Двигатель который нарушает законы физики: Нарушающий законы физики двигатель проверят в Германии

Двигатель EmDrive в самом деле нарушает законы физики, или это очередной фейк?

08.03.2022, 23:00

По словам изобретателя, этот электромагнитный двигатель опровергает принципы известной нам физики. EmDrive пророчили звание отправной точки эпохи великих космических открытий и колонизации Солнечной системы, о которой так долго мечтали астрономы всего мира. Увы, в реальности все куда прозаичнее.

Уникальная установка способна, к примеру, двигать в вакууме космический корабль… не используя топливо. Так почему же многие ученые считали (и продолжают считать до сих пор), что это изобретение — чистой воды шарлатанство?

Как работает EmDrive

Орбитальная станция «Тяньгун-2», на которой пройдут испытания ЭМ двигателя

Впервые концепция электромагнитной двигательной установки была опубликована еще в далеком 2002 году британской исследовательской компанией Satellite Propulsion Research, основанной аэрокосмическим инженером Роджером Шойером. Тогда же общественности был представлен и первый действующий прототип устройства. Да-да, именно знаменитые «британские ученые» изобрели фантастический двигатель, вызвавший волну скепсиса со стороны научного сообщества.

Дело в том, что EmDrive бросает вызов всем существующим законам физики (об этом мы уже писали). Его конструкция представляет собой магнетрон, генерирующий микроволны, а также резонатор высокой добротности — металлическое «ведро», ловушку для микроволн в форме герметичного конуса. Магнетрон (в повседневной жизни именно он обеспечивает работу микроволновых печей) связан с резонатором высокочастотной линией передачи, то есть обычным коаксиальным кабелем. Поступая в резонатор, ЭМ волна излучается в стороны обоих торцов с одинаковой фазовой скоростью, но с разной групповой скоростью — именно этим, по мнению создателя, и обусловлен эффект.

В чем состоит различие между этими двумя скоростями? Попадая в замкнутое пространство, электроны начинают распространяться в нем, отражаясь от внутренних стенок резонатора. Фазовая скорость — это скорость относительно отражающей поверхности, которая, по факту, определяет скорость перемещения электронов. Поскольку электроны попадают в камеру в из одного и того же источника, эта величина и в самом деле едина для всех. Групповая скорость, в свою очередь, представляет собой скорость электронов относительно торцевой стенки и возрастает по мере движения от узкой к широкой части конуса. Таким образом, по мнению Шойера, давление ЭМ волны на широкую стенку резонатора больше, чем на узкую, что и создает тягу.

Двигатель против ньютоновской физики

Так почему же ученые с этим не согласны? Основной претензией физиков является то, что принцип работы описываемой конструкции прямо противоречит третьему закону Ньютона, который гласит, что «действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе — взаимодействия двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны». Говоря проще, в привычном нам пространстве на каждое действие приходится противодействие, равное по силе, но противоположное по направлению. Этот принцип объясняет причину работы всех современных двигателей, от реактивных (газ подается назад, что двигает машину вперед) до ионных (пучок заряженных атомов движется в одну сторону, а корабль в другую). У EmDrive выбросов же попросту… нет.

Кроме того, неучтенными остаются еще несколько не столь важных параметров. К примеру, автор концепции не учел то, что ЭМ волна оказывает давление не только на торцевые, но и на боковые стенки резонатора. После критики в свой адрес Шойер опубликовал нерецензированную работу с объяснениями своей точки зрения, но, по мнению экспертов, теория радиационного давления сложнее представленной им теории.

Технологии на грани фантастики

В 2013 году двигателем заинтересовалось NASA. Неудивительно: если EmDrive и в самом деле работает так, как заявлено, то это станет настоящей революцией в сфере космических перелетов. Устройство испытывали в лаборатории Eagleworks в космическом центре имени Джонсона. Работы проводились под руководством Гарольда Уайта, и в их ходе был получен аномальный результат — тяга величиной около 0,0001 Н. Уайт считает, что такой резонатор может работать посредством создания виртуального плазменного тороида, который реализует тягу с помощью магнитной гидродинамики при квантовых колебаниях вакуума. Условия для испытаний были выбраны щадящие, в 50 раз меньше по мощности, чем опыты самого Шойера. Они проходили на крутильном маятнике для малых сил, который способен обнаруживать силы в десятки микроньютонов, в герметичной вакуумной камере из нержавеющей стали при комнатной температуре воздуха и нормальном атмосферном давлении.

В NASA уверены, что при расчетной тяге в 1,2 мН установка сможет добраться до края Солнечной системы всего за несколько месяцев. А для того, чтобы удержать аппарат на орбите, требуется мощность тяги от 100 мH до 1H. Но текущая же конструкция не позволяет выжать из двигателя такую мощность. Кроме того, размещение двигателя в той или иной части теоретического спутника также повлияет на его нагрев и силу тяги.

Спустя несколько месяцев после релиза концепции двигателя специалисты NASA провели серию испытаний двигателя EmDrive, о результатах которых вы можете узнать из нашего материала.

© 
Популярная Механика

«Спиральный двигатель» инженера НАСА нарушает законы физики

Каждое действие соответствует равной и противоположной реакции: третий закон динамики.

Это принцип, на котором основаны космические ракеты, которые сжигают топливо в одном направлении, чтобы идти в противоположном направлении.

