Thermodynamics ua ib ceg ywj pheej ntawm kev tshawb fawb lub cev tau tshwm sim hauv thawj ib nrab ntawm lub xyoo pua 19th. Lub hnub nyoog ntawm cov tshuab tau dawned. Kev lag luam kiv puag ncig xav tau kev kawm thiab kev nkag siab ntawm cov txheej txheem cuam tshuam nrog kev ua haujlwm ntawm cov tshuab cua sov. Thaum kaj ntug ntawm lub tshuab era, ib leeg inventors muaj peev xwm siv tau tsuas yog intuition thiab "poke method". Tsis muaj kev txiav txim rau pej xeem rau kev tshawb pom thiab kev tsim kho, nws tsis tuaj yeem tshwm sim rau leej twg uas lawv tuaj yeem siv tau. Tab sis thaum thermal (thiab me ntsis tom qab, hluav taws xob) tshuab tau los ua lub hauv paus ntawm kev tsim khoom, qhov xwm txheej tau hloov. Cov kws tshawb fawb thaum kawg maj mam txheeb xyuas cov ntsiab lus tsis meej pem uas tau tshwm sim txog thaum nruab nrab xyoo pua 19th, txiav txim siab seb yuav hu lub zog, dab tsi quab yuam, dab tsi impulse.
Dab tsi thermodynamics postulates
Cia peb pib nrog kev paub. Classical thermodynamics yog raws li ob peb postulates (cov ntsiab lus) uas tau ua tiav ua tiav thoob plaws hauv lub xyoo pua 19th. Ntawd yog, cov kev cai no tsis yogproveable nyob rau hauv nws. Lawv tau tsim los ntawm kev nthuav dav ntawm cov ntaub ntawv empirical.
Thawj txoj cai lij choj yog kev siv txoj cai lij choj ntawm kev txuag hluav taws xob rau kev piav qhia ntawm tus cwj pwm ntawm macroscopic systems (suav nrog ntau cov khoom). Luv luv, nws tuaj yeem tsim tau raws li hauv qab no: cov khoom lag luam ntawm lub zog sab hauv ntawm cov txheej txheem thermodynamic cais ib txwm nyob tas li.
Lub ntsiab lus ntawm txoj cai thib ob ntawm thermodynamics yog los txiav txim siab cov txheej txheem hauv cov txheej txheem no.
Txoj cai thib peb tso cai rau koj los txiav txim kom muaj nuj nqis xws li entropy. Xav paub ntau ntxiv.
Lub tswvyim ntawm entropy
Kev tsim ntawm txoj cai thib ob ntawm thermodynamics tau npaj rau xyoo 1850 los ntawm Rudolf Clausius: "Nws tsis tuaj yeem hloov pauv cov cua sov los ntawm lub cev qis dua mus rau qhov kub dua." Nyob rau tib lub sijhawm, Clausius tau hais txog qhov tsim nyog ntawm Sadi Carnot, uas thaum ntxov li 1824 tau tsim tias qhov kev faib ua feem ntawm lub zog tuaj yeem hloov mus rau hauv kev ua haujlwm ntawm lub tshuab cua sov tsuas yog nyob ntawm qhov kub ntawm qhov sib txawv ntawm lub rhaub thiab lub tub yees.
Nyob rau hauv kev txhim kho ntxiv ntawm txoj cai thib ob ntawm thermodynamics, Clausius qhia txog lub tswv yim ntawm entropy - ib qho kev ntsuas ntawm lub zog uas irreversibly transforms rau hauv ib daim ntawv tsis tsim nyog rau kev hloov dua siab tshiab rau hauv kev ua hauj lwm. Clausius qhia tus nqi no los ntawm cov qauv dS=dQ / T, qhov twg dS txiav txim siab hloov pauv hauv entropy. Ntawm no:
dQ - hloov kub;
T - qhov kub thiab txias (qhov ntsuas hauv Kelvin).
