Возможность преодоления тепловой смерти вселенной

Вы можете приложить к своему отзыву картинки.

Источник

И «теория» тепловой смерти Вселенной

Закон сохранения энергии хорошо известен: энергия не возникает и не исчезает, а может лишь превращаться в другие виды энергии или переходить от одной физической системы к другой. Во всех процессах энергии изолированной системы сохраняется. Закон сохранения энергии говорит как о количественной неуничтожимости материи и движения, так и их качественной неуничтожимости. Величиной, определяющей качество энергии, является энтропия. Понятие «энтропия» возникло в рамках термодинамики и связано с анализом тепловых процессов, оно характеризует направление протекания самопроизвольных процессов в замкнутой термодинамической системе и является мерой их необратимости. Понятие энтропии лежит в основе второго начала термодинамики,открытого в 60-е года ХIХ в. Клаузиусом, согласно которому энтропия изолированной системы постоянно возрастает. Другими словами, энтропия теплоизолированной системы всегда только увеличивается, т.е. такая система стремится к тепловому равновесию, при котором энтропия максимальна. Согласно этому закону, тепло не может само собой перейти от системы с меньшей температурой к системе с большей температурой.

Распространив второй закон термодинамики о возрастании энтропии, справедливой для замкнутых систем, на всю бесконечную Вселенную, Клаузиус пришел к выводу о тепловой смерти Вселенной. Согласно его «теории», все виды энергии превращаются в тепловую, энергия обесценивается, утрачивает способность к превращениям, а Вселенная приходит в наиболее вероятное состояние термодинамического равновесия. Энергия хотя и сохраняется количественно, но обесценивается в качественном отношении. Она теряет способность превращаться в другие виды энергии. Любые изменения и существование жизни становится невозможным.

При всей своей внешней логичности «теория» тепловой смерти ведет к парадоксальным выводам. Вселенная существует бесконечно долгое время и в принципе должна бы уже давно достичь состояния равновесия. Однако мы наблюдаем в мире существование многообразных видов энергии и движения, что с точки зрения сторонников этой «теории» является необъяснимым фактом. Выход может быть предложен двоякий: можно допустить, что наша Вселенная, либо существовала конечное время, недостаточное для достижения состояния теплового равновесия, либо она много раз достигала такого состояния, но некоторая сила время от времени выводила из него Вселенную. Оба эти предположения ведут к идее сотворения мира или вмешательства в ход физических процессов сверхъестественных сил.

Существенный вклад в критику «теории» тепловой смерти Вселенной внесли идеи Больцмана, который дал статистическое обоснование второго начала термодинамики. Он исходил из того, что бесконечная Вселенная в бесконечное время имеет вероятность, значительно отклоняющуюся от своего среднего наиболее вероятного состояния, поэтому в отдельных ограниченных областях возможны гигантские спонтанные отклонения от состояния равновесия. Только после такого отклонения (флуктуации) вступает в силу закон возрастания энтропии, снова приводящей к наиболее вероятному состоянию.

Некоторые ученые очень высоко оценили флуктуационную гипотезу Больцмана. Болгарский физик и философ А. Поликаров писал, что только больцмановская теория избавляет нас от «тепловой смерти». По мнению Я.П. Терлецкого, космологическая флуктуационная гипотеза Больцмана «впервые выразила языком физики идею о вечном кругообороте материи во Вселенной, ранее высказанную Энгельсом». Он считает, что для модели Вселенной Больцмана допущение сотворения является излишним, так как тепловая смерть – удел каждой определенной области пространства и то не на вечные времена, поскольку через достаточно большой промежуток времени возможна новая флуктуация, приводящая этот ограниченный мир вновь в неравновесное состояние. Одно из главных возражений против флуктуационной теории Больцмана, Терлецкий видит в исчезающее малой вероятности больших флуктуаций во Вселенной.

Однако не только в этом несостоятельность теории Больцмана. Она хотя и сыграла положительную роль, но по существу не решает проблемы, так как фактически предполагает состояние абсолютного равновесия, «тепловой смерти» во Вселенной, нарушаемое отдельными флуктуациями, носящими случайный характер.

Неудовлетворительность гипотезы Больцмана обычно рассматривается как свидетельство неприменимости статистических идей Больцмана к бесконечно большим объектам. Возражая против этого, российский математик И.П. Плоткин утверждает, что из статистики Больцмана логически следует не флуктуационная гипотеза, а наоборот – полное отсутствие состояния равновесия у бесконечно большой системы, т.е. не ограниченное ничем развитие Вселенной. Статистическая физика не обнаруживает у бесконечно большой системы наиболее вероятного, т.е. равновесного состояния. Вероятность повторения однажды пережитого такой системой состояния равна нулю. Каждое состояние бесконечно большой системы является, поэтому, совершенно новым и неповторимым: все состояния равновероятны.

