Қайтымсыз процестер және термодинамиканың екінші заңы
Irreversible process
Термодинамикада қайтымсыз процестер – энергия жұмсаусыз бастапқы күйге келтірілмейтін өзгерістер. Табиғаттағы күрделі процестердің көпшілігі осыған жатады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Қайта жасалмайтын процесс
Process that cannot be undone
Ғылымда қайтарылмайтын процесс – кері қайтарылмайтын процесс деп аталады. Бұл ұғым термодинамикада жиі кездеседі. Барлық күрделі табиғи процестер кері қайтарылмайды, бірақ бір мезгілде өмір сүру температурасындағы фазалық ауысу (мысалы, судағы мұздың еруі) кері қайтарылатынға жақын болып келеді. Термодинамикада жүйе мен оның айналасындағы термодинамикалық күйдің өзгеруі энергия жұмсамай, жүйенің кейбір қасиеттерінің шексіз кішкентай өзгерістері арқылы бастапқы күйіне дәл қалпына келтірілмейді. Кері қайтарылмайтын процеске ұшыраған жүйе бастапқы күйіне оралуы мүмкін. Энтропия – күй функциясы болғандықтан, жүйе энтропиясының өзгеруі процесс кері қайтарылатын немесе кері қайтарылмайтын болса да бірдей болады. Дегенмен, қоршаған ортаны бастапқы жағдайына қайтару мүмкін емес. Кері қайтарылмайтын процесс жүйе мен оның айналасындағы жалпы энтропияны арттырады. Термодинамиканың екінші заңы гипотетикалық процестің кері қайтарылатындығын анықтау үшін қолданылуы мүмкін. Интуитивті түрде, егер шашырау болмаса, процесс кері қайтарылатын болады. Мысалы, Жоуль кеңеюі кері қайтарылмайды, себебі бастапқыда жүйе біркелкі емес. Бастапқыда жүйеде газ бар, ал газсыз бөлігі де бар. Шашыраудың болуы үшін осындай біркелкілік болмауы керек. Бұл газдың бір бөлігі ыстық, ал екіншісі суық болған жүйеге ұқсас. Содан кейін шашырау пайда болады; температураның біркелкі таралуы жұмыс жасалмай біркелкі болады, және бұл кері қайтарылмайтын болады, өйткені жүйені бастапқы күйіне қайтару үшін жылуды қосу немесе алып тастау, көлемді өзгерту мүмкін емес. Егер жүйе әрқашан біркелкі болса, онда процесс кері қайтарылатын болады, яғни жүйені бастапқы күйіне қайтару үшін жылуды қосу немесе алып тастау, жүйеде жұмыс істеу немесе жүйені жұмыс істеуге қалдыру арқылы қол жеткізуге болады. Тағы бір мысал ретінде, ішкі жанатын қозғалтқыштағы кеңеюді кері қайтарылатынға жақын деп есептеу үшін, біз температура мен қысымның ұшқыштан кейін көлемде біркелкі өзгеріп отыратынын болжауымыз керек. Әрине, бұл шындық емес, ал алды жалын және кейде тіпті қозғалтқыш соққысы да бар. Дизельді қозғалтқыштардың тиімділігін арттырудың бір себебі – жану біркелкі болуы, сондықтан энергия аз жоғалады және процесс кері қайтарылатынға жақын болады. Кері қайтарылмайтын құбылыс термодинамикалық жүйе, яғни өзара әрекеттесетін молекулалардың жеткілікті күрделілігі бар жүйе бір термодинамикалық күйден екіншісіне келтірілсе, жүйедегі атомдар мен молекулалардың конфигурациясы немесе орналасуы оңай болжауға болмайтын түрде өзгеретінінен туындайды. Бір күйден екінші күйге ауысқанда "жұмыс істейтін дене" молекулалары бір-біріне әсер ететін кезде кейбір "өзгерту энергиясы" қолданылады. Бұл трансформация кезінде молекулааралық сүріну мен соқтығысулар салдарынан жылу энергиясының жоғалуы немесе шашырауы болады. Егер процесс кері қайтарылса, бұл энергияны қайтару мүмкін емес. Бір кезде кері қайтарылатын деп саналған көптеген биологиялық процестер, шын мәнінде екі кері қайтарылмайтын процестің жұптасуы болып табылды. Бұрын бір фермент теріс және кері химиялық өзгерістерді катализдей алады деп саналғанмен, зерттеулер нәтижесінде термодинамикалық жағынан кері қайтарылмайтын процестердің жұбын орындау үшін ұқсас құрылымдағы екі бөлек фермент қажет екені анықталды.
