Теория «тепловой смерти» Вселенной. Тепловая смерть

Пришла пора разобраться со вторым фундаментальным постулатом термодинамики, которое именуется . Второе начало не является доказуемым в рамках классической термодинамики. Его формулировки – результат обобщения опытов, наблюдений и экспериментов. Расскажем Вам о нем кратко и понятно.

В прошлой статье по термодинамике мы говорили о термодинамических системах, состоящих из большого числа частиц. Для описания подобных систем используются так называемые функции состояния .

Термодинамическая функция состояния (или термодинамический потенциал) – это функция, зависящая от нескольких независимых параметров, определяющих состояние системы. Чтобы было понятнее, приведем пример. Одна из функций состояния системы – это ее внутренняя энергия. Она не зависит от того, как именно система оказалось в данном состоянии

Еще одно понятие, с которым нужно познакомиться – это энтропия . Для понимания второго начала термодинамики энтропия очень важна. А еще это красивое слово, которое многих ставит в ступор и которым можно блеснуть в компании.

В самом общем случае, энтропия – мера хаотичности некоторой системы

Простой пример : представим, что у вас есть ящик с носками. Если все носки в ящике разбросаны и валяются вперемешку и по одному, энтропия такой системы максимальна. А если носки собраны по парам и лежат аккуратненько в рядок - минимальна.

В термодинамике, энтропия – это функция состояния термодинамической системы, которая определяет меру необратимого рассеивания энергии. Что это значит? Это значит, что какая-то часть внутренней энергии системы не может перейти в совершаемую системой механическую работу. Например, процесс преобразования теплоты в механическую работу всегда сопровождается потерями, в результате которых теплота трансформируется в другие виды энергии.

При необратимых термодинамических процессах увеличивается, а при обратимых – остается постоянной. Математическая запись энтропии (S):

Здесь дельта Q – количество теплоты, подведенное или отведенное от системы, T – температура системы, dS – изменение энтропии.

Существует несколько различных формулировок второго начала термодинамики, и вот одна из них:

Энтропия замкнутой системы возрастает при любых необратимых процессах в этой системе

Так как нас интересует именно понимание сути вещей, приведем еще одно самое простое определение:

К слову, данная формулировка второго начала термодинамики принадлежит Рудольфу Клаузиусу, который и ввел в обиход понятие энтропии .

И снова вечный двигатель

После разочарования с идеей вечного двигателя первого рода люди и не думали сдаваться. Через какое-то время был придуман вечный двигатель второго рода, работа которого основывалась на передаче тепла и не перечила закону сохранения энергии. Такой двигатель преобразует все тепло, полученное от окружающих тел, в работу. Например, в качестве его реализации предполагалось путем охлаждения океана получить огромное количество теплоты. Но к счастью до охлаждения океана и заморозки рыб дело не дошло, т.к. данная идея противоречит второму началу динамики. КПД любой машины не может быть равен единице, также как тепло не может быть преобразовано в работу полностью. Так что сколько ни старайтесь, а вечный двигатель второго рода создать невозможно, так же как и вечный двигатель первого рода.

Тепловая смерть Вселенной

После введения Рудольфом Клаузиусом понятия энтропии в 1865 году возникло множество споров, домыслов и теорий, связанных с этим понятием. Одна из них – гипотеза о тепловой смерти Вселенной , сформулированная самим Клаузиусом на основе второго начала термодинамики.

Данная теория, сформулированная Клаузиусом, гласит, что Вселенная, как любая замкнутая система, стремится к состоянию термодинамического равновесия, характеризующемуся максимальной энтропией и полным отсутствием макроскопических процессов, что в свою очередь обессмысливает привычное нам понятие времени. По Клаузиусу: «Энергия мира остается постоянной. Энтропия мира стремиться к максимуму» . Это означает, что когда Вселенная придет в состояние термодинамического равновесия, все процессы прекратятся и мир погрузиться в состояние «тепловой смерти». Температура в любой точке Вселенной будет одной и той же, более не будет каких-либо причин, способных вызвать возникновение каких бы то ни было процессов.