Тем не менее, инженер НАСА считает, что он может доставить нас к звездам без какого-либо топлива, благодаря специальному винтовому двигателю. Двигатель, который станет основой всех космических кораблей будущего.

Дизайнер Дэвид Бернс Центра космических полетов им. Маршалла в Алабаме, «винтовой двигатель» использует эффекты изменения массы, происходящие на скоростях, близких к скорости света. Бернс опубликовал документ с описанием концепции сервера технических отчетов НАСА.

Само собой разумеется, что его работа вызвала некоторый скептицизм со стороны его коллег, но Бернс считает, что эта концепция верна и заложит основу для многих будущих космических двигателей. «Если кто-то докажет, что это не работает, у меня не будет проблем передумать, но этот вариант тоже стоит изучить», — говорит он.

Как работает винтовой мотор?

Чтобы понять принцип работы винтового двигателя, созданного Бернсом, попробуйте представить коробку на поверхности, не имеющей трения. Внутри коробки находится планка, вокруг которой проходит кольцо. Если импульс внутри коробки толкает кольцо, оно скользит вперед, а коробка движется в противоположном направлении. Как только вы ударитесь о край коробки, кольцо откатится, и коробка тоже, изменив свое направление. В нормальных условиях третий закон динамики вызывает колебания справа налево от кольца.

Но что бы произошло, задается вопросом Бернс, если бы масса кольца была больше, когда оно движется в одном направлении, и маленькой, когда оно возвращается в противоположном направлении? Фактически, действие было бы сильнее реакции, третий закон динамики был бы проигнорирован, и ящик двигался бы вперед и вперед.

Как это кольцо может изменить свою массу?

Это не «запрещено» физикой. Специальная теория относительности Эйнштейна утверждает, что объект набирает массу по мере приближения к скорости света (эффект, который можно минимально продемонстрировать с помощью современных ускорителей частиц).

Фактически, если мы заменим кольцо в ящике ускорителем частиц, мы получили результат. Ионы внутри кольца будут разноситься до скоростей, близких к скорости света (увеличение массы), когда оно движется в одном направлении, и замедление их (уменьшение массы), когда они движутся в другом.

Это можно сделать еще лучше

Бернс считает, что система была бы еще более эффективной, если бы она была сделана без палки и кольца, и заменил все на один ускоритель частиц в форме спирали, способный заставить частицы совершать как поперечное, так и продольное движение: спиральное движение.

Как насчет коробки?

Предполагаю, что понадобится довольно большая. Неслучайно размеры этого двигателя составляют порядка 200 метров в длину и 12 в диаметре. Согласно расчетам, необходимая энергия также огромна: требуется 165 мегаватт энергии для создания тяги, равной 1 ньютону (это сила, которую мы используем для нажатия клавиши на клавиатуре).

По этой причине двигатель может работать только в «большой коробке без трения» (или почти): в космическом пространстве.

«При наличии необходимого количества времени и энергии этот двигатель может достичь 99% скорости света в космосе», — говорит Бернс.

В конце 70-х годов американский изобретатель Роберт Кук запатентовал конструкцию двигателя, способного преобразовывать центробежную силу в поступательное движение.

Тридцать лет спустя, в начале 30-х, английский изобретатель Роджер Шоуер предложил электромагнитный привод, который, по его словам, можно было преобразовать в импульс микроволнового излучения.

Прототип EM Drive

В январе 2017, магнитный двигатель, разработанный в лаборатории Eagleworks НАСА казалось, попал в цель, но более подробные испытания выявили конструктивную ошибку в этих магнитных движителях. Явление также известно как «как отлить двигатель».

Ни одна концепция еще не была успешно протестирована: оба они считаются невозможными за нарушение основного закона физики, закон сохранения момента импульса.

Мартин Таймар Дрезденский технологический университет в Германии провел испытания EM Drive (безуспешно) и считает, что винтовой двигатель, вероятно, будет иметь те же проблемы.

«На мой взгляд, никакая инерционная двигательная установка никогда не будет работать в космосе», — говорит он.

Принцип этого невозможного двигателя соответствует специальной теории относительности, что делает его особенным, но «к сожалению, всегда необходимо учитывать механизм действия-противодействия».

Бернс работал самостоятельно и признает, что модель двигателя довольно неэффективна. Тем не менее, это не наносит ущерба принципу, и считает, что есть потенциал для улучшения.

«Я знаю риски, связанные с внедрением таких технологий, как холодный синтез или EM Drive», кости. «Я знаю, что моя репутация будет обсуждаться, но вы должны рискнуть, если хотите изобрести что-то новое».

Такое впечатление, что я нашел очень интересные идеи из крайне зарождающегося проекта. Все идеи присутствуют, но все кажется преждевременным.

Возможно, что касается работы Бернса через 500 и более лет, инженеры будущего, совершившего межзвездные путешествия, увидят в своих проектах то, что мы видим сегодня, когда они поставят перед нами вертолет, разработанный Леонардо.

Китайцы законы физики! Новое изобретение, США в ШОКЕ!!!!: yaroslavkarpov — LiveJournal

Китайская гравицапа. Может ли двигатель работать вопреки законам физики?

