромное количество которой может опровергнуть современные представления о свойствах Вселенной.

А понятие «тепловой смерти Вселенной» стало первым шагом к осознанию возможной конечности существования Вселенной, хотя и неизвестно, когда и по какому сценарию возможна её гибель.

Источник: Википедия; Томилин «Занимательно о космологии»

Знаете ли вы?

. Знаете ли вы,что выдающемуся немецкому физику Г. Герцу удалось построить механику, совершенно не используя понятие силы. Однако формулировка основных положений механики настолько усложнилась, что вся схема Герца в целом не получила признания.

. Великий французский ученый Р. Декарт (1596 — 1650) предполагал, что существуют только такие силы, которые действуют при столкновениях частиц, — контактные силы.

Источник

Тепловая смерть Вселенной — Heat death of the universe

• Категория
• Астрономический портал

Тепловая смерть Вселенной (также известный как Big Chill или Big заморозка ) является теорией о конечной судьбе Вселенной , что свидетельствует о вселенной будет развиваться в состоянии не термодинамической свободной энергии и , следовательно , не смогли бы выдержать процессы которые увеличивают энтропию . Тепловая смерть не предполагает какой-либо определенной абсолютной температуры ; это требует только того, чтобы перепады температур или другие процессы больше не использовались для выполнения работы . Говоря языком физики , это когда Вселенная достигает термодинамического равновесия (максимальной энтропии).

Если топология Вселенной открытая или плоская , или если темная энергия является положительной космологической постоянной (обе из которых согласуются с текущими данными), Вселенная будет продолжать расширяться вечно, и ожидается тепловая смерть Вселенной. охлаждение для достижения равновесия при очень низкой температуре после очень длительного периода времени.

Гипотеза тепловой смерти проистекает из идей лорда Кельвина , который в 1850-х годах воспринял теорию тепла как механическую потерю энергии в природе (воплощенную в первых двух законах термодинамики ) и экстраполировал ее на более крупные процессы в универсальном масштабе.

СОДЕРЖАНИЕ

Истоки идеи

Идея тепловой смерти проистекает из второго закона термодинамики , одна из версий которого гласит, что энтропия имеет тенденцию к увеличению в изолированной системе . Исходя из этого, гипотеза подразумевает, что если Вселенная просуществует достаточно времени, она асимптотически приблизится к состоянию, в котором вся энергия распределена равномерно. Другими словами, согласно этой гипотезе, в природе существует тенденция к диссипации (преобразованию энергии) механической энергии (движения) в тепловую энергию ; следовательно, путем экстраполяции существует точка зрения, что со временем механическое движение Вселенной прекратится, поскольку работа преобразуется в тепло из-за второго закона.

Предположение о том, что все тела во Вселенной остывают, в конечном итоге становясь слишком холодными, чтобы поддерживать жизнь, по-видимому, впервые было выдвинуто французским астрономом Жаном Сильваном Байи в 1777 году в его трудах по истории астрономии и в последующей переписке с Вольтером. . По мнению Байи, все планеты имеют внутреннее тепло и сейчас находятся на определенной стадии охлаждения. Юпитер , например, еще слишком горячий, чтобы жизнь могла возникнуть там тысячи лет, а Луна уже слишком холодная. Конечное состояние, с этой точки зрения, описывается как состояние «равновесия», в котором все движение прекращается.

Однако идея тепловой смерти как следствия законов термодинамики была впервые предложена в общих чертах начиная с 1851 года лордом Кельвином (Уильям Томсон), который теоретизировал далее взгляды Сади Карно (1824), Джеймса на потерю механической энергии. Джоуль (1843 г.) и Рудольф Клаузиус (1850 г.). Затем взгляды Томсона были развиты в течение следующего десятилетия Германом фон Гельмгольцем и Уильямом Рэнкином .

История

Идея тепловой смерти Вселенной возникла из обсуждения применения первых двух законов термодинамики к универсальным процессам. В частности, в 1851 году лорд Кельвин изложил точку зрения, основанную на недавних экспериментах по динамической теории тепла : «Тепло — это не вещество, а динамическая форма механического воздействия, мы понимаем, что должна быть эквивалентность между механической работой и тепло, как между причиной и следствием ».

