Второй закон термодинамики и невозможность создания вечного двигателя второго рода

Второй закон термодинамики и невозможность создания вечного двигателя второго рода

Согласно первому закону термодинамики, могут протекать только такие процессы, при которых полная энергия системы остается постоянной. Например, превращение тепловой энергии полностью в механическую не связано с нарушением первого закона термодинамики, но, тем не менее, оно невозможно. Второй закон термодинамики еще больше ограничивает возможности процессов превращения.

Второй закон термодинамики утверждает, что не может быть создан вечный двигатель второго рода, который бы производил работу за счет тепла окружающей среды, без каких-либо изменений в окружающих телах. То есть в природе не может быть процессов, единственным результатом которых было бы превращение теплоты в работу. Этот закон утверждает, что во всех явлениях природы теплота сама переходит от более нагретых тел к менее нагретым. Если система замкнута и невозможны никакие ее самопроизвольные превращения, то энтропия достигает максимума. Состояние с наибольшей энтропией соответствует статическому равновесию. Энтропия является мерой вероятности осуществления данного термодинамического состояния или мерой отклонения системы от статического равновесия.

Второй закон термодинамики можно сформулировать как закон, согласно которому энтропия теплоизолированной системы будет увеличиваться при необратимых процессах или оставаться постоянной, если процессы обратимы. Это положение касается только изолированных систем.

Второй закон термодинамики говорит о том, что в замкнутой системе при отсутствии каких-либо процессов не может сама по себе возникнуть разность температур, т.е. теплота не может самопроизвольно перейти от более холодных частей к более горячим.

Согласно второму закону термодинамики, любые замкнутые системы должны перейти в более вероятное состояние, характеризуемое термодинамическим равновесием с наименьшей свободной энергией и с наибольшей величиной энтропии. Поэтому явление спонтанного перехода вещества из симметричного состояния в асимметричное, сопровождаемое повышением упорядоченности и энергетического уровня системы и понижением ее энтропии, кажется просто нереальным. Однако трудности термодинамического характера в вопросе происхождения жизни до сих пор не определены. Решения пока нет.

Существует точка зрения, что второй закон термодинамики не применим к живым системам, так как они не являются замкнутыми системами. Живые системы — это открытые системы. Энтропия живых молекул весьма низка и имеет тенденцию к понижению. Этот факт сегодня является общепризнанным, а ее асимметрия не есть состояние нарушения равновесия, отсутствия структурности или беспорядка, а есть состояние динамического равновесия и упорядоченности, более сложной структурности и более высокого энергетического уровня. Это то самое крайне маловероятное состояние, которое заставляет усомниться в абсолютности знания. Возрастание энтропии и говорит о необходимости поиска новой физической теории или биологической закономерности, описывающей это состояние.

ПРИНЦИП МИНИМУМА ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ

В мировом процессе развития принцип минимума диссипации энергии играет особую роль. Суть его: если допустимо не единственное состояние системы, а целая совокупность состояний, согласных с законами сохранения и принципами, а также связями, наложенными на систему, то реализуется то состояние, которому соответствует минимальное рассеивание энергии, или, что то же самое, минимальный рост энтропии.

Принцип минимума диссипации энергии является частным случаем более общего принципа «экономии энтропии».

В природе все время возникают структуры, в которых энтропия не только не растет, но и локально уменьшается. Этим свойством обладают многие открытые системы, в том числе и живые, где за счет притока извне вещества и энергии возникают так называемые квазистационарные (стабильные) состояния.

По мере развертывания научно-технического прогресса, истощения природных ресурсов возникает тенденция к экономному расходованию этих ресурсов, возникновению безотходных технологий, развитию производства, требующего небольших энергозатрат и материалов.