Учёные из Поднебесной представили двигательную установку, которая обходится без топлива и якобы нарушает законы физики. Как такое может быть?
Двигатель EmDrive создаёт тягу непонятно по каким физическим законам. Поэтому его поспешили сравнить с гравицапой из комедии Георгия Данелии «Кин-дза-дза!».
Двигатель EmDrive создаёт тягу непонятно по каким физическим законам. Поэтому его поспешили сравнить с гравицапой из комедии Георгия Данелии «Кин-дза-дза!». © / Коллаж АиФ

Китайский телеканал показал сюжет об испытаниях рабочей модели двигателя EmDrive. Он представляет собой металлический усечённый конус, снабжённый устройством под названием магнетрон. Магнетрон создаёт микроволны, а резонатор накапливает энергию их колебаний. Это даёт возможность преобразовывать микроволновое излучение в тягу.

Получается, что тяга возникает без использования топлива и реактивного выброса. Эксперты недоумевают: раз у двигательной установки нет расходуемого рабочего тела, значит, она нарушает закон сохранения импульса!
Гравицапа или «любопытное явление»?

Двигатель, по форме напоминающий перевёрнутое ведро, китайцы намерены испытать в космосе. Они уверенно заявляют о том, что их установка способна долететь до края Солнечной системы за несколько месяцев! И когда-нибудь наши потомки будут бороздить бескрайние просторы космоса на аппаратах, снабжённых этим чудо-двигателем.

Подробности конструкции держатся в секрете. Но в общих чертах (и крайне упрощённо) принцип её работы можно описать так. Представьте себе шарик для пинг-понга, запущенный внутрь усечённого конуса с огромной скоростью. Отталкиваясь от стенок, он будет давить на них и двигать конструкцию в сторону узкой её части. Вот так же внутри конуса гуляют микроволны, излучённые магнетроном — электронным прибором наподобие тех, что стоят в обычных СВЧ-печах на наших кухнях.

Известие об испытаниях китайцами нового двигателя взбудоражило российскую интернет-общественность. «Летающее ведро», «космическая микроволновка», «гравицапа» — такими эпитетами наградили загадочную разработку пользователи Сети. Причём слово «гравицапа» прозвучало из уст представителя академического сообщества. Ведущий научный сотрудник Института космических исследований РАН Натан Эйсмонт признался, что этим термином, позаимствованным из комедии Георгия Данелии «Кин-дза-дза!», в профессиональной среде называют сомнительные устройства, которые якобы способны двигаться с нарушением законов физики.
Возможен ли вечный двигатель?

«Это не внушает никакого доверия, выглядит блефом и уткой, — уверен Натан Эйсмонт. — Движение и тяга без отброса массы невозможны. В одну сторону летят продукты сгорания в двигателе, а в другую летит ракета. Все мы, конечно, хотим чудес. Но этот двигатель, скорее всего, не функционирует так, как утверждают разработчики».

Об ошибке эксперимента (неправильных замерах, неучтённых данных) говорят и другие учёные. Правда, не все из них столь категоричны. Американский физик Брайс Кассенти подчёркивает, что не считает заявление специалистов из Китая враньём или подделкой. Да, с одной стороны, работа двигателя EmDrive нарушает третий закон Ньютона (согласно ему сила сама по себе возникнуть не может, ей нужно противодействие, иначе рушится вся современная физика). Но с другой — не исключено, что китайские учёные смогли увидеть «какие-то сдвиги в двигателе из-за появления различных побочных эффектов». Проще говоря, «есть любопытные физические явления, которые было бы интересно изучить и объяснить». Финальная проверка работоспособности нового двигателя, по мнению Кассенти, будет возможна только в космосе, где на него не будут оказывать влияние никакие силы. Тогда удастся измерить реальную силу тяги и понять, стоит ли возлагать на чудо-двигатель какие-то надежды в освоении космоса.
Что такое квантовая телепортация? Отвечает физик
Подробнее

Китайцы — молодцы?

Тут стоит сказать, что история этого проекта (каким бы он ни был лженаучным или, наоборот, вполне научным) началась не вчера. В 2002 г. британский инженер Роджер Шойер представил общественности прототип электромагнитного двигателя необычной конструкции. Это было устройство, по форме напоминающее запаянное с двух сторон ведро и снабжённое магнетроном, который генерирует микроволновое излучение. Оно создавало небольшую тягу, но, как и следовало ожидать, было отвергнуто большей частью научного сообщества, поскольку нарушало уже упомянутый закон сохранения импульса.
Что такое Демон Максвелла и как он работает?

В дальнейшем изобретатель работал над усовершенствованием двигателя и получил английский патент на одну из его версий. В разных странах у Шойера стали появляться последователи — испытания проводились в Германии, США, Китае. Результаты были туманны, работоспособность чудо-двигателя и не подтверждалась, и не опровергалась. Сторонние наблюдатели говорили о возможных погрешностях и неточностях, сами исследователи — о необходимости проводить дальнейшие эксперименты. А поскольку на это всегда нужны деньги, всех их в конце концов заподозрили в шарлатанстве и причислили к сонму лжеучёных. Впрочем, так считают не все.