Ib qho piv txwv yooj yim: kov lub hood ntawm koj lub tsheb nrog lub cav khiav. Nws yog meejwarmer tshaj qhov chaw. Tab sis lub cav tsheb tsis yog tsim los ua kom sov lub hood lossis dej hauv lub tshuab hluav taws xob. Los ntawm kev hloov cov tshuaj siv hluav taws xob ntawm roj av rau hauv lub zog thermal, thiab tom qab ntawd mus rau hauv lub zog siv tshuab, nws ua haujlwm tau zoo - nws tig cov ncej. Tab sis feem ntau ntawm cov cua sov uas tsim tawm yog nkim, vim tsis muaj txiaj ntsig ua haujlwm tuaj yeem raug rho tawm ntawm nws, thiab dab tsi yoov tawm ntawm cov yeeb nkab tso tawm yog tsis muaj roj av. Hauv qhov no, lub zog thermal poob, tab sis tsis ploj, tab sis dissipates (dissipates). Lub hood kub, tau kawg, txias, thiab txhua lub voj voog ntawm lub tog raj kheej hauv lub cav ntxiv cua sov rau nws dua. Yog li, lub kaw lus nyiam mus txog qhov sib npaug ntawm qhov ntsuas kub.
Txoj kev ntawm entropy
Clausius muab cov ntsiab lus dav dav rau txoj cai thib ob ntawm thermodynamics hauv cov mis dS ≧ 0. Nws lub ntsiab lus ntawm lub cev tuaj yeem txhais tau tias "tsis txo qis" ntawm entropy: hauv cov txheej txheem thim rov qab nws tsis hloov, hauv cov txheej txheem irreversible. nws nce.
Nws yuav tsum tau muab sau tseg tias tag nrho cov txheej txheem tiag tiag yog irreversible. Lo lus "tsis-txo" tsuas yog qhia qhov tseeb tias qhov kev xav tau zoo tshaj plaws tau suav nrog hauv kev xav txog qhov tshwm sim. Qhov ntawd yog, tus nqi ntawm lub zog tsis muaj nyob rau hauv ib qho txheej txheem spontaneous nce.
Muaj peev xwm ncav cuag xoom
Max Planck tau txais txiaj ntsig zoo rau kev txhim kho cov thermodynamics. Ntxiv nrog rau kev ua haujlwm ntawm kev txhais cov lej ntawm txoj cai thib ob, nws tau koom nrog hauv kev tshaj tawm txoj cai thib peb ntawm thermodynamics. Thawj qhov kev tsim muaj nyob rau W alter Nernst thiab hais txog 1906. Nernst's theorem xav txogtus cwj pwm ntawm ib qho kev sib npaug ntawm qhov kub thiab txias mus rau qhov tsis muaj tseeb. Thawj thiab thib ob txoj cai ntawm thermodynamics ua rau nws tsis yooj yim sua kom paub tias qhov entropy yuav ua li cas nyob rau hauv cov xwm txheej.
Thaum T=0 K, lub zog yog xoom, cov khoom ntawm lub kaw lus nres chaotic thermal motion thiab tsim cov qauv txiav txim, ib lub siv lead ua uas muaj qhov sib npaug ntawm qhov sib npaug. Qhov no txhais tau tias entropy kuj ploj mus (hauv qab no peb yuav pom tias vim li cas qhov no tshwm sim). Hauv kev muaj tiag, nws txawm ua qhov no me ntsis ua ntej, uas txhais tau hais tias qhov cua txias ntawm txhua qhov thermodynamic system, txhua lub cev mus rau xoom tsis yooj yim sua. Qhov kub thiab txias yuav mus txog qhov chaw no, tab sis yuav tsis ncav cuag nws.
Perpetuum mobile: tsis yog, txawm tias koj xav tau tiag tiag
Clausius generalized thiab tsim thawj thiab thib ob txoj cai ntawm thermodynamics nyob rau hauv no txoj kev: tag nrho lub zog ntawm ib tug kaw system ib txwm nyob twj ywm, thiab tag nrho cov entropy nce nrog lub sij hawm.
