Termodinamika ikkinchi qonunining ta’riflari

Termodinamika ikkinchi qonunining ta’riflari
Jarayonlarning yo‘nalishi va borish chegaralarini aniqlash uchun termodinamikaning birinchi qonuni yetarli emasligi haqidagi xulosa termodinamikaning ikkinchi qonunini o‘rnatishga olib keldi. Termodinamikaning ikkinchi qonuni tabiatning umumiy qonunidir va u birinchi qonunga o‘xshab postulot xisoblanadi. Termodinamikaning ikkinchi qonunini nazariy keltirib chiqarib bo‘lmaydi, u termodinamikaning birinchi qonunidek, barcha insoniyat tajribasining umumlashuvidan iboratdir. Termodinamikaning ikkinchi qonuning isboti bo‘lib undan kelib chiqadigan barcha xulosalarning hozirgacha tajribada tasdiqlanib kelishi xizmat qiladi. Termodinamikaning ikkinchi qonuni sistemada ayni temperatura, bosim va konsentratsiyalarda qaysi jarayon o‘z-o‘zidan keta olishini, uning qancha ish bajarishini, ayni sharoitda sistemaning muvozanat holati qanday ekanligini ko‘rsatadi. Termodinamikaning ikkinchi qonunidan foydalanib biror jarayonni amalga oshirish uchun qanday sharoit yaratish lozimligini aniqlash mumkin. Agar termodinamikaning birinchi qonuni har qanday sistemalarga tadbiq qilinishi mumkin bo‘lgan absolyut qonun bo‘lib, makro- va mikro-sistemalardagi har qanday jarayonlarga tegishli bo‘lsa, ikkinchi qonun –energiyaning sochilish qonuni-statistik tabiatga ega va ko‘p sonli zarrachalardan iborat, ya’ni statistika qonunlariga bo‘ysunuvchi, sistemalargagina tadbiq qilinishi mumkin. Juda ko‘p molekulalardan iborat termodinamik sistema uchun termodinamikaning ikkinchi qonuni ishonchlidir. Ammo u kam sonli zarrchalardan iborat sistemalarga qo‘llanganda o‘zining ma’nosini yo‘qotadi. Bunday sistemalarda termodinamikaning ikkinchi qonuniga zid bo‘lgan jarayonlar tajribada kuzatiladi. Haqiqatdan ham, molekulalarning issiqlik ta’siridagi xaotik harakati natijasida, ularning juda kichik hajmdagi soni doimo o‘zgarib turadi. Bunday “tasodifiy” o‘zgarishlar natijasida sistemaning zichligi o‘zgaradi – fluktuatsiyalar kuzatiladi. Termodinamik sistemalarda (makrosistemalarda) fluktuatsiyalarning deyarli ta’siri yo‘q va ular hech qanday rol o‘ynamaydi. Termodinamikaning ikkinchi qonuni statistik termodinamikada to‘laroq fizikaviy nuqtai nazardan tushuntiriladi. U statistik termodinamika postulotlaridan keltirib chiqarilishi mumkin.