Концепция тепловой смерти вселенной еще в недалеком прошлом была довольно широко распространена и являлась предметом активных дискуссий. Так, в книге Джинса «Universe around us» (1932г.) можно найти следующие строки касательно тепловой смерти Вселенной: «Вселенная не может существовать вечно; рано или поздно должно наступить время, когда ее последний эрг энергии достигнет наивысшей степени на лестнице падающей полезности, и в этот момент активная жизнь Вселенной должна будет прекратиться» .

При выводе своей теории Клаузиус прибегал в своих рассуждениях к следующим экстраполяциям (приближениям):

Вселенная рассматривается как замкнутая система.
Эволюция мира может быть описана как смена его состояний.

Интересный факт : рассуждения о тепловой смерти позволили церкви заявить, что с научной точки зрения (в том числе и благодаря теории Клаузиуса) можно найти предпосылки, указывающие на существование бога. Так, в 1952 году на заседании «папской академии наук» папа Пий 12-й в своей речи сказал: «Закон энтропии, открытый Рудольфом Клаузиусом, дал нам уверенность, что спонтанные природные процессы всегда связаны с некоторой потерей свободной, могущей быть использованной энергии, откуда следует, что в замкнутой материальной системе в конце концов эти процессы в макроскопическом масштабе когда-то прекратятся. Эта печальная необходимость...красноречиво свидетельствует о существовании Необходимого Существа» .

Опровержение теории тепловой смерти Вселенной

Как уже отмечалось выше Клаузиусом, при выводе его теории применялись определенные экстраполяции. Сегодня несмотря на некоторые сложности можно с уверенностью сказать, что подобные выводы являются антинаучными. Дело в том, что существуют определенные границы применимости второго начала термодинамики: нижняя и верхняя . Так, второе начало термодинамики не может быть применено для описания микросистем, размеры которых сравнимы с размерами молекул, и для макросистем, состоящих из бесконечного числа частиц, т.е. для Вселенной в целом.

Собственно первым ученым, установившим статистическую природу второго начала термодинамики и противопоставившим теории тепловой смерти Вселенной так называемую флуктуационную гипотезу, был выдающийся физик-материалист Больцман. Имеет место формула Больцмана, позволяющая дать статистическое истолкование второму началу термодинамики

Здесь S – энтропия системы, k – постоянная Больцмана, P – термодинамическая вероятность состояния, определяющая число микросостояний системы, соответствующих данному макросостоянию. Согласно формуле Больцмана,

То есть термодинамическая вероятность состояния изолированной системы при всех происходящих в ней процессах не может убывать. Однако т.к. для систем, состоящих из бесконечного числа частиц, все состояния будут равновероятными, вышеописанное соотношение неприменимо ко Вселенной. В подобных системах имеют место значительные флуктуации (флуктуация – отклонение истинного значения некоторой величины от ее среднего значения), представляющие собой отклонения от второго начала термодинамики. Согласно Больцману, состояние термодинамического равновесия представляет собой лишь наиболее часто встречающееся и наиболее вероятное; наряду с этим в равновесной системе могут самопроизвольно возникнуть сколь угодно большие флуктуации. То есть во Вселенной, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, постоянно возникают флуктуации, причем одной такой флуктуацией является та область пространства, в которой находимся мы.

Современный подход безусловно отвергает теорию тепловой смерти Вселенной. Учитывая огромный возраст Вселенной и тот факт, что она не находится в состояние тепловой смерти, можно сделать вывод о том, что во Вселенной протекают процессы, препятствующие росту энтропии, т.е. процессы с отрицательной энтропией. Однако выводам Больцмана о том, что во Вселенной преобладает состояние термодинамического равновесия, все более противоречит растущий экспериментальный материал астрономии. Материя обладает никогда не утрачиваемой способностью к концентрации энергии и превращения одних форм движения в другие. Так, например, процесс образования из рассеянной материи звезд подчиняется определенным закономерностям и не может быть сведен исключительно к случайным флуктуациям распределения энергии во Вселенной.