«Это выглядит удивительным, но никакого нарушения законов физики в данном экс­перименте нет, — пояснил „АиФ“ завотделом Института прикладной математики им. Келдыша РАН, доктор физ.-мат. наук Георгий Малинецкий. — Я не считаю эту идею лженаучной. Наука продвинулась далеко вперёд, и учёные пытаются превратить энергию электромагнитного поля в энергию движения. Подобные проекты, насколько я знаю, реализовываются и в НАСА. По крайней мере, у американцев есть демонстрационный образец. В нашей стране эта идея в своё время тоже обсуждалась, но в каком состоянии разработки находятся сейчас (и брались ли за них вообще), мне неизвестно. Так что остаётся порадоваться за китайских коллег. Они молодцы — не побоялись, начали всерьёз работать в этом направлении и, судя по всему, добились результата».
Михаил Маров. Почему в космосе нас обошли уже даже Китай и Индия?

По словам Малинецкого, назначение двигателя EmDrive — это прежде всего космос. На Земле он вряд ли пригодится: той слабой тяги, что он развивает, будет явно недостаточно, чтобы гонять по дорогам. А вот в космосе, чтобы «подтянуть» сползающий с орбиты спутник, удержать его на нужной высоте, её вполне хватит. Ведь там важнее не сила тяги, а необходимость свести к минимуму количество топлива, которое при доставке на орбиту становится поистине золотым. В случае же с EmDrive никакого топлива не нужно.

Похоже, мы в очередной раз убеждаемся, что амбиции Китая простираются далеко за пределы Земли. И в освоении космоса наш восточный сосед намерен потихоньку забрать пальму первенства у России и США. Что остаётся делать нам? Конечно, можно радоваться, можно завидовать, но лучше сделать всё возможное, чтобы удержать своё лидерство в этой отрасли.

Законы физики не поколеблены — Мои мысли… — LiveJournal

?

Previous Entry | Next Entry

Найдено объяснение принципу работы «невозможного» двигателя. Законов физики он не нарушает. При этом, к этому имеют отношение коты — правда, не настоящие, а шрёдингеровские. Так что опровергателям фундаментальных законов природы — очередной облом.

Ученые из Лиссабонского университета (Португалия) выяснили принцип работы EmDrive — «невозможного двигателя», действие которого до сих пор не получило объяснения в рамках законов сохранения импульса, сообщает Science Alert.

Эксперты заявляют, что двигатель не нарушает физические законы — он работает согласно фундаментальным правилам, если учитывать экспериментальную волновую теорию. Так называемая волна-пилот объясняет с точки зрения классической физики понятия коллапса волновой функции и парадокса кота Шредингера.

По словам ученых, теория утверждает, что объект генерирует поле, а затем притягивается к определенным областям этого поля, где плотность энергии наиболее высока. Именно на этом и построен принцип работы «невозможного двигателя».

Споры вокруг EmDrive возобновились с новой силой после сразу двух заявлений. Сначала НАСА сообщило о создании прототипа двигателя, называемого электромагнитным двигательным приводом, который может сократить полет до Марса до 10 недель. А спустя некоторое время сообщения о создании супердвигателя пошли и из Китая. Китайские ученые заявили, что прототип EmDrive прошел испытания на борту космической лаборатории Tiangong-2.

В настоящее время специалисты из Лиссабона пытаются создать реальное устройство, построенное на принципе волны-пилота. Если португальские ученые реализуют свою задумку, то это будет двигатель гораздо мощнее прототипов НАСА и Китая, при этом он сохранит простоту управления.

Источник.

• Терминатор стучится в дверь

  Персонаж Шварценеггера был, в общем-то, довольно смышлёным существом, разве что не понимал юмора и идиом. Но новые компьютеры, кажется, и с этим…

• За Маска топит не только Верола

  А почему бы не топить, если он делает нужные и полезные вещи? И что важно, он стимулирует и других заниматься аналогичными разработками. Самая…

• Четвёртая промышленная революция

  Что это такое? Что случилось? В Давосе 17 января открылся Всемирный экономический форум, на котором второй год подряд одной из главных тем для…

• Конец пожароопасным батареям?

  Придумали, как встроить в них огнетушитель. Изобретена литиево-ионная батарея со встроенным «огнетушителем». Огнегасительные вещества приводятся в…

• Полезный баклан

  В отличие от хулиганов, которых на зоне называют бакланами, и прожорливой птички, разоряющей пруды по разведению съедобной рыбы, этот баклан полезен.…

• Американские китайцы побороли угар

  Город есть такой — Париж, Про него недаром сказано, Как заедешь — угоришь. © Н.А.Некрасов, «Коробейники» При помощи созданной ими молекулы…

• Заглянем в ближайшее будущее

  Тенденции-2017. Источник.

• Новый рабочий класс

  Он не куёт чугуний, не отливает что-то из дерева и не ткёт булки из полихлорвинила. В свободное время такой пролетарий вполне может читать новеллы…

• Где находится духовность?

  Духовность, как и её отсутствие — это функции сознания. Человек сам или под влиянием пропагондонов решает, что ему нужнее — приобрести кружевные…

Live Traffic Stats

Powered by LiveJournal. com

NASA тихо испытывает двигатель, нарушающий законы физики

Экология технологий. NASA успешно испытывает новый космический двигатель, который не использует топливо и в принципе не должен работать

NASA успешно испытывает новый космический двигатель, который не использует топливо и в принципе не должен работать, по крайней мере в соответствии с законами физики. Мы о нем немного знаем, да и концепция не нова. Двигатель, который называется Cannae Drive, хорошо показал себя в прямых испытаниях NASA, отрицая физику.

