Втори закон на термодинамиката

Ще ти задам въпрос, който според мен е интересен. Случвало ли ти се е да се намираш в стая при стайна температура, да кажем около 70 градуса по Фаренхайт (21 градуса по Целзий), гледайки чаша с вода, в която изведнъж да се появи бучка лед? Предполагам, че не ти се е случвало да видиш нещо такова. Естествено, че не няма как да видиш спонтанно формиране на лед, особено при стайна температура, понеже тя е над температурата на замръзване на водата. Но въпросът ми е – защо не? Това не противоречи на никой от физичните закони от нютоновата физика. Нито пък на първия закон на термодинамиката. Да помислим как нещо такова би могло да се случи. Да си представим няколко водни молекули в течно агрегатно състояние. Имам няколко водни молекули в течно състояние. Ще направя доста от тях. Те имат определена температура. Запомни, температурата е свързана със средната кинетична енергия. Но всяка от тези молекули ще има собствена скорост, собствен импулс. Всички ще се движат в различни посоки. Освен това те имат водородни връзки помежду си. Това е причината водата да е течна при стайна температура, а не в газообразно състояние. Имаме водородни връзки между молекулите. Но няма да се спирам на това задълго. Представи си, че всички молекули отскачат в произволни посоки, но има някаква вероятност, те да си взаимодействат по точния начин, може би тази молекула ето тук може да удари тази по правилния начин. Така тя предава по-голямата част от импулса си на по-бързата молекула. Затова тази молекула губи от импулса си и се забавя. Докато това се случва, една от другите молекули може да предаде по-голямата част от импулса си на някои други молекули. Така ще се забави. Ще се забави. Всички ще имат по-малък импулс. И тогава може би тази, точно в същия момент може да направи същото. Забавя се. Тогава всички останали молекули, на които е предаден импулс, ще се движат по-бързо. Тази е получила импулс. Тази също. На тази е предаден импулс. На тази също. И на тази е предаден импулс. Сега тези молекули тук имат достатъчно малък импулс и достатъчно малка скорост, така че водородните връзки поемат контрола и могат да започнат да формират някаква решетка. Можем да кажем, че молекулите стават достатъчно студени, за да замръзнат. Така тези молекули се превръщат в лед. Защо това не може да се случи? В описанието преди малко говорих само за сблъскаващи се молекули, които си предават импулси. Говоря за енергия, която не се създава и не се увищожава. Това изглежда в съгласие с първия закон на термодинамиката. Изглежда, че на теория спонтанното образуване на лед при тези условия е възможно. Но може би е възможно да разгледаме въпроса по друг начин. Може би можем да започнем със система, която е сравнително еднородна. Има средна температура. Но може би е възможно да се образува студен джоб, при затопляне на останалата част. Може би първоначално цялата вода е 70 градуса по Фаренхайт. Всичко, което ти показвам, е при неутралните 70 градуса по Фаренхайт. Но може би има някаква вероятност... Нямаме създаване или загуба на енергия, но спонтанно част от енергията в средата, може да отиде във външната част и да я затопли. Ще оцветя това в различен цвят. Може би цялата тази вода отвън... може би това е рисунка на водата гледана отгоре. Може би всичката тази вода се загрява. А всичката вода по средата се изстудява. Но те имат еднаква обща кинетична енергия. Така че не сме създали или изгубили енергия. Просто спонтанно успяхме да пренесем енергия от средата към външната част. И дори когато водата по средата стана малко по-студена, можехме да пренесем още и още енергия от студената вода към горещата. Получаваме такава подредба. Всъщност това изглежда възможно според физиката, която знаем досега. Но някои дълбокомислени хора, като тези джентълмени тук, това е Карно, считан за бащата на термодинамиката. Келвин, Рудолф Клаузиус. Те многократно са установявали, че това не се случва в природата. Особено Келвин и Клаузиус. Те казват: "Виж, не наблюдаваме трансфер на топлина от студено към топло." "И щом не го наблюдаваме, хайде да добавим втори закон на