Дорогие друзья! Сегодня мы по возможности выяснили, какой смысл имеет понятие энтропии для второго начала термодинамики, узнали, что вечный двигатель второго рода невозможен, а также порадовались, что тепловой смерти Вселенной все-таки не случится. Мы как всегда надеемся на то, что Вам понравилась наша статья, в которой мы старались рассказать о термодинамике просто, понятно и интересно. Желаем Вам успехов в учебе и напоминаем – подсказать, помочь, проконсультировать и взять часть Вашей нагрузки на себя всегда готовы . Учитесь и живите в свое удовольствие!

Тепловая смерть Вселенной («Теплова́я смерть» Вселе́нной,)

ошибочный вывод о том, что все виды энергии во Вселенной в конце концов должны перейти в энергию теплового движения, которая равномерно распределится по веществу Вселенной, после чего в ней прекратятся все макроскопические процессы.

Этот вывод был сформулирован Р. Клаузиус ом (1865) на основе второго начала термодинамики (См. Второе начало термодинамики). Согласно второму началу, любая физическая система, не обменивающаяся энергией с другими системами (для Вселенной в целом такой обмен, очевидно, исключен), стремится к наиболее вероятному равновесному состоянию - к так называемому состоянию с максимумом энтропии (См. Энтропия). Такое состояние соответствовало бы «Т. с.» В. Ещё до создания современной космологии (См. Космология) были сделаны многочисленные попытки опровергнуть вывод о «Т. с.» В. Наиболее известна из них флуктуационная гипотеза Л. Больцман а (1872), согласно которой Вселенная извечно пребывает в равновесном изотермическом состоянии, но по закону случая то в одном, то в другом её месте иногда происходят отклонения от этого состояния; они происходят тем реже, чем большую область захватывают и чем значительнее степень отклонения. Современной космологией установлено, что ошибочен не только вывод о «Т. с.» В., но ошибочны и ранние попытки его опровержения. Связано это с тем, что не принимались во внимание существенные физические факторы и прежде всего Тяготение . С учётом тяготения однородное изотермическое распределение вещества вовсе не является наиболее вероятным и не соответствует максимуму энтропии. Наблюдения показывают, что Вселенная резко нестационарна. Она расширяется, и почти однородное в начале расширения вещество в дальнейшем под действием сил тяготения распадается на отдельные объекты, образуются скопления галактик, галактики, звёзды, планеты. Все эти процессы естественны, идут с ростом энтропии и не требуют нарушения законов термодинамики. Они и в будущем с учётом тяготения не приведут к однородному изотермическому состоянию Вселенной - к «Т. с.» В. Вселенная всегда нестатична и непрерывно эволюционирует.

Лит.: Зельдович Я. Б., Новиков И. Д., Строение и эволюция Вселенной, М.,1975.

И. Д. Новиков.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Тепловая смерть Вселенной" в других словарях:

Гипотеза, выдвинутая Р. Клаузиусом (R. Clausius, 1865) как экстраполя ция второго начала термодинамики на всю Вселенную. Согласно Клаузиусу, энергия мира постоянна, энтропия мира стремится к максимуму. Т. е. Вселенная должна прийти в состояние… … Физическая энциклопедия

ТЕПЛОВАЯ СМЕРТЬ ВСЕЛЕННОЙ - ошибочный вывод, сделанный в XIX в. на основе второго начала термодинамики (см.), о том, что все виды энергии во Вселенной в конце концов должны перейти в энергию теплового движения, которая равномерно распределится по веществу Вселенной, после… … Большая политехническая энциклопедия

Уильям Томсон − в 1852 году выдвинул гипотезу о ТСВ Тепловая смерть термин, описывающий конечное состояние любой замкнутой термодинамической … Википедия

Уильям Томсон − в 1852 году открыл ТСВ Тепловая смерть термин, описывающий конечное состояние любой замкнутой термодинамической системы, и Вселенной в частности. При этом никакого направленного обмена энергией наблюдаться не будет, так как все… … Википедия

Гипотетич. состояние мира, к к рому якобы должно привести его развитие в результате превращения всех видов энергии в тепловую и равномерного распределения последней в пространстве; в таком случае Вселенная должна прийти в состояние однородного… … Философская энциклопедия