Cannae Drive построен по работам Роджера Шойера, британского ученого, который задумал так называемый EMDrive. В основе его работы лежит отскакивание микроволн в закрытой камере, которое создает тягу. Шойер так и не нашел того, кто был бы заинтересован в его устройстве, несмотря на многочисленные демонстрации. Его критики просто отрицали устройство, указывая на нарушение закона сохранения движения.

Китайцы тихо испытывают свою версию EMDrive с 72-граммовой тягой, чего достаточно, чтобы вести спутник. Об устройстве просто не сообщают, потому что мало кто верит в саму возможность его существования.

Cannae Drive, по всей видимости, был разработан независимо от EMDrive, хотя работает точно так же. В испытаниях NASA продемонстрировало, что двигатель Cannae был в состоянии создать менее одной тысячной от тяги китайской версии. Но демонстрация показала, что он работает.

NASA — серьезный игрок в области космической науки, поэтому когда команда из агентства представила, что «невозможный» микроволновый двигатель работает, это очень странно: либо результаты ошибочны, либо NASA осуществило серьезный прорыв в сфере космических двигателей.

Британский ученый Роджер Шойер пытался заинтересовать людей в своем EMDrive на протяжении нескольких лет. По его заверениям, EmDrive конвертирует электрическую энергию в тягу, не требует никакого топлива, и всю работу делают микроволны в закрытом контейнере. Он построил ряд демонстрационных установок, но критики стояли на своем: в соответствии с законом сохранения импульса, работать они не могут.

По хорошей научной практике, необходимо было, чтобы третья сторона повторила результаты Шойера. Это произошло: в прошлом году китайская команда инженеров создала свой собственный EmDrive, о котором мы упомянули. Такой двигатель мог бы работать на солнечной энергии, исключая необходимость подачи топлива, которое занимает до половины стартовой массы многих спутников. Китайская работа тоже привлекла немного внимания; похоже, никто на Западе всерьез не верит в такую возможность.

Свой собственный микроволновый двигатель построил и американский ученый Гвидо Фетта, и вот ему как раз удалось убедить NASA испытать его. Результаты оказались положительными.

Команда NASA из Космического центра Джонсона назвала работу «Производство аномальной тяги из радиочастотного устройства, измеренное с помощью низкотягового торсионного маятника». Пять ученых провели шесть дней, создавая испытательное оборудование, а после еще два дня экспериментировали с разными конфигурациями. Испытания включали «нулевое движение», идентичное живой версии, но модифицированное таким образом, что устройство производит нагрузку, которая могла бы проявить некоторый эффект, не связанный с актуальным устройством.

В 90-х годах NASA испытывало то, что можно было бы назвать антигравитационным устройством, основанном на вращающихся сверхпроводящих дисках. Результаты испытаний показывали себя очень хорошо, пока ученые не поняли, что помехи от устройства влияют на измерительные приборы. Это был хороший урок.

Крутильные (торсионные) весы, которые они используют для проверки тяги, были достаточно чувствительны, чтобы обнаружить тягу менее чем в десять микроньютонов, но двигатель на деле произвел от 30 до 50 микроньютонов — меньше одной тысячной от китайских результатов, но определено положительно, несмотря на закон сохранения импульса.

«Результаты испытаний показывают, что проект радиочастотного двигателя с резонирующей полостью, уникального устройства на электроэнергии, производит силу, которую нельзя отнести к любому из известных классических электромагнитных явлений, и, следовательно, может демонстрировать взаимодействие с квантовой вакуумной виртуальной плазмой».

Последняя строка означает, что двигатель может работать, толкая призрачное облако частиц и античастиц, которые постоянно выскакивают на свет и снова исчезают в пустом пространстве. Но команда NASA пытается избежать объяснения своих результатов, просто сообщая о том, что нашла.

Изобретатель двигателя, Гвидо Фетта, назвал его Cannae Drive («Каннский двигатель»), сославшись на битву при Каннах, в которой Ганнибал одержал победу над более сильным римским войском: вы хорошо сражаетесь, оказавшись в трудном положении. Впрочем, как Шойер, Фетта потратил годы, пытаясь убедить скептиков просто взглянуть на него. Похоже, он пришел к успеху.

«Из того, что я понимаю о работе NASA и Cannae, — их радиочастотный двигатель на самом деле работает аналогично EmDrive, кроме того, что асимметричная сила вытекает из пониженного коэффициента отражения на одном конце платы», — говорит Шойер. Он считает, что это снижает удельную тягу двигателя.

Фетта работает над рядом проектов, которые пока не может обсуждать, а PR-команда NASA не смогли получить комментарии у группы ученых. Однако справедливо предположить, что эти результаты были получено довольно быстро, как в случае с аномальными нейтрино быстрее скорости света. Вопрос с теми нейтрино прояснился достаточно быстро, но, учитывая то, что это уже третий случай создания независимого двигателя без топлива, который работает в тестах, аномальную тягу может быть намного сложнее объяснить, чем кажется.

Работающий микроволновый двигатель может серьезно сократить расходы спутников и космических станций, продлить их рабочую жизнь, обеспечить тягой миссии в глубокий космос и доставить астронавтов до Марса за недели, а не за месяцы. Возможно, это станет одним из величайших изобретений Великобритании.

