A termodinamika törvényei

A valóság költészete
Tudomány
Ikon science.svg
Tudnunk kell.
Tudni fogjuk.
  • Biológia
  • Kémia
  • Fizika
Kilátás a
óriások vállai.

A a termodinamika törvényei nagyszabású hangzású kifejezés, amely gyakran összefog atudomány, áltudomány és általános udvarol . Annak ellenére, hogy maguk is tudományos törvények, áltudósok gyakran idézik őket (pl.kreacionisták) annak oka, hogy egyesek miértEgyéba tudomány egy része téves. A klasszikus példa erre: evolúció tévednie kell, mivel sérti a termodinamika törvényeit ”. Valamint a létironikus, az ilyen állítások általában szintén hülyeség .

A termodinamika mint szubjektum aIpari forradalom, többé-kevésbé módja annakmérnökökmegérteni a gőzgépek működését és hatékonyabbá tételét. Azóta szigorúvá fejlődött és általánosítottmatematikaiValaminek a kezelése energia ésentrópia, és kenyér-vaj része a természettudományos tanfolyamoknak, mint plfizikaéskémia.

A termodinamikának három „törvénye” van („törvények” abban az értelemben, hogy leírják, hogy a fizikai rendszereknek „hogyan kell viselkedniük”), valamint egy „nulladik” törvény is, amely valójában nem is annyira törvény, mint annak meghatározása, ami „hőmérséklet” alatt értendő.

  • A termodinamika nulladik törvénye : 'Ha két rendszer tartályban van hő-egyensúlyban, akkor hő-egyensúlyban van egymással.'
  • A termodinamika első törvénye : 'A teljes energia Világegyetem állandó. '
  • A termodinamika második törvénye : 'Egy elszigetelt rendszer entrópiája nem csökken.'
  • A termodinamika harmadik törvénye : 'Amint egy tökéletes kristály hőmérséklete nullához közelít, entrópiája állandóvá válik.'

Az 1., 2. és 3. törvény humorosan összefoglalható nem tudományos formában:

  1. Nem kaphat valamit a semmiért.
  2. Akkor sem tud törni, ha a hőmérsékletet lehűtiabszolút nulla.
  3. Valójában lehetetlen elérni az abszolút nullát.

Vagy ha pókerjátékos vagy:

  1. Nem nyerhetsz.
  2. Nem lehet egyenletes.
  3. Nem léphet ki a játékból.

Tartalom

A nulladik törvény

A a termodinamika nulladik törvénye kimondja, hogy 'ha két rendszer egy termikus egyensúlyban van egy tározóval, akkor hő-egyensúlyban van egymással.' Ez azt jelenti, hogy a hőegyensúly tranzitív összefüggés. Nem lehet három olyan rendszer, A, B és C, ahol A egyensúlyban van B-vel és B egyensúlyban van C-vel, de Anemegyensúlyban C-vel. Ha ez lehetséges, az A és a C rendszer rendszeres összekapcsolása hőmotoron keresztül a-t eredményezneörökmozgó.



A nulladik törvény egyfajta semmitmondó, és nyilvánvalóan ismert volt még a termodinamika első, második és harmadik törvényének leírása előtt. A hivatalos törvény megfogalmazásának szükségessége a többi törvény megalkotása után merült fel, ezért hátulról-néven zérótörvénynek nevezték el. Valójában vitathatatlanul egyáltalán nem „törvény”, sokkal inkább csak annak meghatározása, hogy mit kell érteni a „hőmérséklet” alatt.

Az első törvény

A a termodinamika első törvénye az, hogy nem beszélsz a termodinamikáról azt állítja, hogy a világegyetem állandó. A megőrzés törvényének kifejezése energia ; az energiát nem lehet létrehozni vagy elpusztítani, csak formát kell változtatni, mint ahogy az anyag energiává válik, vagy fordítva. Leegyszerűsítve: nem hozhat létre energiát vagy anyagot, csak megváltoztathatja annak elrendezését. És mint minden másnála termodinamika törvényei, csak zárt rendszerre vonatkozik.

Kapcsolat a vallással

Ezt a törvényt apologéták gyakran hozzák fel, amikor megpróbálják megcáfolni ősrobbanás elmélet , általában a érv az első okból forma. Ők figyelmen kívül hagyja két legfontosabb tény azonban:

  • Az ősrobbanás elmélete nem feltétlenül jelenti azt, hogy az univerzum a semmiből származik
  • Az első törvény minden teremtési eseményt lehetetlenné is tesz, mert definíció szerint valamit létrehoz a semmiből.

Amikor ezt felhozzák, a bocsánatkérők általában vagy mérgesek, vagy elkezdikkitérve a kérdés előlazzal, hogy megpróbálja elmagyarázni, hogy van Isten túl a fizika törvényein .