Если говорить об иерархии принципов отбора, то он играет роль как бы завершающего, замыкающего принципа: когда другие принципы не выделяют единственного устойчивого состояния, а определяют целое их множество, то этот принцип служит дополнительным принципом отбора. Проблема экономии энтропии, этой меры разрушения организации и необратимого рассеяния энергии, решается в мире живой природы. Существует теорема о минимуме воспроизводства энтропии, которая утверждает, что производство энтропии системой, находящейся в стационарном состоянии, достаточно близком к равновесному состоянию, минимально. Этот принцип можно рассматривать в качестве универсального. В живом веществе он проявляется не как закон, а как тенденция. В живой природе противоречие между тенденцией к локальной стабильности и стремлением в максимальной степени использовать внешнюю энергию и материю является одним из важнейших факторов создания новых форм организации материального мира.

Редукционизм — стремление свести объяснение сложного через более простое. Это есть некоторый своеобразный образ мышления, и он пронизывает все науки, в разной степени, но все. Он позволяет изучать явления самой различной физической природы. Часть физиков глубоко убеждены, что все свойства микромира уже закодированы в моделях микромира. Редукционизм как особенность мышления возник, вероятно, в процессе эволюции, однако прививается человеку в процессе обучения.

Модельные конструкции физиков — это и есть редукционизм. Он породил своеобразный метод, анализа, позволяющий связывать надежными логическими переходами различные этажи этого здания моделей, которое выстраивается физикой. Он позволяет изучить сложные явления самой различной физической природы. Однако было бы ошибкой считать, что он является универсальным и любые сложные явления могут быть познаны с помощью расчленения их на части и исследования их отдельных составляющих.

Явление редукционизма достаточно глубоко проникло в различные области естествознания. Б. Рассел сказал однажды, что, как это ни удивительно, но все свойства живого существа можно предсказать однажды, ибо они однозначно определяются особенностями электронных оболочек атомов, в него входящих.

В современной науке кроме принципа верификации, который утверждает, что если какое-либо понятие или суждение сводимо к непосредственному опыту, т.е. эмпирически проверяемо, то оно имеет смысл, Работает принцип фальсификации, сформулированный К.Р. Поппером. В соответствие с этим принципом научным считается только принципиально —

Основные понятия:

· Закон – внутренняя причина, устойчивая связь между явлениями и свойствами различных объектов, отражающая отношения между объектами.

· Научная теория– это совокупность нескольких законов, относящихся к одной области познания.

· Знание – проверенный практикой результат познания окружающего мира; обобщенное отражение действительности в мышлении человека.

· Эксперимент– научно поставленный опыт, с помощью которого объект или воспроизводится искусственно, или ставится в точно учитываемые условия, что дает возможность изучать их влияние на объект в «чистом виде». В отличие от наблюдения эксперимент характеризуется вмешательством исследователя в положение изучаемых объектов благодаря активному воздействию на предмет исследования.

· Метод– это совокупность действий, призванных помочь достижению желаемого результата. Выделяют эмпирические и теоретические методы.

· Энтропия(греч. поворот, превращение) – мера беспорядка в системе, которая является функцией состояния системы. Она характеризует обесценивание энергии в изолированной системе из-за превращения всех видов энергии в тепло, равномерно распределенное между элементами изолированной системы.

· Флуктуация– случайное отклонение системы от некоторого среднего состояния.

· Диссипация (лат. «dissipatio» — рассеивание) энергии – переход энергии упорядоченного движения в энергию хаотического движения.

Вечный двигатель с точки зрения термодинамики

Вы будете перенаправлены на Автор24

Вечный двигатель в физике считается воображаемым и неограниченно долго действующим устройством, позволяющим получать в большем количестве (в сравнении с количеством сообщенной ему извне энергии) полезную работу (речь идет о вечном двигателе первого рода).

Рисунок 1. Схема вечного двигателя. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Также при нем возможно получение тепла от одного резервуара и достижение полного превращения его в работу (вечный двигатель второго рода).