Впрочем, из объяснений NASA можно предположить, что космическое агентство тоже не до конца уверено. Вопрос в другом: можно ли масштабировать этот двигатель и использовать для космических путешествий? Возможно. Но нужно больше исследований. опубликовано econet.ru

Ученые подтвердили работу «невозможного» двигателя — Наука

• Алтайский край
• Бурятия
• Забайкальский край
• Иркутская область
• Кемеровская область
• Красноярский край
• Новосибирская область
• Омская область
• Республика Алтай
• Томская область
• Хакасия
• Республика Тыва
• Все города Сибири

Авторизируйтесь,
чтобы продолжить

Некоторые функции доступны только зарегистрированным пользователям

ЛогинПароль

Неправильный логин или пароль

Напомнить пароль

Войти с помощью

Нет учетный записи?

Зарегистрироваться

30 сентября, пт, 19:24

НАВЕРХ

#Наука

#Космос

#Техника

#Гео

#Здоровье

#Еда

#Психо

#Мистика

08. 09.16, 19:33

Источник:

Sibnet.ru

6216
28

Фото: Jet Propulsion Laboratory

Исследователи доказали возможность потенциально
революционного микроволнового двигателя EmDrive, который нарушает все законы
физики — соответствующая статья вскоре будет опубликована в научном журнале
Journal of Propulsion and Power.

EmDrive работает на базе микроволнового излучения и представляет
собой особую коническую камеру-резонатор, к которой подключён мощный источник
микроволнового излучения, пишет издание Universe Today.Эксперимент доказал существование «частиц дьявола»

Особая геометрия EmDrive позволяет создавать тягу,
устройство способно двигаться без топлива и направленного пучка излучения.
Впервые двигатель был представлен американским конструктором Роджером Шоером в
2001 году.

Физики сразу же заявили, что такой двигатель противоречит
всем законам природы, однако предварительные тесты показали, что EmDrive
работает. Как отмечают эксперты, объяснить его работу с научной точки зрения
реально, однако необходимо пересматривать сразу несколько теорий.

Специалист NASA Хосе Родаль, активно изучавший работу EmDrive в последние
несколько лет, подготовил к публикации статью о проверке работы этого
двигателя, которая на днях прошла процедуру рецензирования. Ожидается, что
исследование может окончательно прояснить возможность постройки «невозможного»
двигателя.

Кроме этого, прототип EmDrive планируется проверить в
космосе — им в скором времени оснастят мини-спутник системы CubeSat, который
выведут на орбиту Земли.

Еще по теме

Банк донорских тканей откроют в Новосибирске

Археологи Алтая изучат разрушающиеся древние поселения

Египтолог заявил об обнаружении мумии царицы Нефертити

Ученые Алтая задумали заместить импортный хмель

смотреть все

Наука

#Наука

#Техника

Читайте также

Калибруем GPS: как улучшить навигацию на смартфонах Android

Однокомнатная берлога: как спят медведи

«Запорожец»: как устроен первый доступный автомобиль

В объективе 2020 года: самые невероятные фото живой природы

Новости Сибири

Самое популярное

Путин согласился вести с Украиной переговоры на новых условиях

Очередь на границе России и Грузии сняли из космоса. ФОТО

Меркель призвала серьезно относиться к словам Путина о ядерной угрозе

Плюсы и минусы: зачем России Донбасс, Херсон и Запорожье

Для просмотра комментариев включите JavaScript.

Актуальные темы

Дорожные войны

Человек и еда

Раскопали в Сибири

О любви и нравах

Экзамены

Домострой

Интерьер с картинки: топ мобильных приложений

Маркировка и начинка: как выбрать качественную светодиодную лампу

Носки и уровень: как хозяйки «убивают» стиральные машины

Начинка и отверстие: чем отличаются манты и буузы

Незаменимая наждачка: чем отличается и где пригодится

Переосмысленное бунгало: новые тренды в интерьере

Подробности

«Его обязательно позовут»: родные ищут мобилизованных

Диверсия века: кто взорвал российские газопроводы в Европу?

Чаусский острог: раскопать правду через 300 лет

Плюсы и минусы: зачем России Донбасс, Херсон и Запорожье

Мультимедиа

Ядерные силы стран мира в сравнении. ИНФОГРАФИКА

«Москвич» и его история. ФОТО

Тело мужчины: где заснули эрогенные зоны

Чем мерили до появления метра. ИНФОГРАФИКА

Нарушает ли варп-двигатель законы физики?

Вселенная больше, чем вы думаете.

Это означает, что любое будущее в дальнем космосе, ожидающее человечество за пределами нашей Солнечной системы, останется за рамками одной жизни, пока мы не разработаем двигатель, превосходящий обычные ракеты. И когда ранее в этом году мир потрясли три исследования, это казалось сбывшейся мечтой: варп-двигатель больше не был научной фантастикой, потенциально открывая теоретическую основу для создания двигателей варп-двигателя со скоростью, превышающей скорость света, которые могли бы сократить полет на Марс. вплоть до минут.

Однако недавнее исследование, опубликованное в журнале препринтов, поставило под сомнение эту теорию, указав на пробел в математике, который может вернуть жизнеспособность физического варп-двигателя в область предположений.

Возникает вопрос: нарушают ли двигатели варп-двигателей законы физики?

