Термодинамика на отворени системи

4. Същността на "Болцман Демона".

Позоваването.
Всичко на земята се появява и се развива в резултат на енергия.

и всичко се срива и умира с ентропия расте ...

(Всичко на земята се появява и развива

благодарение на енергията и VCE унищожени

и умира с увеличаване на ентропията. )

В общественото съзнание втория закон на термодинамиката е заобиколен от странна аура на магия. Известният английски писател Ch.P. Сняг предложен тест за обща култура, според която на втория закон на термодинамиката невежество приравни несъзнателно Шекспир. Само добре разбирам втория закон на термодинамиката, че е възможно да се отговори на въпроса защо целият живот е възможно, тъй като съзнателни същества трябва да поддържат вътрешния ред, която се противопоставя на универсална тенденция към разсейване и хаос. Че тази тенденция и описва втория старт.

Като ключов елемент в науката за топлина, този физически закон казва за невъзможността за пренасяне на топлина от по-студено към по-горещо тяло в изолирана система, желанието на Вселената за по-хаотични и хаотично състояние. Право и достъпно да се обясни този закон много трудно. Людвиг Boltsman, водещ физик на Австро-Унгарската империя, е прекарал по-голямата част от живота си, опитвайки се да се определи значението му и изясняване на неговата същност.

Този закон има минимум три равни текст, предложен от физици в различни години, различни поколения.

1. Отчет на втория закон на термодинамиката

Нека да започнем с първата формулировка, която принадлежи към немския физик Рудолф Клаузиус. Ето един прост и нагледен пример за тази формулировка: извадите от леда на хладилника и я сложи в мивката. След известно време куб лед се разтопи, защото топлината от по-топло тяло (въздух) се пропуска през студен (кубче лед). От гледна точка на закона за запазване на енергията на, няма причина да се загрява предава в тази посока, дори и ако ледът се превръща в по-студено и по-топлият въздух е все още, законът за запазване на енергията все пак ще се изпълни. Фактът, че това не се случи, просто показва по-горе посока на физични процеси. се увеличава. Това е, което имаме предвид, когато казваме, че топлината се предава от въздуха на леда. В този модел, първият състав на втория закон на термодинамиката е логично следствие на поведението на молекули.

Не може да се спонтанен трансфер на топлина от студена тяло, за да се затопли. (1)

Илюстрира втори език в действието лесно. Представете си цилиндър вътрешен автомобил двигател с вътрешно горене. Той се инжектира смес гориво, който е компресиран от буталото на високо налягане, след което се запалва. Когато взривно горене на сместа се отделя значително количество топлина под формата на горещи и разширяване на продукти от горенето, които налягане изтласква буталото надолу. В един идеален свят, бихме могли да се постигне ефективност на използването на освободена топлинна енергия на нивото на 100%, напълно го преведе на механична работа бутало.

Не двигател не може да преобразува топлината в работа с абсолютна ефективност. (2)

Третата форма на втория закон на термодинамиката, обикновено се приписват австрийската физика Лудвиг Болцман, може би най-добре познати. Ентропия - мярка за безпорядък в системата. Колкото по-висока ентропията - хаотичното движение на материалните частици, които изграждат системата. Болцман е в състояние да разработи формула за директна математическо описание на степента на подреждане на системата. Нека да видим как работи, например вода. Течният водата е сравнително нарушено структура, тъй като молекулите са свободни да се движат един спрямо друг, и пространствена ориентация те могат да бъдат произволно. Друго нещо е леда - водните молекули са подредени, като се включи в кристалната решетка. Състав на втория Boltzmann термодинамиката, относително казано, е, че ледът се разтопи и се превръща във вода (процес придружава от степен намаляване на ред и по-висока ентропия) се излезе от водата никога не се възражда. Отново виждаме пример за необратимия характер на физичните явления.

Важно е да се разбере, че ние не говорим за това в състава на втория закон на термодинамиката гласи, че ентропията не може да падне някъде, някога. В крайна сметка, разтопеното леда може да бъде върнат във фризера и се замразява отново. Идеята, че ентропията не може да намалее в затворена система - това е, системи, които не получават външна енергийна презареждане. И това води до още една формулировка на втория принцип: Хладилник не работи, ако не е включен.

ентропия не може да намалее в затворена система. (3)

2.Termodinamika отворени системи.

Ние определяме затворена система като система, която е напълно изолиран от околната среда, т.е.. Е. Не обменят енергия и материя с околната среда. Такава система, във всички отношения, отделена от околната среда, и по-нататък изолирана система. Условия пълна изолация, на практика, разбира се, може да се извърши само частично, като например поставяне на системата в съд Dewar. Системата, която е отделена от външната стена на света, е непропусклив за вещества, наречени затворени. Затворената система могат да обменят енергия със средата, например чрез топлина или извършване на работа. Отворени системи се характеризират с това, че те могат да общуват с околната среда енергия, така и материал. Обмен на среда вещество, което по дефиниция, задължително се извършва в отворена система, тя може да се получи както свободни (през отвор, клапан и т.н.), и чрез гранични повърхности имат селективна пропускливост (мембрани, екрани и т.н.) , Необходимо е да се направи ясно разграничение понятието затворен (напълно изолиран), затворен (не субстанция, имаща споделяне) и отворени (обмяна на веществата) системи. За да отворите система промяна стойност Z за обширна време DT може да се представи като сума от две вноски: Дез, поради външни фактори, и Диз, свързани с характерните свойства на самата система, т.е. ..