Termodinamika ikkinchi qonunining umumiy ta’riflari Karno va Klauziusning tadqiqotlarida berilgan. XIX-asrning o‘rtasida Klauzius, Maksvell va Kelvinlar ushbu qonunning olamshumul ahamiyatini ko‘rsatdilar. Termodinamikaning ikkinchi qonuniga yaqin fikrlarni birinchi bor M.V.Lomonosov ham aytib o‘tgan. XIX-asrning oxirida Maksvell, Bolsman va Gibbslar termodinamika ikkinchi qonunining statistik xarakterini o‘rnatdilar va statistik mexanikaga asos soldilar. Termodinamikaning ikkinchi qonunini asoslash dvigatellarning sifatini yaxshilash urinishlari bilan ham bog‘liq. Abadiy dvigatelni qurish mumkin emasligi aniq bo‘lgandan so‘ng, olimlarni fikrini boshqa bir, ya’ni jismning ichki energiyasini ishga aylantirib beruvchi davriy ravishda ishlaydigan mashinani qurish mumkinmikan, degan g‘oya egallab oldi (masalan, okeanning suvidan energiyani (issiqlikni) olib ishlaydigan dvigatelli paroxod qurish fikri). Termodinamika birinchi qonuni, ya’ni energetik balans nuqtai nazaridan bunday dvigatelni qurish mumkin. Bu g‘oyani amalga oshishining ahamiyati abadiy dvigatel yaratish bilan barobar bo‘lar edi. Haqiqatdan ham, odamzot okean suvlarida, atmosferada va yer qobug‘ida mujassamlashgan issliqlik energiyasining cheksiz zaxiralarini ishga aylantirish imkoniyatiga ega bo‘lganda edi, bu abadiy dvigatel qurish bilan teng ahamiyatli bo‘lardi. Masalan, okeanlarning suvlarini 0,01 grad ga sovutish xisobiga yer sharidagi sanoat korxonalarini 1500 yil davomida ta’minlaydigan energiyaga ega bo‘lar edik. Shuning uchun ham bunday mashinani ikkinchi tur abadiy dvigatel deb atashdi va uni qurishga harakat qilishdi. Ammo bu urinishlar muvaffaqiyatsizlikka uchradi.

Tabiatning qandaydir umumiy qonuni borligi va u ikkinchi tur abadiy dvigatelni yaratishga to‘sqinlik qilayotgani ma’lum bo‘lib qoldi. Ushbu xulosani termodinamika ikkinchi qonunining umumiy ta’rifi desa bo‘ladi:

• 
  sistemada hech qanday o‘zgarishsiz, faqatgina issiqlik rezervuarining issiqligi xisobiga davriy ravishda ishlaydigan mashinani, ya’ni ikkinchi tur abadiy dvigatelni qurib bo‘lmaydi yoki ikkinchi tur abadiy dvigatel, ya’ni hech qanday qo‘shimcha energiya sarf qilmay turib, faqat atrofdagi muxitning issiqligi xisobiga ish bajaruvchi mashinaning bo‘lishi mumkin emas (Ostvald ta’rifi).Umumiy ta’rifdan quyidagi xulosa kelib chiqadi:
  
• 
  issiqlik kamroq qizdirilgan jismdan ko‘proq qizdirilgan jismga o‘z-o‘zicha o‘ta olmaydi yoki qandaydir miqdordagi ishni issiqlikka aylantirmay turib, issiqlikni sovuqroq jismdan issiqroq jismga o‘tkazish uchun siklik jarayondan foydalanib bo‘lmaydi.
  

Ushbu ta’rif 1850 yil Klauzius tomonidan termodinamika ikkinchi qonunining asosiy ta’rifi sifatida taklif qilingan. Tomson (Kelvin) tomonidan esa quyidagi ta’rif taklif qilingan:

• 
  issiqlikni ishga aylantirish uchun jismni sovutishning o‘zi kifoya emas, ishning issiqlikka aylanishi esa jarayonning birdan-bir natijasidir.
  