Варп-двигатели должны удовлетворять нескольким энергетическим условиям

Десятилетиями исследования в области сверхсветовых (сверхсветовых) путешествий не могли обойтись без необоснованного количества гипотетических частиц, в дополнение к материи, проявляющей «экзотические» физические свойства, такие как отрицательная плотность энергии. Их либо нельзя найти во вселенной, либо они требуют уровня технологического мастерства, намного превосходящего наш. Эрик Ленц, физик и автор второго крупного исследования варп-двигателя в этом году, стремился обойти этот очевидный тупик, экспериментируя с уравнениями поля Эйнштейна, чтобы найти новую конфигурацию искривления пространства-времени, которая представляет собой объем пространства. -время, внутренние свойства которого «искажены» по сравнению с внешней структурой пространства-времени.

Этот метод подходит для поиска сверхсветовых путешествий, поскольку солитон или варп-пузырь позволяет избежать превышения ограничения скорости, которое общая теория относительности Эйнштейна налагает на всю материю во Вселенной (скорость света). Поскольку физическую материю нельзя разогнать от субсветовых до сверхсветовых скоростей без нарушения законов физики, мы могли бы вместо этого попытаться создать солитонный «пузырь» вокруг космического корабля, который перемещает саму ткань пространства-времени со сверхсветовыми скоростями. Теоретически это может привести к сверхсветовым скоростям, не заставляя сам корабль подвергаться непомерно высоким уровням ускорения, безопасно и безопасно внутри внутренней области солитона.

Однако, несмотря на то, что это позволяет избежать перемещения материи за предел скорости (и нарушения законов физики), любой жизнеспособный варп-двигатель должен удовлетворять ряду энергетических условий, одним из которых является условие слабой энергии (WEC). «Условие слабой энергии означает, что энергия , которую видит любой физический наблюдатель, всегда положительна», — объяснила физик и соавтор недавнего исследования Джессика Сантьяго в видеоинтервью с IE. Но в препринтном исследовании Ленца от июня 2020 года он «утверждал, что один наблюдатель видит положительную энергию, но [он] не показал этого в течение всем наблюдателям», — добавил Сантьяго. не пытался пройти WEC, решив вместо этого расширить рамки своего анализа для окончательной версии своего исследования, которое было опубликовано в журнале Classical and Quantum Gravity . «В опубликованной версии мой анализ был расширен, чтобы выглядеть во всех времениподобных кадрах», — сказал он IE. По его словам, Сантьяго и ее коллеги только просмотрели его неопубликованный препринт, избегая обновлений, добавленных к его окончательной опубликованной версии. «Когда я сделал это, я обнаружил, что все еще можно найти класс солитонов, который удовлетворял бы полному WEC — что каждая времяподобная ссылка удовлетворяла бы условию «отсутствия отрицательной плотности энергии». энергия была неотрицательна везде». По сути, Ленц предположил, что Сантьяго и ее коллеги только доказали, что класс варп-двигателей Натарио имеет отрицательную плотность энергии (нарушая WEC), вместо конкретного двигателя, который Ленц использовал для своего последнего исследования. . Но Сантьяго и ее соавторы Мэтт Виссер из Веллингтонского университета и Себастьян Шустер из Карлова университета в Праге не согласились.

«Доказательство нарушений слабого энергетического состояния (нарушения WEC) было сделано в нашей статье без каких-либо дополнительных требований», — пояснил Сантьяго в ответ на контраргумент Ленца. «Это просто и справедливо для всех типовых варп-двигателей Natário, что доказывает, что все, что говорит Ленц [по поводу варп-двигателей Natário с положительной плотностью энергии], неверно». Другими словами, раскол между Сантьяго и ее коллегами и Ленцем сводился к логике. По аналогии можно сказать: если все автомобили Tesla тонут в океане, а ваш окрашен в горошек, это не делает его исключением из всех других металлических объектов, помещенных в океан без достаточной плавучести.

Домашнее задание			процессов
Вернуться к ТОС

(с) Дуг Дэвис, 2002 г. ; все права защищены

Второй закон и двигатели: пример, применение и значение

Второй закон термодинамики можно выразить по-разному, включая направление, в котором протекает процесс, и его необратимость, а также через энтропию. В нем говорится, что:

• Теплопередача в природе происходит только от тел с более высокой температурой к телам с более низкой, но никогда в обратном направлении.

• Энтропия изолированной системы никогда не уменьшается, поскольку изолированные системы стремятся достичь термодинамического равновесия, то есть состояния максимальной энтропии.

Повседневным примером первого выражения второго закона термодинамики является горячий напиток, охлаждающийся и передающий тепловую энергию комнатной температуре из-за более низкой температуры окружающей среды.

Первый закон термодинамики утверждает, что чистая энергия изолированной системы постоянна. Следовательно, энергия не может быть создана или уничтожена, а может только изменять форму. Математически это выражается в том, что теплота, сообщаемая системе, равна сумме изменения внутренней энергии системы и работы, совершаемой системой.

Следовательно, вечное движение, т. е. движение, которое продолжается без потребности в подаче энергии для его поддержания, согласно первому и второму законам термодинамики невозможно.

Энтропия – величина, демонстрирующая невозможность преобразования тепловой энергии в механическую работу.

Ограничения первого и второго законов термодинамики:

• Первый закон не определяет направление потока тепла или самопроизвольный процесс.

• Согласно второму закону, теплота переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой. Обратный процесс невозможен. На практике тепло также не полностью превращается в работу.