В 1852 году Томсон опубликовал книгу « Об универсальной тенденции в природе к рассеиванию механической энергии» , в которой он изложил основы второго закона термодинамики, обобщенные представлением о том, что механическое движение и энергия, используемая для создания этого движения, естественно имеют тенденцию рассеиваться. или сбежать. Идеи, изложенные в этой статье, в связи с их применением к возрасту Солнца и динамике универсального действия привлекли таких людей, как Уильям Ренкин и Герман фон Гельмгольц. Сообщается, что трое из них обменялись мнениями по этому поводу. В 1862 году Томсон опубликовал статью «О возрасте солнечного тепла», в которой он подтвердил свои фундаментальные убеждения в неразрушимости энергии ( первый закон ) и всеобщем рассеянии энергии (второй закон), ведущем к распространению тепло, прекращение полезного движения ( работы ) и истощение потенциальной энергии через материальную вселенную, при этом проясняя его взгляд на последствия для вселенной в целом. Томсон писал:

Результатом неизбежно было бы состояние всеобщего покоя и смерти, если бы Вселенная была конечной и подчинялась существующим законам. Но невозможно вообразить предел размера материи во вселенной; и поэтому наука указывает скорее на бесконечный прогресс через бесконечное пространство действия, включающий преобразование потенциальной энергии в осязаемое движение и, следовательно, в тепло , чем на единый конечный механизм, бегущий, как часы, и останавливающийся навсегда.

В годы, последовавшие за статьями Томсона 1852 и 1862 годов, Гельмгольц и Рэнкин оба приписывали идею Томсону, но продолжили изучение его статей, опубликовав мнения, в которых утверждалось, что Томсон утверждал, что Вселенная закончится « тепловой смертью » (Гельмгольц) что станет « концом всех физических явлений » (Ренкин).

Текущее состояние

Предложения о конечном состоянии Вселенной зависят от предположений о ее конечной судьбе, и эти предположения значительно варьировались в конце 20-го и начале 21-го веков. В гипотетической «открытой» или «плоской» Вселенной, которая продолжает бесконечно расширяться, в конечном итоге ожидается либо тепловая смерть, либо Большой разрыв . Если космологическая постоянная равна нулю, температура Вселенной приблизится к абсолютному нулю в течение очень долгого времени. Однако, если космологическая постоянная положительна , как это, по-видимому, имело место в недавних наблюдениях ( Нобелевская премия 2011 г. ), температура будет асимптотической до ненулевого положительного значения, и Вселенная приблизится к состоянию максимальной энтропии, в котором больше не будет работа возможна.

Если Большой разрыв не произойдет задолго до этого, а протоны , электроны и нейтроны, связанные с ядром атома, стабильны и никогда не распадаются , ситуации полной «тепловой смерти» можно избежать, если существует метод или механизм регенерации атомов водорода из излучения. , темная материя , темная энергия , энергия нулевой точки , сфалероны , виртуальные частицы или другие источники, такие как извлечение материи и энергии из черных дыр или взрывы черных дыр с высвобождением содержащейся в них массы, что может привести к образованию новых звезд и планет. Если это так, то, по крайней мере, возможно, что звездообразование и теплопередача могут продолжаться, избегая постепенного истощения Вселенной из-за преобразования вещества в энергию и более тяжелые элементы в звездных процессах , а также поглощения вещества черными дырами и их последующее испарение как излучение Хокинга .

Новое исследование, опубликованное в ноябре 2020 года, показало, что Вселенная на самом деле становится горячее. В ходе исследования была изучена тепловая история Вселенной за последние 10 миллиардов лет. Было обнаружено, что «средняя температура газа во Вселенной увеличилась более чем в 10 раз за этот период времени и достигла сегодня около 2 миллионов градусов Кельвина, то есть примерно 4 миллионов градусов по Фаренгейту ». И-Куан Чан, ведущий автор исследования и научный сотрудник Центра космологии и физики астрономических частиц Университета штата Огайо , заявил: «Наше новое измерение является прямым подтверждением основополагающей работы Джима Пиблза — лауреата Нобелевской премии по физике 2019 года. — который изложил теорию формирования крупномасштабной структуры во Вселенной ».