Az örökmozgáshoz való viszony

Lásd a témáról szóló fő cikket: Örökmozgó

A termodinamika első törvénye, amásodik törvény, a fő oka annak, hogy az örökmozgás nem működik. Mivel a gép nem képes új saját energiát létrehozni, és a második törvény rontja az energiáját, a gép végül leáll. Az örökmozgás hívei meglehetősen sokféle okot fognak felhozni arra nézve, hogy miért nem ez a helyzet, a mágnesektől kezdve az „időkristályokig”.

Kapcsolat a woo-val

Nem meglepő, hogy az első törvény hatalmas listát is tartalmaz Új kor elképzelések lehetetlenek. Ide tartoznak, de nem kizárólag:

és

  • Telekinesis

A második törvény

Az életben semmi sem biztos, kivéve a halált, az adókat és a termodinamika második törvényét.
- Seth Lloyd

A a termodinamika második törvénye kijelenti, hogy „egy elszigetelt rendszer entrópiája nem csökken”. Ez gyakran azt jelenti, hogy a „rendellenesség mindig növekszik”, és gyakran rosszul értelmezik. Egy másik módja annak, hogy „egy elszigetelt rendszer munkaképessége idővel csökken”. A második törvény megadja az idő termodinamikai nyílját, mivel meg lehet különböztetni a múltat ​​és a jövőt azáltal, hogy megvizsgáljuk az entrópia mennyiségét a zárt rendszerben.

A kifejezések magyarázata

Termodinamikai rendszerek

  • Nyitott rendszer - Anyagot és energiát egyaránt kicserél a környezetével
  • Zárt rendszer - energiát cserél, de nem anyagot a környezetével
  • Elszigetelt rendszer - Sem energiát, sem anyagot nem cserél a környezetével

A Világegyetem egy elszigetelt rendszer, mivel ez az egész leírására szolgáló kifejezéstéridőfolytonosság, beleértve az összes energia abban tárolják. Ban ben valóság , a Világegyetemet tekintik az egyetlen igazi izolált rendszernek, minttökéletesa kisebb mértékű elszigeteltség lehetetlen. Aföldmegközelítőleg zárt rendszerként tekinthető, bár a valóságban nyitott.

Bár lehetséges, hogy az univerzum nem igazán elszigetelt rendszer (mint amultiverzumspekuláció vagy M-elmélet), ennek tesztelésére nincs ismert módszer, ezért minden rendszer és cél szempontjából elszigetelt rendszernek tekinthető. Ha nem így lenne, akkor kétségtelenül jelentős hatással lenne az univerzum végső sorsára.

Entrópia

Szigorúan véve az entrópia az állapotok sokaságának logaritmusa, vagy az energia szétszóródásának mértéke a rendszerben. Az egyenlet fejezi ki, ahol S jelentése entrópia, kBBoltzmann állandója, Ω pedig az állapotok sokasága.

Az entrópia egy gyakrabban megadott definíciója a „rendellenesség mértéke”, ezért a termodinamika második törvényét gyakran úgy magyarázzák, hogy „a rendszerek egyre rendezetlenebbé válnak”. A fenti definícióból ez egyenértékű azzal, hogy azt mondjuk, hogy egy rendszer hajlamos a kevésbé valószínű állapotokból a valószínűbb állapotok halmazába áttérni.

Valójában az entrópia egy kicsit elvontabb, és a termodinamika második törvénye azt sugallja, hogy az Univerzum mindig egyre egységesebbé válik; vagyis a hő (az energia átadása munkától eltérő módon) addig terjed, amíg az egész világegyetem hőmérséklete és energiaszintje megegyezik (a termikus érintkezésben lévő rendszerek között a hő mindig magasabb hőmérsékletű rendszerből szállít alacsonyabb hőmérsékletet az egyensúly eléréséig), és az erők addig működnek, amíg egyetemes egyensúlyt nem érnek el.

Más szavakkal, egy izolált rendszerben mindenről úgy tűnik, hogy az egyensúlyi vagy egyensúlyi állapot elérése érdekében dolgozik. Amint elérte az egyetemes egyensúlyt, semmiféle munka fennmaradásának vagy megvalósulásának nincs alapja; ergo az elszigetelt rendszerben lévő erők ülővé válnak, és nem végeznek munkát.