Понятие и разновидности вечного двигателя

В физике выделяют два типа вечного двигателя:

1. Вечный двигатель первого рода (действующее неограниченно долго устройство, которое может обладать способностью бесконечного совершения работы. При этом исключаются затраты топлива или других энергоресурсов. Согласно закону сохранения энергии, каждая попытка создания такого вида обречена на неуспех. Невозможность реализации такой попытки выступает постулатом о первом начале термодинамике.
2. Вечный двигатель второго рода теоретически представляет собой неограниченно долго действующую машину, которая, будучи на ходу, оказывалась бы способной превращать в работу абсолютно все тепло, которое извлекалось бы из окружающих тел. Невозможность появления вечного двигателя второго рода выступает постулатом в формате одной из формулировок второго начала термодинамики.

Эти два начала термодинамики вводились в формате постулатов после неоднократных подтверждений в экспериментальных смыслах невозможности появления вечных двигателей. Из них, в свою очередь, были выведены многие физические теории, протестированные большим числом наблюдений и экспериментов, что не оставляет ученым каких-либо сомнений в верности таких постулатов.

Готовые работы на аналогичную тему

В частности, второе начало термодинамики может формулироваться в форме одного из следующих (эквивалентных) постулатов:

• постулат Кельвина (исключается вероятность создания периодически действующей машины, способной к совершению механической работы только лишь посредством охлаждения теплового резервуара);
• постулат Клаузиуса (заключенный в невозможности самопроизвольного перехода теплоты от более холодных тел к более горячим).

История возникновения идеи создания вечного двигателя

Рисунок 2. Изображение вечного двигателя. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Попытки исследовать место, причины и время возможного возникновения идеи вечного двигателя представляют весьма сложную задачу. Также довольно затруднительным становится попытка назвать первого автора данной идеи.

К наиболее ранним сведениям о вечном двигателе ученые относят упоминание, которое можно встретить у индийского астронома Бхаскары, также отдельные заметки встречаются в арабских рукописях XVI в., которые сохраняются в Оксфорде, Лейдене, Готе.

На сегодня в качестве прародины первых вечных двигателей по праву выступает Индия. Так, Бхаскара в своих произведениях описывает колесо с прикрепленными по ободу наискосок длинными и узкими сосудами, заполненными наполовину ртутью. Принцип действия такого механического двигателя базировался на разнице моментов сил тяжести, формируемых жидкостью, способной перемещаться в сосудах, помещенных на окружность колеса.

Бхаскара обосновывает процесс вращения колеса достаточно просто: «наполненное подобным образом жидкостью колесо, являясь насаженным на ось, что лежит на двух неподвижных опорах, непрерывно вращается независимым образом».

Первые проекты вечного двигателя на территории Европы соотносятся с эпохой активного развития механики (примерно к XIII в.) К XVI—XVII векам идея вероятного появления вечного двигателя обрела статус особенно широкого распространения.

В этот временной период наблюдался быстрый рост количества проектов вечных двигателей, подаваемых для рассмотрения в патентные ведомства европейских стран (так в числе рисунков Л. Да Винчи была обнаружена гравюра с нанесением чертежа вечного двигателя).

Причины невозможности создания вечного двигателя с точки зрения термодинамики

Рисунок 3. Невозможность вечного двигателя. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Первый закон термодинамики считается законом энергетического сохранения, согласно ему, энергия не может быть ни созданной, ни уничтоженной, она является просто переходящей из одного формата в другой.

С целью содержания механизма в постоянном движении, приложенная энергия обязана сохраняться в подобном механизме, исключая какие-либо потери. Именно эта причина исключает вероятность создания вечного двигателя.

С целью возможности построения вечного двигателя (при теоретическом допущении) важно соблюдение нескольких условий.

У машины должны отсутствовать какие-либо «трущиеся» части, то есть любые движущиеся части не должны прикасаться к другим, поскольку это допускает вероятность трения, которое может спровоцировать потерю энергии машиной.