In science, a process that is not reversible is called irreversible. This concept arises frequently in thermodynamics. All complex natural processes are irreversible, although a phase transition at the coexistence temperature (e. g. melting of ice cubes in water) is well approximated as reversible. In thermodynamics, a change in the thermodynamic state of a system and all of its surroundings cannot be precisely restored to its initial state by infinitesimal changes in some property of the system without expenditure of energy. A system that undergoes an irreversible process may still be capable of returning to its initial state. Because entropy is a state function, the change in entropy of the system is the same whether the process is reversible or irreversible. However, the impossibility occurs in restoring the environment to its own initial conditions. An irreversible process increases the total entropy of the system and its surroundings. The second law of thermodynamics can be used to determine whether a hypothetical process is reversible or not. Intuitively, a process is reversible if there is no dissipation. For example, Joule expansion is irreversible because initially the system is not uniform. Initially, there is part of the system with gas in it, and part of the system with no gas. For dissipation to occur, there needs to be such a non uniformity. This is just the same as if in a system one section of the gas was hot, and the other cold. Then dissipation would occur; the temperature distribution would become uniform with no work being done, and this would be irreversible because you couldn't add or remove heat or change the volume to return the system to its initial state. Thus, if the system is always uniform, then the process is reversible, meaning that you can return the system to its original state by either adding or removing heat, doing work on the system, or letting the system do work. As another example, to approximate the expansion in an internal combustion engine as reversible, we would be assuming that the temperature and pressure uniformly change throughout the volume after the spark. Obviously, this is not true and there is a flame front and sometimes even engine knocking. One of the reasons that Diesel engines are able to attain higher efficiency is that the combustion is much more uniform, so less energy is lost to dissipation and the process is closer to reversible. The phenomenon of irreversibility results from the fact that if a thermodynamic system, which is any system of sufficient complexity, of interacting molecules is brought from one thermodynamic state to another, the configuration or arrangement of the atoms and molecules in the system will change in a way that is not easily predictable. Some "transformation energy" will be used as the molecules of the "working body" do work on each other when they change from one state to another. During this transformation, there will be some heat energy loss or dissipation due to intermolecular friction and collisions. This energy will not be recoverable if the process is reversed. Many biological processes that were once thought to be reversible have been found to actually be a pairing of two irreversible processes. Whereas a single enzyme was once believed to catalyze both the forward and reverse chemical changes, research has found that two separate enzymes of similar structure are typically needed to perform what results in a pair of thermodynamically irreversible processes.
Абсолюттік және статистикалық қайталану
Термодинамика көптеген нысандардың статистикалық мінез-құлқын анықтайды, олардың нақты мінез-құлқы арнайы заңдармен сипатталады. Физиканың негізгі теориялық заңдарының бәрі уақыт бойынша қайтымды болып табылады, бірақ тәжірибеде нақты қайтымдылықтың ықтималдығы төмен, ал жүйе мен ортаның алдыңғы күйі белгілі бір деңгейде ғана қалпына келтіріледі (қ. белгісіздік принципі). Термодинамиканың қайтымдылығы статистикалық сипатқа ие болуы керек; яғни, жүйенің энтропиясын төмендетуі өте сирек кездеседі, бірақ мүмкін емес емес. Басқаша айтқанда, уақыт қайтымдылығы процестегі күйлердің реті кері айналса немесе уақыт кері бағытта ақса да сол жолмен жүрсе орындалады (соңғы күй бірінші күйге, ал бірінші күй соңғы күйге айналады).