Termodinamika ikkinchi qonunining yuqoridagi uchchala ta’rifi ekvivalentdir, ulardan qator xulosalar kelib chiqadi. Masalan, izotermik siklning ishi nolga tengdir, aks holda ushbu jismning issiqligini ishga aylantirish, ya’ni ikkinchi tur abadiy dvigatel qurish mumkin bo‘lib qoladi. Termodinamikaning birinchi qonuni ikki xil ma’noli ta’riflarga ega bo‘lsa, ya’ni “hech narsadan ish paydo bo‘la olmaydi” va “ish hech qanday izsiz yo‘qolib ketmaydi”, termodinamika ikkinchi qonunining ta’riflari birgina ma’noga ega: “rezervuar issiqligini ishga to‘liq aylantirib bo‘lmaydi”. Teskari ta’kidlash noto‘g‘ri, chunki ishni to‘liq ravishda issiqlikka aylantirib bo‘ladi. Bu hulosa issiqlik energiyasining o‘ziga xosligidan kelib chiqadi, ya’ni u zarrachalarning xaotik harakatining mahsulidir. Energiyaning boshqa turlari esa (masalan, elektr, yorug‘lik ) zarrachalarning tartibli harakati bilan bog‘liq. Issiqlik energiyasi energiyaning eng kam samaraga ega ko‘rinishi ekanligi tabiiydir. Xuddi shuning uchun energiyaning barcha turlari to‘liqligicha issiqlik energiyasiga aylanish mumkin (tartibli harakatdan ehtimoli yuqoriroq bo‘lgan xaotik harakatga). Issiqlik esa energiyaning samaraliroq turlariga to‘liq o‘ta olmaydi, chunki bunday o‘tish xaotikdan tartibli harakatga o‘z-o‘zidan o‘tish kabi ehtimoli bo‘lmagan holga, ya’ni sistemaning ehtimoli ko‘proq holatdan ehtimoli kamroq holatga o‘z-o‘zidan o‘tishiga mos kelar edi. Umuman olganda, termodinamikaning ikkinchi qonuni aynan sistemaning u yoki bu holatining ehtimolligi bilan bog‘liqdir. Termodinamikaning ikkinchi qonunini, yuqorida ta’kidlanganidek, turli ko‘rinishdagi energiyalarning issiqlik energiyasiga sekin–asta o‘tishi kuzatiluvchi energiyaning sochilish qonuni, deb ham ta’riflashimiz mumkin. Termodinamika ikkinchi qonunining ushbu ta’rifidan noto‘g‘ri xulosalarga kelish ham mumkin, masalan, termodinamikaning ikkinchi qonunini cheksiz sistemalarga qo‘llaganda. Butun olamni yoki biror planetani chegaralangan termodinamik sistema deb qabul qilish va unga termodinamikaning ikkinchi qonunini qo‘llash noto‘g‘ri bo‘ladi, chunki energiyaning issiqlikka to‘liq aylanishi va issiqlikning o‘z-o‘zidan ishga aylana olmagani sababli olamda harakat to‘xtaydi, temperatura oshib ketib issiqlik halokatiga olib keladi, degan noto‘g‘ri fikrlar tug‘iladi.

Termodinamika ikkinchi qonunidan termodinamik sistemalarda yangi holat funksiyasining mavjudligi kelib chiqadi. Termodinamik jarayonlarning analizi ularni to‘liq ifodalash uchun termodinamikaning birinchi qonuni kifoya emasligini ko‘rsatdi (birinchi qonuniga ko‘ra energiyaning saqlanish qonuniga bo‘ysingan jarayonlargina borishi mumkin). Ammo tajriba ko‘rsitishicha, birinchi qonuniga bo‘ysingan va U=Q-W tenglamaga rioya qilgan ayrim jarayonlar amalda bormaydi. Bu esa, sistemada qandaydir no’malum funksiya yoki holat parametrining mavjudligi haqidagi xulosaga olib keldi. Ushbu parametrning qiymati birinchi qonunga binoan amalga oshirilishi mumkin bo‘lgan turli jarayonlar uchun bir xil emas, bu esa jarayonlarning teng qiymatga ega emasligini ko‘rsatadi. Yangi funksiya Klauzius tomonidan entropiya S deb ataldi.

Aslida termodinamikaning ikkinchi qonuni issiqlik mashinalari uchun ta’riflangan va ularning ishida ushbu qonun ayniqsa yaqqol ko‘rinadi. Shu sababdan xozir ham termodinamika ikkinchi qonunini qarab chiqishni issiqlik mashinalarini analiz qilishdan boshlanadi (Karno sikli). Bu esa, ikkinchi qonun haqida faqat issiqlik mashinalari ishini ifodalaydigan xususiy qonuniyat kabi fikr tug‘diradi. Aslida esa, bu tabiatning umumiy qonuni bo‘lib, energiyaning saqlanish qonunidan keyingi fundamental qonundir. Termodinamikaning ikkinchi qonunini issiqlik mashinalarini analiz qilmasdan ham ta’riflash mumkin (Karateodori prinsipi).