A gyakran alkalmazott egyszerű fizikai analógia az, hogy adott ideig egy szoba rendezetlenebbé válik (a dolgok egyenletesen oszlanak el a helyiségben, ahelyett, hogy egy takarékos verembe koncentrálódnának), amíg egy személy benne él, de nem tesz erőfeszítést hogy kitisztítsam. A fizikai világban az energia minden formája átalakul hőenergiává, és egyenletesebben oszlik el az Univerzum között, amíg a világegyetem energetikailag egységessé nem válik. Végső állapotában az Univerzum egy egységes térré válik, ahol nem lehet munkát végezni, mivel az energiát nem lehet „koncentrálni” a munka elvégzésével. Ezt az állapotot maximális entrópiának nevezzük. Amikor az univerzum elérte a maximális entrópiát, azt mondják, hogy teljesen „rendezetlen”, mivel nincsenek rendezett minták, és nincs mód arra, hogy információt szerezzünk az univerzum történetéről.

Valójában, szemben azzal, hogy a maximális entrópia elérésekor teljes rendellenesség állapotban van, az Univerzum inkább homogenizálódott és egységesebbé vált. Nagyon egyszerű kifejezéssel: maximális entrópia ≠ rendellenesség, érted? Ehhez hasonló alapon ismerik fel a tudományos oktatók, hogy a rendellenességek terminológiája, bár egyszerű és könnyen érthető, a legjobb esetben is túl egyszerűsítés és félrevezető hamis hasonlat legrosszabb esetben. Ennek eredményeként a természettudományi oktatók nagyrészt kivonták a „rendellenességek” terminológiáját; a legtöbbkémiaa tankönyvek például eltávolították (vagy legalábbis erősen szerkesztették) a rendellenesség terminológiáját. Rendkívül fontos, hogy az entrópia energetikai jelenség, és csak érintőlegesen kapcsolódik az eloszláshozügyegy rendszerben. (Statisztikusanszólva, amolekulákgáz valószínűleg nem mozdul el a tartály egyik oldalára anélkül, hogy a gázon munkát végeznének. De a gázzal végzett munka növelné az univerzum entrópiáját, mivel a dugattyúnak vagy bármi másnak a tömörítésének meg kellene növelnie az entrópiáját.)

A második törvény a statisztikai mechanika törvénye, nem pedig a természet alaptörvénye. Ennek megfelelően annak megsértése nem teljesen lehetetlen; megsértése azonban rendkívül valószínűtlen. De mivel megsértése nem lehetetlen, csak rendkívül valószínűtlen, kiderül, hogy rendkívül hosszú időkereteken belül végül megsértés történhet. Például egy klasszikus rendszer, amely a termodinamika második törvényét mutatja be ésszerű időtartamok alatt, ennek ellenére idővel megszegheti a törvényeket a Poincaré megismétlődésének sorrendjében - amikor Poincaré megismétlődik, a rendszer entrópiája az eredeti értékére csökken. Mivel azonban a Poincaré visszatérési ideje jóval hosszabb lesz, mint az Univerzum eddigi kora, ez pusztán elméleti szempont. Ezen túlmenően, tekintet nélkül arra az esetre, amikor a makrostátum csökken az entrópiában, ugyanannak a makrostátumnak csillagászati ​​szempontból sok más példánya növekszik az entrópiában. A második törvény a nagyszabású rendszerekre is vonatkozik; két molekula esetén nem valószínű, hogy az alacsonyabb rezgésű energiájú energiája egy részét átadja nagyobbnak, de a nagy léptékű rendszerektől eltérően jelentős lehetőség marad, és mivel a molekulák nagy száma garantált hogy alkalmanként megtörténjen.

A kreacionisták helytelen alkalmazása

Az entrópia, mint rendellenesség hamis analógiáját a tudományon kívül számos területen alkalmazzák változó sikerrel.Kreationistákfelvették a rendellenességek terminológiáját, mint egy vízbe fulladó ember, és megkísérelték alkalmazni a termodinamika második törvényét evolúció . A hasonlat azt állítja, hogy az összetettebb életformák soha nem alakulhatnak ki az egyszerűbbekből.

Nyilvánvalónak tűnik, hogy a hamis analógia hamis hasonlata helytelen. Először is, a Föld nem elszigetelt rendszer - rengeteg bejövő energiát kap aNap. Másodszor, az evolúció nem jelenti azt, hogy az élet egyre összetettebbé válik; csak ezt mondjatermészetes kiválasztódáslehetővé teszigénekkülönböző módon kell továbbadni úgy, hogy az életformák jellemzői idővel megváltozzanak a környezetükre reagálva.

Korrupció az is, ha azt hisszük, hogy az élet mindig „rendezettebb”, mint élettelen tárgy. Valójában az élet nem sérti a termodinamika szigorú energetikai értelemben vett második törvényét. A nap energiája kémiai potenciál energiává alakul, amely mechanikai munkává vagy hővé alakul át (mivel a Föld ismét nem elszigetelt rendszer). Minden esetben az energiaátadás nem hatékony, és egy kis energia hő formájában eloszlik a környezetbe, ami az energia diszperziójához vezet. Ugyanígy „rendezett” hópelyhek is kialakulhatnak, ha az időjárás lehűl, de az univerzum entrópiája még mindig növekszik.