Thawj feem ntawm nqe lus no txwv tsis pub lub tshuab txav mus tas li ntawm thawj hom - cov cuab yeej ua haujlwm yam tsis muaj kev nkag mus ntawm lub zog los ntawm lwm qhov chaw. Qhov thib ob kuj txwv tsis pub lub tshuab txav mus tas li ntawm hom thib ob. Xws li lub tshuab yuav hloov lub zog ntawm qhov system mus rau hauv kev ua haujlwm yam tsis muaj kev them nyiaj entropy, tsis ua txhaum txoj cai txuag. Nws yuav muaj peev xwm tso tawm cua sov los ntawm qhov sib npaug, piv txwv li, kom kib cov qe scrambled los yog nchuav hlau vim lub zog ntawm thermal txav ntawm cov dej molecules, yog li txias nws.
Txoj cai thib ob thiab thib peb ntawm thermodynamics txwv tsis pub lub tshuab txav mus tas li ntawm hom thib ob.
Alas, tsis muaj dab tsi tuaj yeem tau los ntawm xwm, tsis yog pub dawb xwb, koj kuj tau them nyiaj ua haujlwm.
Hmoov Tuag
Muaj ob peb lub tswv yim hauv kev tshawb fawb uas ua rau muaj ntau yam tsis meej pem tsis yog ntawm cov pej xeem, tab sis kuj ntawm cov kws tshawb fawb lawv tus kheej, ntau npaum li entropy. Physicists, thiab ua ntej ntawm tag nrho cov Clausius nws tus kheej, yuav luag tam sim ntawd extrapolated txoj cai ntawm tsis-txo, ua ntej mus rau lub ntiaj teb, thiab ces mus rau tag nrho lub ntiaj teb no (vim li cas tsis, vim hais tias nws kuj yuav xam tau tias yog ib tug thermodynamic system). Raws li qhov tshwm sim, lub cev kom muaj nuj nqis, qhov tseem ceeb ntawm kev suav hauv ntau qhov kev siv, tau pib pom tias yog lub cim ntawm qee yam kev phem thoob ntiaj teb uas rhuav tshem lub ntiaj teb ci ntsa iab thiab zoo.
Tseem muaj cov kev xav zoo li no ntawm cov kws tshawb fawb: txij li, raws li txoj cai thib ob ntawm thermodynamics, entropy loj hlob irreversibly, sai los yog tom qab tag nrho lub zog ntawm lub ntiaj teb no degrades mus rau hauv ib tug diffuse daim ntawv, thiab "kub tuag" yuav tuaj. Yuav muaj dab tsi zoo siab? Clausius, piv txwv li, xav tau ntau xyoo los tshaj tawm nws qhov kev tshawb pom. Tau kawg, qhov "kub tuag" kev xav tam sim ntawd ua rau muaj ntau qhov kev tawm tsam. Muaj kev tsis ntseeg loj txog nws qhov tseeb txawm tias tam sim no.
Sorter Daemon
Xyoo 1867, James Maxwell, yog ib tus kws sau ntawv ntawm molecular-kinetic txoj kev xav ntawm cov pa roj, hauv qhov kev pom zoo heev (txawm tias tsis tseeb) kev sim ua kom pom qhov tsis zoo ntawm txoj cai thib ob ntawm thermodynamics. Cov kev paub dhau los tuaj yeem sau tseg raws li hauv qab no.
Cia muaj lub nkoj nrog roj. Cov molecules nyob rau hauv nws txav random, lawv speeds yog ob pebtxawv, tab sis qhov nruab nrab kinetic zog yog tib yam thoob plaws hauv lub nkoj. Tam sim no peb faib lub nkoj nrog kev faib ua ob qhov sib cais. Qhov nruab nrab tshaj tawm ntawm cov molecules nyob rau hauv ob halves ntawm lub nkoj yuav nyob twj ywm tib yam. Qhov kev faib tawm yog saib xyuas los ntawm tus dab me me uas tso cai rau sai, "kub" molecules nkag mus rau ib feem, thiab qeeb qeeb "txias" molecules mus rau lwm qhov. Raws li qhov tshwm sim, cov roj yuav ua kom sov nyob rau hauv thawj ib nrab thiab txias hauv ib nrab thib ob, uas yog, lub kaw lus yuav txav los ntawm lub xeev ntawm qhov sib npaug ntawm qhov ntsuas kub mus rau qhov kub thiab txias qhov sib txawv, uas txhais tau tias txo qis hauv entropy.