По отношение на вътрешната енергия U, моларното брой к тата компонент NK и S е експресията на ентропията приема формата

Ние също така спомена, че между промените на топлина и работата е невъзможно да се направи ясно разграничение, така че тук е необходимо да се направят разумни предположения.

Докато външни участия разширено, DenK DES и DT на интервал от време може да бъде от всеки знак и величина, на "вътрешни наложени някои ограничения. От първия закон на термодинамиката

т.е. в рамките на системата, енергията не се произвежда и не изчезва; това е основен закон за запазване на енергията. В системата, енергията може да бъде превърната само от по-висока към по-ниските форми. Моларното брой може да варира в рамките на системата само чрез химични реакции. Реакция 1, може да се изброят, 2..R (R - произволен брой). Ако означим стехиометрични коефициенти νkr К-ти вещество в г- ти реакция, получаваме

Има ξr - R тата отговор скорост показва колко добре протича реакцията; ξr = 0 показва, че R- та реакция резултат се образува или от един мол вещество. ξr = 1 показва, че реакцията на R тата произвежда νkr мола на Th вещество. На последно място, промяната на ентропията, причинени от процеси в рамките на една система, в съответствие с втория закон на термодинамиката не трябва да бъде отрицателна стойност

Сега ние ocobenno интересуват от въпроса при какви условия може да се намали ентропията на системата. Отговорът на този въпрос е основните зависимости (4), (7). Ентропията промяна произволна система се състои от два компонента, "вътрешната" Приносът винаги трябва да е положителна. ентропията промени поради процесите на входните и изходни могат да бъдат както положителни и отрицателни. По този начин, системата е в състояние да даде на ентропията на средата или, с други думи, да абсорбира отрицателна ентропия (negentropy) може да намали тяхната ентропия. Поведение ентропията в отворена система по този начин може фундаментално различно от поведението на ентропията в изолирана система. В отворени системи могат, без да нарушават втория закон на термодинамиката форма и структура съществува. Последователен теория на отворените системи е разработена от Пригожин. Пригожин и Glansdorff генерализирана тази теория за случая на нелинейни системи.

Bertalanffy също посочи важната роля на текущия баланс в природата. В рамките на текущото салдо имаме предвид стационарни (независима от времето) не-равновесно състояние на една отворена система, стабилна по отношение на малки отклонения.

В сегашното състояние на равновесие термодинамични функции остават непроменени, DZ = 0, така че можем да запишем

За да се поддържа текущото салдо (ustoychiogo стабилно състояние) трябва да се извършва приток отрицателна ентропия. в обема на системата, която компенсира за производство на ентропията в системата, както и притока на материал, който компенсира промени, причинени от химични реакции. Напротив, наличието на полученото в потока на енергия в системата не е съвместимо с поддържането на текущия баланс. С достатъчни критерии за съществуването на текущия баланс, свързани с понятието за производство на ентропия. Основната разлика между условията на термодинамично равновесие и текущото салдо е на разположение в края на миналата ентропия. Когато това равновесие DTS> 0, и (11) е само знак за строг неравенство. За разлика от термодинамично равновесие на текущия баланс не съществува нула ентропията потоци и вещества, които, обаче, обикновено не засягат остатъка на термодинамични количества, поради ефектите на компенсация [вж. връзка (10) и (11)]. С достатъчни критерии за съществуването на текущия баланс, свързани с концепцията за производство на ентропия.

3. Производство ентропията. Пригожин теорема-Glansdorff

Относно това, дали процесите на формиране на структура fizichekoy общи принципи, подобни на втория закон на термодинамиката, или тези процеси са от специален характер. Основни изследвания и Glansdorff Пригожин доказа съществуването на вариационните принципи за нелинейни стационарни процеси. Главна физична величина, проучват нова теория - е производството на ентропия, която играе също толкова важна роля като ентропията в равновесни системи в необратими процеси. Това включва стойността на посочените по-горе общи физически принципи, които също са посочени критериите за еволюция. Терминът "еволюцията" се използва тук, както в Пригожин и Glansdorff, в тесния смисъл на думата "физическа еволюция", че е така. Д. Той се отнася до посоката на развитие на физическите системи.

Ние определяме производството на ентропия в системата като

Нека сега разгледаме един специален случай - затворена система. Тъй де = 0, неравенството притежава:

(Състояние на еволюцията). (13)

Ентропията като функция на система ак физически параметър ще се промени до докато достигне равновесно състояние с стойността на ентропията на ак параметър (0), за който