В условиях соприкосновения частей, появляется тепло, которое и будет являться энергией, потерянной машиной. При этом ученые исключают существование идеально гладких объектов.

Машина должна функционировать в безвоздушном вакууме, что диктуется первым условием. Ее эксплуатация в любом месте спровоцирует потерю энергии по причине трения между движущимися частями и воздухом. Несмотря на незначительность энергопотерь из-за трения воздуха, в случае с вечным двигателем, это представит серьезную проблему.

Так, даже при существовании минимальных энергопотерь, машина станет замедляться и в конечном итоге, остановится совсем даже по прошествии большого количества времени. Машина также не должна издавать каких-либо звуков, поскольку звук также представляет форму энергии, а появление звука будет означать, что она также фактически потеряла энергию.

Двигатели второго рода, задействующие теплоту окружающих тел, не станут противоречием закону сохранения энергии. Но подобные нехитрые конструкции оказываются бессильными перед вторым началом термодинамики: в рамках замкнутой системы самопроизвольный переход теплоты оказывается невозможным (от более холодных тел к горячим). Для этого требуется некий посредник. А для его работы понадобится энергия из внешнего источника.

Но самое интересное, что создание вечного двигателя может превратиться в бессмысленную идею. Ученые рассчитывают на возможность получения бесплатного источника энергии таким образом, однако, в действительности, будет получено столько энергии, сколько изначально было направлено в такой двигатель.

В МФТИ создают «локальный» вечный двигатель второго рода

Создан двигатель в котором локально нарушается второе начало термодинамики.

Физики из МФТИ выяснили, как создать «локальный» вечный двигатель второго рода — квантовое устройство, в котором не соблюдается второе начало термодинамики и КПД которого может достигать 100%. Однако второе начало в нём нарушается только локально, в рамках системы в целом законы физики остаются незыблемыми.

Второй закон термодинамики гласит, что тепловая энергия не может переходить от менее горячих объектов к более горячим, или, в иной формулировке — величина энтропии (степени неупорядоченности) в замкнутой системе либо растёт, либо остаётся постоянной. Согласно ещё одной формулировке закона, КПД тепловой машины никогда не может достигать 100%, иными словами, невозможен вечный двигатель второго рода.

«Любой тепловой двигатель состоит из нагревателя, который собственно и является источником энергии, и холодильника, задача которого состоит в охлаждении рабочего тела двигателя. Холодильник понижает энтропию двигателя и при этом неизбежно тратит впустую часть тепловой энергии, полученной от нагревателя. Именно поэтому КПД теплового двигателя никогда не достигает 100%», — поясняет ведущий автор исследования Андрей Лебедев, сотрудник Технического университета Цюриха и МФТИ.

Ранее группа под руководством ведущего научного сотрудника Лаборатории квантовой теории информации МФТИ и Института теоретической физики имени Л. Д. Ландау РАН Гордея Лесовика, пытаясь доказать справедливость второго закона термодинамики для квантовых систем, обнаружила, что в квантовом мире он может при определённых условиях нарушаться.

Оказалось, что в квантовых системах относительно небольшого, но макроскопического размера — сантиметры и даже метры (в линейном измерении) — энтропия может снижаться, но этот процесс происходит без передачи тепловой энергии, за счёт явления квантовой запутанности.

В новой статье, опубликованной в журнале Physics Review A, Лебедев, Лесовик и их коллеги из Цюриха описали квантовую тепловую машину, КПД которой может достигать 100%. Она состоит из нескольких квантовых элементов — кубитов, которые могут находиться в состоянии квантовой запутанности друг с другом. Один из кубитов поглощает тепло, но в силу его квантовой природы эту энергию можно использовать только с вероятностью 50%. Чтобы извлекать энергию с вероятностью 100%, нужно снизить его энтропию, сделать это состояние «чистым» (в терминологии квантовой механики). Эту задачу решает вспомогательный чистый кубит, который обменивается своим квантовым состоянием с термализованным «грязным» состоянием рабочего кубита. Важно, что при этом передачи энергии между двумя кубитами не происходит.