Qhov teeb meem tag nrho yog qhov kev sim hauv qhov system tsis ua qhov kev hloov pauv ntawm nws tus kheej. Nws tau txais lub zog los ntawm sab nraud, vim qhov kev faib tawm qhib thiab kaw, lossis lub kaw lus yuav tsum suav nrog tus dab uas siv nws lub zog ntawm lub luag haujlwm ntawm tus neeg saib xyuas. Qhov nce hauv entropy ntawm dab yuav ntau dua li npog qhov txo qis hauv nws cov pa.
Ntxhais Molecules
Cia ib khob dej tso rau saum rooj. Nws tsis yog yuav tsum tau saib lub khob, nws yog txaus kom rov qab los tom qab ib ntus thiab xyuas qhov xwm txheej ntawm cov dej hauv nws. Peb yuav pom tias nws cov lej tau txo qis. Yog tias koj tso lub khob rau ib lub sijhawm ntev, tsis muaj dej nyob hauv nws, vim tias tag nrho nws yuav evaporate. Thaum pib ntawm cov txheej txheem, tag nrho cov dej molecules nyob rau hauv ib cheeb tsam ntawm qhov chaw txwv los ntawm cov phab ntsa ntawm iav. Thaum kawg ntawm qhov kev sim, lawv tau tawg mus thoob plaws hauv chav. Nyob rau hauv lub ntim ntawm ib chav tsev, molecules muaj ntau lub sij hawm los hloov lawv qhov chaw yam tsis muajkev tshwm sim rau lub xeev ntawm lub system. Tsis muaj txoj hauv kev uas peb tuaj yeem sib sau ua ke rau hauv "sib sau ua ke" thiab tsav lawv rov qab rau hauv khob kom haus dej nrog kev noj qab haus huv.
Qhov no txhais tau hais tias lub kaw lus tau hloov mus rau lub xeev entropy siab dua. Raws li txoj cai thib ob ntawm thermodynamics, entropy, los yog cov txheej txheem ntawm dispersion ntawm qhov system (qhov no, dej molecules) yog irreversible. Yog vim li cas?
Clausius tsis teb lo lus nug no, thiab tsis muaj leej twg ua tau ua ntej Ludwig Boltzmann.
Macro thiab microstates
Xyoo 1872, tus kws tshawb fawb no tau qhia txog kev txhais cov lej ntawm txoj cai thib ob ntawm thermodynamics rau hauv kev tshawb fawb. Tom qab tag nrho, cov tshuab macroscopic uas thermodynamics cuam tshuam nrog yog tsim los ntawm ntau lub ntsiab lus uas nws tus cwj pwm ua raws li cov cai lij choj.
Cia peb rov qab mus rau dej molecules. Flying random nyob ib ncig ntawm chav tsev, lawv tuaj yeem ua haujlwm sib txawv, muaj qee qhov sib txawv hauv qhov nrawm (molecules tas li sib tsoo nrog ib leeg thiab nrog lwm cov khoom hauv huab cua). Txhua qhov sib txawv ntawm lub xeev ntawm cov txheej txheem ntawm cov molecules yog hu ua microstate, thiab muaj ntau qhov sib txawv. Thaum siv feem ntau ntawm cov kev xaiv, lub macrostate ntawm lub system yuav tsis hloov nyob rau hauv txhua txoj kev.
Tsis muaj dab tsi tawm txwv, tab sis qee yam tsis zoo li
Cov kev sib raug zoo S=k lnW txuas cov xov tooj ntawm txoj hauv kev uas muaj qee yam macrostate ntawm lub tshuab hluav taws xob thermodynamic (W) tuaj yeem qhia nrog nws qhov entropy S. Tus nqi ntawm W yog hu ua thermodynamic probability. Daim ntawv kawg ntawm cov qauv no tau muab los ntawm Max Planck. Tus coefficient k, tus nqi me me (1.38 × 10 −23J / K) uas qhia txog kev sib raug zoo ntawm lub zog thiab qhov kub, Planck hu ua Boltzmann tas li nyob rau hauv kev hwm ntawm tus kws tshawb fawb uas yog tus thawj zaug los tawm tswv yim kev txhais lus ntawm qhov thib ob pib ntawm thermodynamics.