термодинамиката." Вторият закон на термодинамиката е основан на емпирични наблюдения. Вторият закон на термодинамиката, според Рудолф Клаузиус, ще го парафразирам, гласи, че не виждаме спонтанно... Ще го напиша. Втори закон на термодинамиката. Той е казал, че не виждаме спонтанен трансфер на топлина от студени към топли зони. Втори закон на термодинамиката: няма спонтанен пренос... Може да използваме работа в неща като охладителните системи, за да накараме топлината да тече от студено към топло място, за да охлади нещо. Но няма спонтанен пренос на топлина от студено към топло. Ще подчертая топло с оранжево ето тук. Този закон е основан на наблюдения, защото не виждаме това да се случва спонтанно, не можем да видим водата изведнъж да се организира в отделна топла и студена зона, която да стане толкова студена, че да замръзне спонтанно. Но ако поставим лед в средата на стаята при стайна температура виждаме обратното. Ще видим пренос на топлина от... Ще нарисувам чаша тук. Ще видим пренос на топлина от по-топлите към по-студените зони. Това тук са кубчета лед. А това е вода. Това тук е водата. Ще видим пренос на топлина в обратната посока. Това е емпирично наблюдение, което изглежда вярно и когато се тества експериментално. Но защо се случва това? Оказва се, че има някаква много, много, много малко вероятност това да се случи в истинските системи, за които говорим. А термодинамиката е по-скоро наука за системите, а не за отделните молекули, за които говорихме. А когато говорим за система, говорим за много повече молекули, много повече актьори от тези три молекули тук. Ако говорим за броя молекули в чаша вода, говорим за число с 20, 24, 25 нули, в зависимост от големината на чашата вода. Имаме огромен, огромен брой молекули. Статистически... За статистика не се е мислело до времето на Болцман... Но статистически, шансът това да се случи, е малък. Особено когато не говорим само за три молекули, а говорим за много, много повече от три. Толкова много молекули, че никога не можем да видим нещо такова. Нека да погледнем нещата на молекулярно ниво. Да не гледаме само на макро ниво. Така ще разберем причината. Ако имаш някакъв съд. Ще нарисувам един съд ето тук. Ако имаш съд, и отляво, ще започнем с няколко молекули, които са топли. Те имат висока кинетична енергия. Тези молекули тук имат висока кинетична енергия. Тези молекули. А в дясната част на съда имаме някои молекули, които са същия вид, но имат ниска кинетична енергия. Температурата им... Средно те имат ниска кинетична енергия. Може да има няколко, които имат висока кинетична енергия, но средната кинетична енергия е ниска. Виждаме, че температурата тук е по-ниска. Ще го запиша. Дясната страна има ниска температура. А лявата страна има по-висока температура. Какво ще се случи? Тези молекули могат да си взаимодействат, да се сблъскват. Молекулите с висока кинетична енергия ще се удрят в други с ниска кинетична енергия. И всички тези молекули ще се смесят. Но дори и да не се смесваха, тези молекули щяха да се удрят в тези и да пренасят импулса си. Така с течение на времето ще получим система, която изглежда така. Всички молекули ще имат средна кинетична енергия. Все още ще има разлики в кинетичните им енергии, но няма да има толкова голяма разлика между тези отляво и тези отдясно. Всички молекули ще се смесят и ще видим, че нито лявата, нито дясната част ще има по-висока температура. Какъв е крайният резултат? Имахме пренос на енергия от "по-топлите" молекули към "по-студените". Затова енергията, за която говорим, е топлина. Означаваме топлината с Q. Пренесли сме енергия от топло към студено. Статистически е малко вероятно, много малко вероятно, почти невъзможно, това е безкрайно малък шанс да се случи но не е наблюдавано, да протече наобратно. Говорим за много, много, много, Говорим за много, много, много, милиони, милиони, милиони, милиони молекули. Ще видим тези с по-висока средна кинетична енергия да се смесят и да я предадат на тези с по-ниска кинетична енергия. Затова можем да кажем, "Хей, не виждаме спонтанен пренос на топлина от студено към топло". Трансферът винаги върви от топло към студено.