«Можно сказать, что избыточная энтропия телепортируется из системы наружу во вспомогательный кубит, который играет роль квантового «демона Максвелла»», — говорит Лесовик.

После «вычищения» рабочего кубита оказывается, что собрать энергию с вероятностью 100% в одном кубите — это всё ещё непростая задача. Чтобы её решить, пришлось вдвое увеличить число рабочих элементов — кубитов.

«Финальная часть цикла — «демонские» (их, кстати, по смыслу можно назвать скорее «ангельскими» — за их очистительно-информационную деятельность) кубиты нужно почистить обычным образом, с затратой энергии, но это происходит вдали от системы. Важно подчеркнуть, что на этой стадии в объёме, заключающем в себе и систему и «демона/ангела», справедливость второго закона восстанавливается», — говорит Лесовик.

Сейчас группа занимается детальной разработкой установки для экспериментальной проверки своей теории на базе сверхпроводящих кубитов — трансмонов. опубликовано econet.ru

Понравилась статья? Напишите свое мнение в комментариях.
Подпишитесь на наш ФБ:

Почему невозможно создать вечный двигатель первого или второго рода

Все мы знаем, почему невозможно создать вечный двигатель, но это не мешает изобретателям придумывать новые способы достижения этой мечты.

Никакое устройство не может выработать больше энергии чем ему сообщено – поэтому невозможно создать вечный двигатель.

Патентные ведомства различных стран, например, выдали несколько патентов на вечный двигатель в недавней истории, вопреки своей давней политике. Возможно, одной из причин этого является то, что изобретатели становятся все более изощренные.

Несбалансированные колеса и магниты уступают место голограммам, заставляя ученых устанавливать связи между полями, которые иначе не были бы созданы. Теория вечного движения, которая стремится оправдать бесконечную эксергию (предельное значение), а не бесконечную энергию, появилась, и кажется, что новые законы термодинамики должны быть утверждены, чтобы запретить это. Не важно какие технологии будут в будущем , но такая машина невозможна.

В этой статье исследуется не только “наука”, стоящая за вечным двигателем, но и психологические и философские основы почему невозможно создать вечный двигатель.

История вечного двигателя

Мечта о вечном движении преследовалась с тех пор, пока человек был способен контролировать огонь.

Еще в VI веке до нашей эры греки мечтали о неугасимом огне, который не нужно было бы постоянно подпитывать трудом и тяжелой работой. Они превратили этот сон в миф о Прометее, который осмелился украсть этот огонь у самого Зевса. Поскольку бесконечное движение планет по их орбитам (будь то вокруг Земли или вокруг Солнца нематериально) люди стали задумываться. Они предположили, что, возможно, это может быть связано с чем-то физическим на земле, и, следовательно, больше не потребует команд рабов, чтобы поддерживать движение. Сегодня мы знаем, что это была не такая уж надуманная мечта, так как именно это делают приливные электростанции.

Древний ум, по-видимому, не питал отвращения к понятию вечного движения:

• Аристотель, например, представлял себе вечный двигатель “primum movens”, который дает силу для поддержания движения Вселенной, не нуждаясь, в свою очередь, ни в чем другом. Это состояние продолжалось на протяжении всего Средневековья.
• Коперник, по-видимому, принял эту концепцию как источник движения планет, хотя и не обязательно как первичный двигатель всего сущего.
• Средневековое богословие и св. Фома Аквинский, в частности, присвоил понятие вечного двигателя как атрибут самого Бога. Это, однако, не означает, что машины, реализующие эти идеи, находились в активном развитии, поскольку потребности в энергии того времени были довольно скромными.
• Мы должны прийти к началу XVI века и алхимику Антонию Зимаре, чтобы найти теоретическую попытку разработать такую машину, заставив ветряную мельницу приводить в движение мехи, которые создают ветер, движущий саму ветряную мельницу.