Thermodynamics defines the statistical behaviour of large numbers of entities, whose exact behavior is given by more specific laws. While the fundamental theoretical laws of physics are all time reversible, experimentally the probability of real reversibility is low and the former state of system and surroundings is recovered only to certain extent (see: uncertainty principle). The reversibility of thermodynamics must be statistical in nature; that is, it must be merely highly unlikely, but not impossible, that a system will lower in entropy. In other words, time reversibility is fulfilled if the process happens the same way if time were to flow in reverse or the order of states in the process is reversed (the last state becomes the first and vice versa).
Тарих
Неміс физигі Рудольф Клаузиус 1850 жылдары энтропия ұғымын енгізу арқылы табиғаттағы қайтарымсыздықтың ашылуын математикалық тұрде мөлшерлеген алғашқы адам болды. 1854 жылы жазған "Жылудың механикалық теориясындағы екінші негізгі теореманың өзгертілген түрі туралы" атты еңбегінде Клаузиус былай деп мәлімдейді:
The German physicist Rudolf Clausius, in the 1850s, was the first to mathematically quantify the discovery of irreversibility in nature through his introduction of the concept of entropy. In his 1854 memoir "On a Modified Form of the Second Fundamental Theorem in the Mechanical Theory of Heat," Clausius states:
Қарапайым түсіндірсек, Клаузиус жүйе үшін салқын денеден ыстық денеге жылу беру мүмкін емес екенін айтады. Мысалы, бөлме температурасында (~72 °F) тұрған ыстық кофе кесесі қоршаған ортаға жылу береді, соның салдарынан салқындайды, ал бөлме температурасы сәл көтеріледі (~72,3 °F). Дегенмен, дәл осы бастапқы кофе кесесі қоршаған ортадан жылу сіңіріп алып, одан да ыстық болуы және бөлме температурасы төмендеуі (~71,7 °F) мүмкін емес. Сондықтан, кофенің салқындау процесі, егер жүйеге қосымша энергия берілмесе, қайтарылмайды. Алайда, жүйенің микроталдауын оның макрокүйінің байқауларымен сәйкестендіруге тырысқанда парадокс туындады. Көптеген процестер классикалық Ньютон механикасын қолдана отырып талдағанда, олардың микрокүйлерінде математикалық тұрғыдан қайтымды болып келеді. Бұл парадокс, мысалы, Джеймс Клерк Максвеллдің 1860 жылғы аргументі сияқты, тепе-теңдікке қарайтын макроскопиялық тенденцияның микроскопиялық түсіндірмелерін күмәндетеді – молекулалық соқтығысулар араласқан газдардың температурасын теңестіреді. 1872-1875 жылдары Людвиг Болцман осы парадокстың статистикалық түсіндірмесін Болцманның энтропия формуласы арқылы нығайтты. Ол жүйеде болуы мүмкін микрокүйлер санының артуы жүйенің энтропиясын арттырады және жүйенің бұрынғы күйіне оралу ықтималдығын азайтады деді. Оның формулалары Уильям Томсонның, 1-ші барон Келвиннің жасаған талдауларын сандық тұрғыдан бекітті, ол былай деп дәлелдеді:
Simply, Clausius states that it is impossible for a system to transfer heat from a cooler body to a hotter body. For example, a cup of hot coffee placed in an area of room temperature (~72 °F) will transfer heat to its surroundings and thereby cool down with the temperature of the room slightly increasing (to ~72.3 °F). However, that same initial cup of coffee will never absorb heat from its surroundings, causing it to grow even hotter, with the temperature of the room decreasing (to ~71.7 °F). Therefore, the process of the coffee cooling down is irreversible unless extra energy is added to the system. However, a paradox arose when attempting to reconcile microanalysis of a system with observations of its macrostate. Many processes are mathematically reversible in their microstate when analyzed using classical Newtonian mechanics. This paradox clearly taints microscopic explanations of macroscopic tendency towards equilibrium, such as James Clerk Maxwell's 1860 argument that molecular collisions entail an equalization of temperatures of mixed gases. From 1872 to 1875, Ludwig Boltzmann reinforced the statistical explanation of this paradox in the form of Boltzmann's entropy formula, stating that an increase of the number of possible microstates a system might be in, will increase the entropy of the system, making it less likely that the system will return to an earlier state. His formulas quantified the analysis done by William Thomson, 1st Baron Kelvin, who had argued that:
Кері қайтарылмайтын жүйелердің тағы бір түсіндірмесін француз математигі Анри Пуанкаре ұсынды. 1890 жылы ол сызықтық емес динамиканың, сондай-ақ хаос теориясы деп аталатын алғашқы түсіндірмесін жариялады. Хаос теориясын термодинамиканың екінші заңына қолданғанда, кері қайтарылмау парадоксын микрокүйлерден макрокүйлерге көшуге байланысты қателіктермен және тәжірибелік байқаулар жасағанда қолданылатын еркіндік дәрежелерімен түсіндіруге болады. Жүйе мен оның ортасына қатысты бастапқы шарттарға сезімталдық микрокүйде күшейіп, байқалатын физикалық әлемде кері қайтарылмайтын сипаттамалардың көрінісіне әкеледі.