«Тепловая смерть Вселенной» - ошибочный вывод о том, что все виды энергии во Вселенной, в конце концов, должны перейти в энергию теплового движения, которая равномерно распределится по веществу Вселенной, после чего в ней прекратятся все макроскопические процессы. Этот вывод … Концепции современного естествознания. Словарь основных терминов

Ошибочный вывод о том, что все виды энергии во Вселенной в конце концов должны перейти в энергию теплового движения, к рая равномерно распределится по в ву Вселенной, после чего в ней прекратятся все макроскопич. процессы. Этот вывод был… … Физическая энциклопедия

Сценарий Большого сжатия Будущее Вселенной вопрос, рассматриваемый в рамках физической космологии. Различными научными теориями предсказано множество возможных вариантов будущего, среди которых есть мнения как об уничтожении, так и о… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Конец света (значения). Гибель человечества в представлении художника (см. также … Википедия

В космологии, Большое сжатие (англ. Big Crunch) один из возможных сценариев будущего Вселенной, в котором расширение Вселенной со временем меняется на сжатие и вселенная коллапсирует, в конце концов схлопываясь в сингулярность. Обзор … Википедия

Книги

Миры Ктулху , Лавкрафт Говард Филлипс. Проза Лавкрафта - идеальное отражение внутреннего мира человека в состоянии экзистенциального кризиса: космос холоден и безразличен, жизнь конечна, в словах и поступках нет никакого высшего…

Вряд ли среди широких слоёв населения проводились социологические опросы на тему: Чем вам интересны знания о Вселенной? Но весьма вероятно, что большинство обычных людей, которые не занимаются научными изысканиями, достижения современных учёных в области изучения Вселенной волнуют лишь в связи с одной проблемой - является ли наша Вселенная конечной и если да, то когда ожидать вселенской смерти? Однако подобные вопросы интересуют не только обывателей: вот уже почти полтора столетия споры на эту тему ведут и учёные, обсуждая теорию о тепловой смерти Вселенной.

Рост энергии ведёт к гибели?

На самом деле теория о тепловой смерти Вселенной логичным образом вытекает из термодинамики и рано или поздно должна была быть высказанной. Но она была высказана на раннем этапе современной науки, в середине XIX столетия. Суть её в том, чтобы вспомнить основные понятия и закономерности Вселенной и применить их к самой Вселенной и к происходящим в ней процессам. Итак, с точки зрения классической термодинамики можно рассматривать Вселенную как замкнутую термодинамическую систему, то есть систему, которая не обменивается энергией с другими системами.

Нет оснований полагать, рассуждают сторонники теории тепловой смерти, что Вселенная может обмениваться энергией с какой-либо внешней по отношению к ней системой, так как не существует доказательств, что есть ещё что-либо, помимо Вселенной. Тогда к Вселенной, как к любой замкнутой термодинамической системе, применимо второе начало термодинамики, являющееся одним из основных постулатов современного научного мировоззрения. Второе начало термодинамики гласит, что замкнутые термодинамические системы стремятся к наиболее вероятному равновесному состоянию, то есть к состоянию с максимальной энтропией. В случае с Вселенной это означает, что при отсутствии «каналов вывода» энергии наиболее вероятное равновесное состояние, это состояние превращение всех видов энергии в тепловую. А это означает равномерное распределение тепловой энергии по всей материи, после чего все известные макроскопические процессы во Вселенной прекратятся, Вселенная как будто будет парализована, что, разумеется, приведёт и к прекращению жизни.

Вселенная не так проста, чтобы умирать тепловой смертью

Однако расхожее мнение о том, что все учёные пессимисты и склонны рассматривать лишь самые неблагоприятные варианты, несправедливо. Как только теория тепловой смерти Вселенной была сформулирована, в научном сообществе сразу начались поиски аргументов для её опровержения. И аргументы были найдены в большом количестве. Прежде всего, и самым первым из них было мнение, что Вселенную нельзя рассматривать как систему, которая способна находиться в равновесном состоянии постоянно. Даже учитывая второе начало термодинамики Вселенная может в общем и целом достичь равновесного состояния, но отдельные её участки могут испытывать флуктуации, то есть некие выбросы энергии. Эти флуктуации и не дают запуститься процессу превращения всех видов энергии в исключительно тепловую энергию.