Сроки тепловой смерти

Считается, что со времен Большого взрыва и до наших дней материя и темная материя во Вселенной были сконцентрированы в звездах , галактиках и скоплениях галактик , и предполагается, что они будут продолжать расти в будущем. Следовательно, Вселенная не находится в термодинамическом равновесии , и объекты могут выполнять физическую работу. : §VID Время распада сверхмассивной черной дыры с массой примерно 1 галактика (10 11 масс Солнца ) из-за излучения Хокинга составляет порядка 10 100 лет, так что энтропия может производиться по крайней мере до этого времени. Согласно прогнозам, некоторые большие черные дыры во Вселенной будут продолжать расти, возможно, до 10 14 M _☉ во время коллапса сверхскоплений галактик. Даже они испарились бы за время до 10 106 лет. После этого Вселенная вступает в так называемую темную эру, и ожидается, что она будет состоять в основном из разреженного газа фотонов и лептонов . : §VIA Если останется только очень диффузное вещество, активность во Вселенной резко снизится, с чрезвычайно низкими уровнями энергии и чрезвычайно долгими временными рамками. Теоретически возможно, что Вселенная может вступить во вторую инфляционную эпоху, или, если предположить, что текущее состояние вакуума является ложным вакуумом , вакуум может распасться до состояния с более низкой энергией . : §VE Также возможно, что производство энтропии прекратится, и Вселенная достигнет тепловой смерти. : §VID Другая вселенная могла быть создана случайными квантовыми флуктуациями или квантовым туннелированием примерно за годы. В течение огромных периодов времени спонтанное уменьшение энтропии в конечном итоге происходило бы с помощью теоремы Пуанкаре о возвращении , тепловых флуктуаций и теоремы о флуктуациях . Такой сценарий, однако, был описан как «в высшей степени спекулятивный, вероятно, неверный [и] полностью непроверяемый». Шон М. Кэрролл , изначально выступавший за эту идею, больше ее не поддерживает. 10 10 10 56 <\ displaystyle 10 ^ <10 ^ <10 ^ <56>>>>

Противоположные взгляды

Макс Планк писал, что фраза «энтропия Вселенной» не имеет значения, потому что не допускает точного определения. Совсем недавно Уолтер Гранди пишет: «Довольно самонадеянно говорить об энтропии вселенной, о которой мы все еще так мало разбираемся, и мы задаемся вопросом, как можно определить термодинамическую энтропию для Вселенной и ее основных составляющих, которые никогда не были в равновесии. за все их существование «. Согласно Тисе : «Если изолированная система не находится в равновесии, мы не можем связать с ней энтропию». Бухдаль пишет о «совершенно неоправданном предположении, что Вселенную можно рассматривать как замкнутую термодинамическую систему». По словам Галлавотти : «. не существует общепринятого понятия энтропии для систем, находящихся в состоянии вне равновесия, даже когда они находятся в стационарном состоянии». Обсуждая вопрос об энтропии для неравновесных состояний в целом, Либ и Ингвасон выражают свое мнение следующим образом: «Несмотря на то, что большинство физиков верят в такую ​​неравновесную энтропию, до сих пор оказалось невозможным дать ее однозначно удовлетворительное определение. . » По мнению Ландсберга: « Третье заблуждение состоит в том, что термодинамика, и в частности концепция энтропии, может без дальнейших исследований применяться ко всей вселенной . Эти вопросы вызывают определенное увлечение, но ответы на них являются предположениями и ложью. выходит за рамки этой книги «.

Анализ состояний энтропии 2010 года: «Энтропия общего гравитационного поля все еще не известна» и «гравитационная энтропия трудно определить количественно». Анализ рассматривает несколько возможных предположений, которые потребуются для оценок, и предполагает, что наблюдаемая Вселенная имеет большую энтропию, чем считалось ранее. Это связано с тем, что анализ показывает, что наибольший вклад вносят сверхмассивные черные дыры. Ли Смолин идет еще дальше: «Давно известно, что гравитация важна для удержания Вселенной от теплового равновесия. Гравитационно связанные системы имеют отрицательную удельную теплоемкость, то есть скорости их компонентов увеличиваются при удалении энергии . Такие система не эволюционирует к однородному состоянию равновесия. Вместо этого она становится все более структурированной и неоднородной по мере того, как она фрагментируется на подсистемы ». Эта точка зрения также подтверждается фактом недавнего экспериментального открытия устойчивого неравновесного стационарного состояния в относительно простой замкнутой системе. Следует ожидать, что изолированная система, фрагментированная на подсистемы, не обязательно приходит в термодинамическое равновесие и остается в неравновесном стационарном состоянии. Энтропия будет передаваться от одной подсистемы к другой, но ее производство будет равно нулю, что не противоречит второму закону термодинамики .

Источник