Another explanation of irreversible systems was presented by French mathematician Henri Poincaré. In 1890, he published his first explanation of nonlinear dynamics, also called chaos theory. Applying chaos theory to the second law of thermodynamics, the paradox of irreversibility can be explained in the errors associated with scaling from microstates to macrostates and the degrees of freedom used when making experimental observations. Sensitivity to initial conditions relating to the system and its environment at the microstate compounds into an exhibition of irreversible characteristics within the observable, physical realm.
Күрделі жүйелер
Қайталанатын және қайтарылмайтын оқиғалар арасындағы айырмашылық күрделі жүйелерде (мысалы, тірі организмдер немесе экожүйелер) ерекше түсіндірмелік мәнге ие. Биологтар Умберто Матурана мен Франсиско Вареланың пікірінше, тірі организмдер аутопоэз қағидасымен сипатталады, ол олардың өмір сүруін қамтамасыз етеді. Өзін-өзі ұйымдастыру жүйелерінің алғашқы формаларын физик және химик Илья Пригожин сипаттаған. Күрделі жүйелер контекстінде, өлім, түрдің жойылуы немесе метеорологиялық жүйенің күйреуі сияқты белгілі бір өзін-өзі ұйымдастыру процестерінің аяқталуына әкелетін оқиғалар қайтарылмайтын деп есептелуі мүмкін. Тіпті бірдей ұйымдық принципке (мысалы, идентичный ДНК құрылымына) ие клон жасалған жағдайда да, бұл бұрынғы ерекше жүйенің қайтадан пайда болатынын білдірмейді. Организмдердің, түрлердің немесе басқа күрделі жүйелердің өзін-өзі ұйымдастыру қабілеттеріне бейімделуге болатын оқиғалар, мысалы, ұсақ жарақаттар немесе физикалық ортаның өзгеруі қайталанатын болып табылады. Дегенмен, бейімделу организмге негатропияның түсуіне байланысты, соның салдарынан оның ортасындағы қайтарылмайтын процестер күшейеді. Тұрақтылық және сақтық қағидасы сияқты экологиялық принциптер, кері қайту ұғымына сілтеме жасап анықталуы мүмкін.
The difference between reversible and irreversible events has particular explanatory value in complex systems (such as living organisms, or ecosystems). According to the biologists Humberto Maturana and Francisco Varela, living organisms are characterized by autopoiesis, which enables their continued existence. More primitive forms of self organizing systems have been described by the physicist and chemist Ilya Prigogine. In the context of complex systems, events which lead to the end of certain self organising processes, like death, extinction of a species or the collapse of a meteorological system can be considered as irreversible. Even if a clone with the same organizational principle (e. g. identical DNA structure) could be developed, this would not mean that the former distinct system comes back into being. Events to which the self organizing capacities of organisms, species or other complex systems can adapt, like minor injuries or changes in the physical environment are reversible. However, adaptation depends on import of negentropy into the organism, thereby increasing irreversible processes in its environment. Ecological principles, like those of sustainability and the precautionary principle can be defined with reference to the concept of reversibility.