Виды вечных двигателей

По мере того как Возрождение постепенно уступало место просвещению, множились предложения о вечных двигателях. Эти машины можно грубо разделить на три группы, в зависимости от физического принципа, который предположительно используется:

1. Вода бежит в гору (или воздух дует против ветра).
2. Неуравновешенные колеса и маятники.
3. Магнитные машины.

Эти три вида вечных двигателей соответствуют силам, которые были известны в то время, прежде чем они были определены, и подлежат исчислению (которое еще не придумали).

• Машины первой группы предполагали, что водяное колесо может производить достаточно энергии для работы насосов, которые, в свою очередь, поднимут воду до ее первоначальной высоты.
• Представители второй группы использовали тот факт, что баланс будет смещаться, если на одну пластину положить больше веса, чем на другую; трюк состоял в том, чтобы ловко перемещать гири между пластинами, подобно тому, как персонаж мультфильма избегает столкновения с землей, выходя из падающего лифта в самый последний момент.
• Наконец, таинственная способность магнитов притягивать или отталкивать другие тела, часто действующие против гравитации, была слишком соблазнительной, чтобы ее можно было оставить в покое.

Почему люди продолжают изобретать несмотря на то почему невозможно создать вечный двигатель и после того, как наука приняла законы, запрещающие их?

Первый и второй род вечных двигателей

Проведем обзор физики в том виде, в каком мы знаем ее сегодня. Есть два рода вечных двигателей, ни один из которых не может работать так, как задумали их создатели.

Первый род

1. Они движутся, производя больше энергии, чем потребляют. К этой категории относятся все средневековые машины и все машины эпохи Ренессанса. Они не могут работать из-за принципа сохранения энергии, известный также как Первый закон термодинамики, который гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена.

Второй род

1. Тела движутся путем преобразования тепла, которое составляет тепловое состояние их окружения, полностью преобразовываясь в потенциальную энергию в консервативном поле (таким образом, соблюдая Первый закон) или его эквивалент. Им мешает работать Второй закон термодинамики, который гласит, что для преобразования энергии этого типа в другой тип должна существовать разность температур.

Покорно подчиняясь этим законам, которые постепенно были сформулированы на протяжении XIX века в трудах Карно, Джоуля и других, патентные ведомства во всем мире вскоре начали требовать доказательств работы, обычно через рабочий прототип, всякий раз, когда изобретатель хотел получить патент на вечный двигатель первого или второго рода. Это было необходимо, так как огромные потребности промышленной революции в энергии породили орду потенциальных вечных двигателей, которые обещали неограниченную свободную власть для поддержки этой революции. Поскольку эти машины были запрещены законами физики, изобретатели таких машин считались виновными в мошенничестве, если не доказывали обратное.

Некоторые из них достигли некоторой известности, как Джон У. Кили, изобретатель нескольких машин, противоречащих либо первому, либо Второму Законам, либо изобретатель шахматного “автомата” под названием Турок, который играл в шахматы, никогда не требуя источника питания (кроме маленького человека, скрытого внутри машины).

На патентные ведомства возложена задача предоставления ограниченных монополий лицам, внесшим вклад в благосостояние общества путем полного раскрытия новых, полезных и неочевидных методов или машин. Патентные эксперты обычно верят изобретателям относительно полезности идей, которые они хотят запатентовать, но они проводят черту, когда эти идеи не могут работать, как утверждают их изобретатели, потому что они нарушают физический закон.

Таким образом, патентные ведомства стран имеют внутреннее правило, действующее вскоре после инцидентов, требующих рабочего прототипа для вечных машин первого и второго типов (похоже, что машины для путешествий во времени и антигравитации все еще могут быть запатентованы не показывая рабочий прототип).

Они делают это не потому, что невозможно создать вечный двигатель, а это свидетельствует о полезности устройства или даже великих изобретений человечества, если действительно запатентованное устройство может как-то работать.