Со времени открытия второго закона термодинамики встал вопрос о том, как согласовать вывод о возрастании энтропии в замкнутых системах (возрастание неопределенности, хаоса) с процессами самоорганизации в живой природе, с теорией Дарвина. Ведь она показала, что процесс развития растительного и животного мира характеризуется его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Живая природа почему-то стремилась прочь от термодинамического равновесия и хаоса. Налицо была явная нестыковка законов развития неживой и живой природы.

После замены модели стационарной Вселенной на развивающуюся, в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов – от элементарных субэлементарных частиц в первые мгновения после Большого взрыва до звездных и галактических систем, — несоответствие законов стало ещё более явным. Ведь если принцип возрастания энтропии универсален, то, как же могли возникнуть такие сложные структуры? Стало ясно, что для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции, Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

Постулат о способности материи к саморазвитию в философии был разработан достаточно давно. А вот его необходимость в фундаментальных естественных науках начала осознаваться только в последнее время. Исследования показали, что процессы самоорганизации имеют место в системах самой различной природы, в том числе и неорганической. Эти закономерности изучает синергетика – теория самоорганизации.

Источник

Второе начало термодинамики: вечный двигатель второго рода и тепловая смерть Вселенной

• 12 Январь 2021
• 14 минут
• 12 813

Пришла пора разобраться со вторым фундаментальным постулатом термодинамики, который именуется второе начало термодинамики. Второе начало не является доказуемым в рамках классической термодинамики. Его формулировки – результат обобщения опытов, наблюдений и экспериментов. Попытаемся рассказать о нем кратко и понятно.

В прошлой статье по термодинамике мы говорили о термодинамических системах, состоящих из большого числа частиц. Для описания подобных систем используются так называемые функции состояния.

Термодинамическая функция состояния (или термодинамический потенциал) – это функция, зависящая от нескольких независимых параметров, определяющих состояние системы. Чтобы было понятнее, приведем пример. Одна из функций состояния системы – это ее внутренняя энергия. Она не зависит от того, как именно система оказалось в данном состоянии

Энтропия

Еще одно понятие, с которым нужно познакомиться – это энтропия. Для понимания второго начала термодинамики энтропия очень важна. А еще это красивое слово, которое многих ставит в ступор и которым можно блеснуть в компании.

В самом общем случае, энтропия – мера хаотичности некоторой системы

Энтропия

Простой пример : представим, что у вас есть ящик с носками. Если все носки в ящике разбросаны и валяются вперемешку и по одному, энтропия такой системы максимальна. А если носки собраны по парам и лежат аккуратненько в рядок — минимальна.

В термодинамике, энтропия – это функция состояния термодинамической системы, которая определяет меру необратимого рассеивания энергии. Что это значит? Это значит, что какая-то часть внутренней энергии системы не может перейти в совершаемую системой механическую работу. Например, процесс преобразования теплоты в механическую работу всегда сопровождается потерями, в результате которых теплота трансформируется в другие виды энергии.

Энтропия при необратимых термодинамических процессах увеличивается, а при обратимых – остается постоянной. Математическая запись энтропии (S):

Здесь дельта Q – количество теплоты, подведенное или отведенное от системы, T – температура системы, dS – изменение энтропии.

Существует несколько различных формулировок второго начала термодинамики, и вот одна из них:

Энтропия замкнутой системы возрастает при любых необратимых процессах в этой системе

Так как нас интересует именно понимание сути вещей, приведем еще одно самое простое определение:

Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему

К слову, данная формулировка второго начала термодинамики принадлежит Рудольфу Клаузиусу, который и ввел в обиход понятие энтропии.

Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от холодного тела к горячему

И снова вечный двигатель

После разочарования с идеей вечного двигателя первого рода люди и не думали сдаваться. Через какое-то время был придуман вечный двигатель второго рода, работа которого основывалась на передаче тепла и не перечила закону сохранения энергии. Такой двигатель преобразует все тепло, полученное от окружающих тел, в работу. Например, в качестве его реализации предполагалось путем охлаждения океана получить огромное количество теплоты. Но к счастью до охлаждения океана и заморозки рыб дело не дошло, т.к. данная идея противоречит второму началу динамики. КПД любой машины не может быть равен единице, также как тепло не может быть преобразовано в работу полностью. Так что сколько ни старайтесь, а вечный двигатель второго рода создать невозможно, так же как и вечный двигатель первого рода.

Тепловая смерть Вселенной

После введения Рудольфом Клаузиусом понятия энтропии в 1865 году возникло множество споров, домыслов и теорий, связанных с этим понятием. Одна из них – гипотеза о тепловой смерти Вселенной, сформулированная самим Клаузиусом на основе второго начала термодинамики.

Рудольф Клаузиус (1822-1888)

Данная теория, сформулированная Клаузиусом, гласит, что Вселенная, как любая замкнутая система, стремится к состоянию термодинамического равновесия, характеризующемуся максимальной энтропией и полным отсутствием макроскопических процессов, что в свою очередь обессмысливает привычное нам понятие времени. По Клаузиусу: «Энергия мира остается постоянной. Энтропия мира стремиться к максимуму». Это означает, что когда Вселенная придет в состояние термодинамического равновесия, все процессы прекратятся и мир погрузиться в состояние «тепловой смерти». Температура в любой точке Вселенной будет одной и той же, более не будет каких-либо причин, способных вызвать возникновение каких бы то ни было процессов.

