Самые важные вопросы науки всегда звучат и будут звучать как вопросы маленького ребенка:
"Почему Солнце греет?", "Почему небо голубое?", "Почему всё падает вниз?", "Почему ночью темно?", "Почему чай остывает?".
О последнем я и хочу рассказать. Многие из моих знакомых не могут дать более менее осознанный ответ.
Подобными вопросами занимается раздел физики под названием "термодинамика". И её основы вы проходили в школе. Но всё забывается. А многие сложные вещи вообще остаются лишь заученными и непонятыми.
Поэтому я лишь повторю два простых постулата термодинамики:
1) Энергию системы можно изменить передав тепло, или совершив работу
Это банальный закон сохранения энергии, на котором строится вся современная физика.
2) Энтропия изолированной системы либо увеличивается, либо остается постоянной.
Вот тут уже возникают вопросы. Что за энтропия такая.
Ввел энтропию Клаузисус в 1865 году, но смысл загадочен был еще довольно долго. Сколько разных толкований я только не видел, но все довольно странны. Скажу лишь, что это физическая величина присущая телу/системе (как температура, масса, объем, давление, энергия), которая обладает аддитивностью как масса например, но не как температура, которая интенсивная величина.
Интенсивные величины это величины "в точке", которые мы не можем складывать, например температура и давление. Температура вашего тела 36.6 и если вы возьмете человека за руку, то у вас между ладоней тоже будет 36.6 а не 73.2 . А вот ваша совокупная масса сложится, если вы вдвоем встанете на весы.
Как же измерить энтропию? Есть простая формула для изменения энтропии.
Эта формула верна, только для равновесного процесса (который не будет идти сам). Эту формулу можно прочитать так:
Если сообщить системе (равновесной) немного тепла (чтобы её температура не изменилась), то энтропия увеличится на величину тепла/температуру системы.
Этого уже достаточно для объяснения неизбежного остывания чая.
Посмотрим на кружку чая, она не изолированная система, и даже не закрытая. Поэтому мы не можем применять к ней второй закон. Но предположим, что весь наш дом, это изолированная система. Мы же понимаем, что если жкх придет и теплоизолирует нашу дом, то чай так же будет остывать. Тогда давайте посмотрим на изменение энтропии в нашем доме, если кружка отдаст немного тепла комнате.
Пусть температура чашки T2, дома T1, а количество тепла обозначим Q.
Тогда чашка потеряла тепло, а дом получил ровно то же количество (закон сохранения) высчитаем как изменилась энтропия чашки и дома в отдельности.
У чашки уменьшилась (она потеряла тепло):
У дома увеличилась (он получил):
Теперь вспоминая о том, что энтропия системы это сумма энтропий кусочков, можем сложить.
Если вспомнить что Q положительно и T2>T1, то видно, что энтропия при остывании чая будет увеличиваться, а это значит этот процесс необратим. (он будет идти, пока чашка не станет той же температуры как и дом, тогда dS=0, и это максимум). А что если бы чай наоборот отбирал себе тепло? Тогда весь вывод бы повторился, но во всех формулах поменялись знаки, и тогда энтропия дома должна была бы уменьшится, что для изолированной системы невозможно.
Термодинамика работает просто прекрасно, но вопрос о природе энтропии оставался открыт. Почему она растет? Классическая механика этого не объясняла, так как все уравнения классической Ньютоновской механики обратимы во времени. Естественно, что такая симметрия должна сохраниться и в объяснениях основанных на классической механике. Это означает, что если взорвете в комнате шарик с газом, то когда-нибудь этот газ опять соберется в том же месте где и был. Но этого не происходит. Или что теплу неважно куда распространяться, от чашки в дом, или от дома к чашке.
В квантовой механике положение существенно меняется. Как известно, основное уравнение квантовой механики - уравнение Шредингера - само по себе симметрично по отношению к изменению знака времени. Но несмотря на это, квантовая механика содержит в себе неэквивалентность обоих направлений времени, это связанно с известным всем эффектом наблюдателя. После измерения какой-нибудь физической величины квантового объекта, мы уже не сможем восстановить начальные условия. Но даже сейчас строгого теоретического обоснования второго начала, из квантовой механики никто не дал. Поэтому пока это лишь гипотезы. Если когда-нибудь это и докажут, то будет очень красивая фраза.
"Мой чай остывает из-за квантовой декогеренции с комнатой."