Nws paub meej tias W yeej ib txwm muaj tus lej 1, 2, 3, …N (tsis muaj tus lej ntawm txoj kev). Tom qab ntawd lub logarithm W, thiab yog li qhov entropy, tsis tuaj yeem ua qhov tsis zoo. Nrog rau lub microstate nkaus xwb rau lub kaw lus, lub entropy ua sib npaug rau xoom. Yog tias peb rov qab mus rau peb lub khob, qhov postulate no tuaj yeem sawv cev raws li hauv qab no: cov dej molecules, randomly scurrying nyob ib ncig ntawm chav tsev, rov qab mus rau lub khob. Nyob rau tib lub sijhawm, txhua tus tau rov ua dua nws txoj hauv kev thiab coj tib qhov chaw hauv lub khob uas nws tau ua ntej tawm mus. Tsis muaj dab tsi txwv tsis pub siv qhov kev xaiv no, uas lub entropy yog sib npaug rau xoom. Tsuas yog tos rau qhov kev siv ntawm qhov tshwm sim me me no tsis tsim nyog. Nov yog ib qho piv txwv ntawm qhov tsuas yog ua tau raws li kev xav.
Txhua yam sib xyaw hauv tsev…
Yog li cov molecules random ya ncig ntawm chav tsev sib txawv. Tsis muaj qhov tsis tu ncua hauv lawv txoj kev npaj, tsis muaj qhov kev txiav txim hauv qhov system, txawm li cas los xij koj hloov cov kev xaiv rau microstates, tsis muaj cov qauv txawj ntse tuaj yeem taug qab. Nws yog tib yam hauv lub khob, tab sis vim qhov chaw txwv, cov molecules tsis hloov lawv txoj haujlwm yog li nquag.
Lub chaotic, disordered lub xeev ntawm system raws li feem ntauqhov tshwm sim sib raug rau nws qhov siab tshaj plaws entropy. Dej hauv ib khob yog ib qho piv txwv ntawm lub xeev entropy qis. Kev hloov mus rau nws los ntawm kev chaos sib npaug faib thoob plaws hauv chav tsev yog yuav luag tsis yooj yim sua.
Cia peb ua piv txwv ntxiv rau peb sawv daws - ntxuav kev ntxhov hauv tsev. Txhawm rau muab txhua yam rau hauv nws qhov chaw, peb kuj yuav tsum siv zog. Nyob rau hauv tus txheej txheem ntawm txoj hauj lwm no, peb ua kub (uas yog, peb tsis khov). Nws hloov tawm tias entropy tuaj yeem siv tau. Qhov no yog rooj plaub. Peb tuaj yeem hais ntau ntxiv: entropy, thiab dhau los ntawm nws txoj cai thib ob ntawm thermodynamics (nrog rau lub zog) tswj hwm lub ntiaj teb. Cia wb mus saib lwm cov txheej txheem thim rov qab. Qhov no yog li cas lub ntiaj teb yuav zoo li yog tsis muaj entropy: tsis muaj kev loj hlob, tsis muaj galaxies, hnub qub, ntiaj chaw. Tsis muaj txoj sia…
Qhia ntxiv me ntsis txog "kub tuag". Muaj xov xwm zoo. Txij li thaum, raws li txoj kev tshawb xav, cov txheej txheem "hloov" yog qhov tseeb tsis zoo li, qhov kev hloov pauv tshwm sim hauv cov txheej txheem thermodynamically equilibrium - ua txhaum txoj cai thib ob ntawm thermodynamics. Lawv tuaj yeem ua tau loj heev. Thaum lub ntiajteb txawj nqus muaj nyob rau hauv lub thermodynamic system, kev faib ntawm cov khoom yuav tsis chaotically sib xws, thiab lub xeev ntawm qhov siab tshaj plaws entropy yuav tsis mus txog. Tsis tas li ntawd, lub ntiaj teb tsis hloov pauv, tsis tu ncua, nyob ruaj khov. Yog li ntawd, cov qauv ntawm cov lus nug ntawm "kub tuag" tsis muaj qab hau.
