II-ой закон термодинамики или «Тепловая смерть Вселенной»

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Государственной образовательное учреждение высшего  профессионального образования

Ивановский  государственный  химико-технологический  университет 

Кафедра Технологии пищевых продуктов и биотехнологии (ТППиБТ) 
 
 
 
 
 
 

Реферат 

по дисциплине «Техническая термодинамика и теплотехника» 

II-ой закон термодинамики или «Тепловая смерть Вселенной» 
 
 
 
 
 
 
 

                                                                                       Выполнил:

                                                                              студент 3 курса

                                                                              группы 29

                                                                              Ивлев Павел Андреевич 

                                                                              Руководитель:

                                                                              к т н, доцент, кафедры ПиАХТ  

                                                                              Маркичев Николай Аркадьевич 
 
 
 
 
 
 

   Иваново 2010 г.

   Содержание:

Введение__________________________________________________________________ 3

Часть 1. Второй закон термодинамики.

1.1.  Второй закон термодинамики. Характеристика и формулировка._______________4

Часть 2. Энтропия

2.1. Понятие энтропии.______________________________________________________5

2.2. Закон возрастания энтропии. Вывод закона возрастания энтропии.______________5

2.3  Возможность энтропии во Вселенной.______________________________________6

Часть 3. Теория «тепловой смерти» Вселенной

3.1. Появление идеи Теории «тепловой смерти» Вселенной._______________________8

3.2. Взгляд на Теорию «тепловой смерти» Вселенной из ХХ века.__________________9

3.3 «За» и «против» Теории «тепловой смерти» Вселенной_______________________10

Заключение_______________________________________________________________16

Список, использованной в работе литературы __________________________________17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение:

     В данной работе поднимаеться проблема о будущем нашей Вселенной. О будущем очень далеком, настолько, что неизвестно, наступит ли оно вообще. Жизнь и развитие науки существенно меняют наши представления и о Вселенной, и об ее эволюции, и о законах, управляющих этой эволюцией. В самом деле, существование черных дыр было предсказано еще в XVIII веке. Но лишь во второй половине XX столетия их стали рассматривать как гравитационные могилы массивных звезд и как места, куда может навечно «провалиться» значительная часть вещества, доступного наблюдениям, выбывая из общего круговорота. А позже стало известно, что черные дыры испаряются и, таким образом, возвращают поглощенное, хотя совсем в другом обличие. Новые идеи постоянно высказываются космофизиками. Поэтому картины, нарисованные еще совсем недавно, неожиданно оказываются устаревшими.

     Одним из наиболее дискуссионных вот уже  около 100 лет является вопрос о возможности  достижения равновесного состояния  во Вселенной, что эквивалентно понятию ее «тепловой смерти», причиной которой являеться Второй закон термодинамики и истекающие из него выводы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Часть1. Второй закон термодинамики

1. Второй закон термодинамики. Характеристика и формулировка:

Естественные  процессы всегда направлены в сторону  достижения системой равновесного состояния (механического, термического или любого другого). Это явление отражено вторым  законом термодинамики, имеющим большое значение и для анализа работы теплоэнергетических поцессов.

Второе  начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение  на направление процессов передачи тепла между телами. Он гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.

       Второе  начало термодинамики запрещает  так называемые вечные двигатели  второго рода, показывая невозможность перехода всей внутренней энергии системы в полезную работу.

       Второе  начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения  опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

       Существуют  формулировоки:

- передача теплоты от холодного источника к горячему невозможна без затраты работы;

- невозможно построить  периодически действующую  машину, совершающую работу и соответственно охлаждающую тепловой резервуар;

- природа стремится к переходу от менее вероятных состояний к более вероятным.

Следует подчеркнуть, что второй закон термодинамики (так же как и первый), сформулирован  на основе опыта. В наиболее общем  виде второй закон термодинамики  может быть сформулирован следующим образом: любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым. Все прочие формулировки второго закона являются частными случаями наиболее общей формулировки: 

невозможен  процесс, при котором  теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более теплым (постулат Клаузиуса, 1850 г.). 

В.Томсон (лорд Кельвин) предложил в 1851 г. следующую  формулировку: невозможно при помощи неодушевленного материального агента получить от какой-либо массы вещества механическую работу посредством охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов. 