Victor J. Stenger elméleti fizikus cáfolta ezt a kreacionista állítást:

Az adó és a vevő azonban két egymással kölcsönhatásban álló rendszer. Nincsenek külön-külön elszigetelten. Tehát az egyik rendszer által elveszített entrópiát megszerezheti a másik. Vagy ennek megfelelő módon az egyik által elveszített információkat a másik megszerezheti. Tehát egy fizikai rendszer, például egy biológiai organizmus vagy maga a Föld, amely energiát nyer a naptól, tisztán természetes folyamatok révén rendezettebbé válhat.

A kémiai oktatásra hivatkozó idézet szemlélteti ezt:

A diákokat felkeltő biológiai rendszerek egyik aspektusa a termodinamika és a fizikai kémia jól ismert törvényeinek megsértésének felfedezése. A javasolt példák többségét könnyű megcáfolni. A megtermékenyített tyúktojásban fejlődő csírázó magot vagy embriót gyakran naivan említik olyan izolált rendszerek példaként, amelyekben az entrópia növekedése vagy csökkenése spontán módon történik. Nyilvánvaló azonban, hogy a légzés, feltételezveVAGYkétjelen van, az entrópia növekedését termeli hő formájában, ami több mint ellensúlyozza az entrópia csökkenését, amely akkor következik be, amikor a magban vagy a tojássárgájában található elemek a növény vagy állat szövetébe szerveződnek. Valójában sem a csírázás, sem az embrionális fejlődés nem fog bekövetkezni oxigén hiányában a kérdéses rendszerben.

Az evolúcióra hivatkozva PZ Myers fogalmazott: „A termodinamikai érvelés második törvénye a kreacionista gyűjtemény egyik legdurvább, legostobább állítása. Ez öncáfol. Mutasson a kreacionistára: kérdezze meg, vajon egyszer csecsemő volt-e. Megnőtt? Nagyobb és összetettebb lett? Ugye ő maga áll a második törvény megsértésével? Követelje, hogy azonnal visszafejlődjön egy nyálkás tócská vegyes menstruációból és spermából.

Továbbá, Carl Sagan rámutatott, hogy ha a termodinamika második törvényét alkalmaznák a Isten , akkor Istennek feltétlenül meg kell halnia.

(Rövid vetélkedő a termodinamikáról: Hány általánosan elismert termodinamikai törvény létezik? Tudunk a második törvényről: Adja meg a többi törvény számát.)

Tegyük fel, hogy a természetben valóban volt olyan folyamat, amely megsértette a termodinamika második törvényét. Van-e miért ezt feltételezni?intelligens tervezőkfelelősek? Az egyetlen intelligens tervező, akikkel közvetlen ismeretünk van, emberek és más többé-kevésbé intelligens állatok ugyanúgy vonatkoznak a termodinamika második törvényére, mint a nem intelligens ágensek. A termodinamika törvényeit korlátozásként fedezték fel arra nézve, amit a 19. század okos mérnökei meg tudtak tervezni. Az intelligens tervezők nem képesek kivitelezni Örökmozgó gépek. Az intelligens tervezők nem kerülik meg a termodinamika második törvényét.

(Lásd még: The Simpsons: 'Lisa! Ebben a házban betartjuk a termodinamika törvényeit!)

Néhány fiatal földkreacionisták 'hidrodinamikus válogatást' használtakNoé áradásaakövületrekord. Ezzel hallgatólagosan tudomásul veszik, hogy egy irányítatlan mechanikus folyamat rendellenességet képes előállítani, és ellentmondanak a termodinamika második törvényének naiv változatának.

Megfordítható az entrópia?

ELÉRHETETLEN ADATOK A JELENTŐ VÁLASZOKHOZ

De komolyan, ahogy fentebb említettüktechnikailaglehetséges az entrópia spontán csökkenése, mivel ez statisztikai törvény, és nem törhetetlen természeti törvény. Az ilyen megfordulások várhatóan többnyire kis léptékben fordulnak elő, és elég ritkák lesznek ahhoz, hogy a világegyetem jelenlegi életkorának legalább több százezerszerese időtartam alatt történjenek meg ... de az örökkévalóság pokolian hosszú idő, és amikor az univerzum elég alacsony energiaállapotot ér el ahhoz, hogy a kvantumhatások nagy léptékű hatást fejtsenek ki, egyetlen kvantumingadozás elegendő lehet egy új Nagy Bumm elindításához (kb. 10 ^ 10 ^ 56 év alatt, ami pokolian sok idő) ).

Források

  • Fizika a tudósok és mérnökök számára(6. kiadás) Raymond A. Serway és John W. Jewett, Jr.

Utolsó Hír

Facebook   twitter