Другое мнение, выступающее против теории тепловой смерти, указывает на следующее обстоятельство: если бы второе начало термодинамики действительно было бы применимо ко Вселенной в абсолютной степени, то тепловая смерть уже давно наступила бы. Так как если Вселенная существует неограниченное количество времени, то накопившейся в ней энергии уже должно было хватить для тепловой смерти. Но если энергии ещё недостаточно, значит, Вселенная является нестабильной, развивающейся системой, то есть она расширяется. Следовательно, в таком случае она не может быть замкнутой термодинамической системой, так как затрачивает энергию на собственное развитие и расширение.

Наконец, современная наука оспаривает теорию тепловой смерти Вселенной с других позиций. Прежде всего это общая теория относительности , согласно которой Вселенная представляет собой систему, находящейся в переменном гравитационном поле. Из этого следует, что она нестабильна и закон возрастания энтропии, то есть установление равновесного состояния Вселенной невозможно. В конце концов, нынешние учёные сходятся в том, что познания человечества о Вселенной недостаточны для того, чтобы однозначно утверждать, что она является замкнутой термодинамической системой, то есть не имеет никаких контактов с некими внешними системами. Поэтому окончательно подтвердить или опровергнуть теорию тепловой смерти Вселенной пока что нельзя.

Александр Бабицкий

> Тепловая смерть

Изучите гипотезу тепловой смерти Вселенной. Читайте концепцию и теорию тепловой смерти, роль энтропии Вселенной, термодинамическое равновесие, температура.

Вселенская энтропия постоянно растет. Ее цель – термодинамическое равновесие, которое приведет к тепловой смерти .

Задача обучения

Рассмотреть процессы, ведущие к проблеме тепловой смерти Вселенной.

Основные пункты

В ранней Вселенной вся материя и энергия легко заменялись и были идентичны по природе.
С ростом энтропии все меньше энергии открывало доступ работе.
Вселенная стремится к термодинамическому равновесию – максимальная энтропия. Это тепловая смерть и конец активности всего.

Термины

Астероид – естественное твердое тело, уступающее по размерам планете, и не выступает кометой.
Энтропия – мера распределения равномерной энергии в системе.
Геотермальный – относится к тепловой энергии, поступающей из глубинных земных резервуаров.

В ранней Вселенной материя и энергия были идентичны по природе и легко заменялись. Конечно, главную роль во многих процессах сыграла гравитация. Это казалось беспорядочным, но для работы предлагалась вся будущая вселенская энергия.

Пространство развивалось, и возникли различия в температуре, создавшие для работы больше возможностей. Звезды превосходят по нагреву планеты, которые опережают астероиды, а те теплее вакуума. Многие остывают из-за насильственного вмешательства (ядерный взрыв у звезд, вулканическая активность у Земли и т.д). Если не получить дополнительную энергию, то их дни сочтены. Ниже представлена карта Вселенной.

Это совсем юная Вселенная с колебаниями в температуре (выделены цветами), соответствующие зернышкам, ставшим галактиками

Чем выше становилась энтропия, тем меньше энергии поступало в работу. Земля обладает крупными энергетическими запасами (ископаемые и ядерное топливо), огромными разницами температур (энергия ветра), геотермальная энергия из-за разности в температурных отметках земных слоев и приливная энергия воды. Но некая часть их энергии никогда не пойдет в работу. В итоге, все виды топлива исчерпаются, а температуры выровняются.

Вселенная воспринимается как замкнутая система, поэтому пространственная энтропия всегда увеличивается, а количество доступной для работы энергии уменьшается. В конце концов, когда взорвутся все звезды, используются все формы потенциальной энергии, а температуры выровняются, работа станет просто невозможной.

Наша Вселенная стремится к термодинамическому равновесию (максимальная энтропия). Часто такой сценарий именуют тепловой смертью – остановка всей активности. Но пространство продолжает расширяться и до конца еще слишком далеко. При помощи подсчетов по черным дырам выяснилось, что энтропия продолжится еще 10 100 лет.