Концепция тепловой смерти вселенной еще в недалеком прошлом была довольно широко распространена и являлась предметом активных дискуссий. Так, в книге Джинса «Universe around us» (1932г.) можно найти следующие строки касательно тепловой смерти Вселенной: «Вселенная не может существовать вечно; рано или поздно должно наступить время, когда ее последний эрг энергии достигнет наивысшей степени на лестнице падающей полезности, и в этот момент активная жизнь Вселенной должна будет прекратиться».

Где-то во Вселенной

При выводе своей теории Клаузиус прибегал в своих рассуждениях к следующим экстраполяциям (приближениям):

1. Вселенная рассматривается как замкнутая система.
2. Эволюция мира может быть описана как смена его состояний.

Интересный факт : рассуждения о тепловой смерти позволили церкви заявить, что с научной точки зрения (в том числе и благодаря теории Клаузиуса) можно найти предпосылки, указывающие на существование бога. Так, в 1952 году на заседании «папской академии наук» папа Пий 12-й в своей речи сказал: «Закон энтропии, открытый Рудольфом Клаузиусом, дал нам уверенность, что спонтанные природные процессы всегда связаны с некоторой потерей свободной, могущей быть использованной энергии, откуда следует, что в замкнутой материальной системе в конце концов эти процессы в макроскопическом масштабе когда-то прекратятся. Эта печальная необходимость. красноречиво свидетельствует о существовании Необходимого Существа».

Опровержение теории тепловой смерти Вселенной

Как уже отмечалось выше Клаузиусом, при выводе его теории применялись определенные экстраполяции. Сегодня несмотря на некоторые сложности можно с уверенностью сказать, что подобные выводы являются антинаучными. Дело в том, что существуют определенные границы применимости второго начала термодинамики: нижняя и верхняя. Так, второе начало термодинамики не может быть применено для описания микросистем, размеры которых сравнимы с размерами молекул, и для макросистем, состоящих из бесконечного числа частиц, т.е. для Вселенной в целом.

Второе начало термодинамики не применимо ко Вселенной как замкнутой системе

Собственно первым ученым, установившим статистическую природу второго начала термодинамики и противопоставившим теории тепловой смерти Вселенной так называемую флуктуационную гипотезу, был выдающийся физик-материалист Больцман. Имеет место формула Больцмана, позволяющая дать статистическое истолкование второму началу термодинамики

Здесь S – энтропия системы, k – постоянная Больцмана, P – термодинамическая вероятность состояния, определяющая число микросостояний системы, соответствующих данному макросостоянию. Согласно формуле Больцмана,

То есть термодинамическая вероятность состояния изолированной системы при всех происходящих в ней процессах не может убывать. Однако т.к. для систем, состоящих из бесконечного числа частиц, все состояния будут равновероятными , вышеописанное соотношение неприменимо ко Вселенной. В подобных системах имеют место значительные флуктуации (флуктуация – отклонение истинного значения некоторой величины от ее среднего значения), представляющие собой отклонения от второго начала термодинамики. Согласно Больцману, состояние термодинамического равновесия представляет собой лишь наиболее часто встречающееся и наиболее вероятное; наряду с этим в равновесной системе могут самопроизвольно возникнуть сколь угодно большие флуктуации. То есть во Вселенной, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, постоянно возникают флуктуации, причем одной такой флуктуацией является та область пространства, в которой находимся мы.

Людвиг Больцман (1844-1906)

Современный подход безусловно отвергает теорию тепловой смерти Вселенной. Учитывая огромный возраст Вселенной и тот факт, что она не находится в состояние тепловой смерти, можно сделать вывод о том, что во Вселенной протекают процессы, препятствующие росту энтропии, т.е. процессы с отрицательной энтропией. Однако выводам Больцмана о том, что во Вселенной преобладает состояние термодинамического равновесия, все более противоречит растущий экспериментальный материал астрономии. Материя обладает никогда не утрачиваемой способностью к концентрации энергии и превращения одних форм движения в другие. Так, например, процесс образования из рассеянной материи звезд подчиняется определенным закономерностям и не может быть сведен исключительно к случайным флуктуациям распределения энергии во Вселенной.

Дорогие друзья! Сегодня мы по возможности выяснили, какой смысл имеет понятие энтропии для второго начала термодинамики, узнали, что вечный двигатель второго рода невозможен, а также порадовались, что тепловой смерти Вселенной все-таки не случится. Мы как всегда надеемся на то, что вам понравилась наша статья, в которой мы старались рассказать о термодинамике просто, понятно и интересно. Желаем успехов в учебе и напоминаем – подсказать, помочь, проконсультировать и взять часть нагрузки на себя всегда готовы наши специалисты. Учитесь и живите в свое удовольствие!

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Источник