М.Планк  предложил формулировку более четкую, чем формулировка Томсона: невозможно построить периодически действующую машину, все действие которой сводилось бы к понятию некоторого груза и охлаждению теплового источника. 
 
 

Часть 2. Энтропия

2.1 Понятие энтропии.

Несоответствие  между превращением теплоты в  работу и работы в теплоту приводит к односторонней направленности  реальных процессов в природе, что и отражает физический смысл второго начала термодинамики в законе о существовании и возрастании в реальных процессах некой функции, названной энтропией, определяющей меру обесценения энергии.

Часто второе начало термодинамики преподносится  как объединенный принцип существования  и возрастания энтропии.

Принцип существования энтропии формулируется как математическое выражение энтропии термодинамических систем в условиях обратимого течения процессов:

.

Принцип возрастания энтропии сводится к утверждению, что энтропия изолированных  систем неизменно возрастает при всяком изменении их состояния и остается постоянной лишь при обратимом течении процессов:

.

Оба вывода о существовании и возрастании  энтропии получаются на основе какого-либо постулата, отражающего необратимость реальных процессов в природе. Наиболее часто в доказательстве объединенного принципа существования  и возрастания энтропии используют постулаты Р.Клаузиуса, В.Томпсона-Кельвина, М. Планка 

2.2. Закон возрастания  энтропии. Вывод закона возрастания энтропии. 

Применим  неравенство Клаузиуса для описания необратимого кругового термодинамического процесса, изображенного на рис 1.

  
 

Рисунок 1. Необратимый круговой термодинамический процесс

 

Пусть процесс 1-2 будет необратимым, а  2-1 процесс  - обратимым. Тогда неравенство Клаузиуса для этого случая примет вид

     

Так как  процесс 2-1  является обратимым, тогда

Подстановка этой формулы в неравенство (1) позволяет получить выражение

Сравнение выражений (1) и (2) позволяет записать следующее неравенство

 в котором  знак равенства имеет место  в случае, если процесс 1-2 является обратимым, а знак больше, если процесс 1-2 - необратимый.

Неравенство (3) может быть также записано и в  дифференциальной форме

Если  рассмотреть адиабатически изолированную  термодинамическую систему, для которой, то выражение (4) примет вид

или в  интегральной форме

       .   

     Полученные неравенства выражают собой закон возрастания энтропии, который можно сформулировать следующим образом:

     В  адиабатически изолированной термодинамической  системе энтропия не может  убывать: она или сохраняется, если в системе происходят только обратимые процессы, или возрастает, если в системе протекает хотя бы один необратимый процесс.

Записанное утверждение  является ещё одной формулировкой  второго начала термодинамики. 

2.3 Возможность энтропии во Вселенной

  

В адиабтически изолированной термодинамической  системе энтропия не может убывать: она или сохраняется, если в системе  происходят только обратимые процессы, или возрастает, если в системе  протекает хотя бы один необратимый  процесс.

     Записанное утверждение является  ещё одной формулировкой второго  начала термодинамики.

     Таким образом, изолированная  термодинамическая система стремится  к максимальному значению энтропии, при котором наступает состояние  термодинамического равновесия.

     Необходимо отметить, что если  система не является изолированной,  то в ней возможно уменьшение  энтропии. Примером такой системы  может служить, например, обычный  холодильник, внутри которого  возможно уменьшение энтропии. Но  для таких открытых систем это локальное понижение энтропии всегда компенсируется возрастанием энтропии в окружающей среде, которое превосходит локальное ее уменьшение.

     С законом возрастания энтропии  непосредственно связан парадокс, сформулированный в 1852 году Томсоном (лордом Кельвином) и названый им гипотезой тепловой смерти Вселенной. Подробный анализ этой гипотезы был выполнен Клаузиусом, который считал правомерным распространение на всю Вселенную закона возрастания энтропии. Действительно, если рассмотреть Вселенную как адиабатически изолированную термодинамическую систему, то, учитывая ее бесконечный возраст, на основании закона возрастания энтропии можно сделать вывод о достижении ею максимума энтропии, то есть состояния термодинамического равновесия. Но в реально окружающей нас Вселенной этого не наблюдается.