Что такое тепловые двигатели?

В термодинамике тепловые двигатели — это системы, которые преобразуют тепловую энергию или теплоту в механическую работу. Некоторыми примерами тепловых двигателей являются бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины, все из которых преобразуют тепловую энергию в механическую работу, используя часть теплопередачи от сгорания.

Основной принцип работы тепловой машины заключается в том, что газ в цилиндре сжимается поршнем. Когда газ в цилиндре нагревается, он расширяется, увеличивая объем, что заставляет поршень двигаться и преобразовывать теплоту в работу. Как только газ достигает равновесия, поршень останавливается. Чтобы продолжать производить работу, двигатель должен использовать циклы с непрерывным возвратно-поступательным движением поршня. Это достигается за счет охлаждения поршня и уменьшения объема, что заставляет поршень двигаться обратно вниз. Следовательно, для непрерывного производства работы в тепловой машине требуется циклическое движение нагрева и охлаждения.

Тепловые двигатели и второй закон термодинамики

Учитывая принцип работы тепловой машины, возможность работы требует взаимодействия радиатора и источника тепла.

Радиатор и источник тепла необходимы для передачи тепловой энергии, поскольку источник тепла более горячий, чем радиатор, что позволяет передавать тепловую энергию от источника к приемнику.

Это показано на рис. 1, который иллюстрирует передачу тепла от горячего объекта (Q _H ) и в холодный объект (Q _c ). На диаграмме также показана работа, совершаемая двигателем (Вт) за счет теплообмена между источником и стоком. T _H — это температура горячего тела или горячего резервуара, а T _C — температура тела с более низкой температурой или холодного резервуара.

Рисунок 1. Схема потока энергии теплового двигателя , Источник: Джорджия Панаги, StudySmarter.

Диаграмма математически выражается в приведенном ниже уравнении, где работа, совершаемая тепловой машиной (Вт), измеряемая в джоулях, равна разнице между теплопередачей горячего резервуара Q _H и холодный резервуар Q _C .

Таким образом, тепловые двигатели работают в соответствии со вторым законом термодинамики и не могут быть объяснены исключительно первым законом, который не относится к направлению тепла.

Второй закон выражается через энтропию, которая всегда возрастает. Следовательно, в циклическом процессе невозможно полностью преобразовать теплоту в работу, так как это означало бы возвращение системы в исходное состояние, что исключается вторым законом в его второй форме.

Циклический процесс — это повторяющийся процесс, который всегда возвращает систему в исходное состояние.

Что такое КПД двигателя?

КПД двигателя — это мера количества входной энергии, которая преобразуется в механическую работу. Для максимальной эффективности двигателя работа, выполняемая двигателем, должна быть равна теплу, передаваемому от поглотителя, что означает, что тепло не передается в окружающую среду. Однако это практически невозможно, так как всегда будет происходить потеря энергии в окружающую среду. Таким образом, КПД двигателя всегда меньше 100%.

Эффективность (η) может быть рассчитана с использованием приведенного ниже уравнения как доля работы (Вт) над теплом, переданным радиатору (Q _H ), и может быть преобразована в проценты путем умножения на 100.

Поскольку работа представляет собой разницу между подводимой теплотой (Q _H ) и теплопотерями (Q _C ), КПД можно переписать, как показано ниже. КПД может быть от 0% до 100% (только если Q _C равен нулю, что практически невозможно). Приведенную ниже формулу можно использовать для циклических двигателей.

Двигатель Карно

Двигатель Карно работает на основе цикла Карно , открытого Сади Карно . Цикл Карно — идеальный цикл, обеспечивающий максимальную эффективность. Принцип Карно гласит, что никакая другая тепловая машина, работающая между источником тепла и поглотителем тепла, не может быть более эффективной, чем реверсивная машина Карно , работающая в тех же условиях.

КПД реверсивного двигателя выше, чем у любого нереверсивного двигателя, так как обратимые двигатели, работающие по циклу Карно, не теряют энергию при обратном ходе процесса, а необратимые двигатели теряют энергию при обратном режиме.

• Процесс считается необратимым, когда энергия теряется в виде тепла из-за трения.
• Процесс считается обратимым, когда энергия теряется в виде тепла из-за естественного явления теплопередачи из-за разницы температур между двумя телами. Энергия течет от горячего тела к более холодному.

Цикл Карно показан на рис. 2 ниже на p-v диаграмме, где теплопередача Q _H происходит во время изотермического пути AB, а теплопередача Q _C возникает при изотермическом тракте CD. Полную проделанную работу (W) можно найти, используя площадь внутри фигуры ABCD.

Для идеальных двигателей КПД или максимальный КПД определяется формулой ниже, где T _H и T _C — температуры источника и стока, соответственно, в Кельвинах. Этот КПД является максимальным КПД, достигаемым идеальной обратимой тепловой машиной, работающей по циклу Карно. В действительности, однако, тепловые двигатели работают с гораздо более низким КПД, чем КПД Карно.

Чтобы двигатель достиг максимальной эффективности, он должен работать в обратимом цикле, в котором энергия не теряется из-за трения. Из уравнения можно сделать вывод, что эффективность максимальна, когда двигатель работает при наибольшей возможной разнице температур. Когда разница температур максимальна, больше тепла передается быстрее, и двигатель выполняет больше работы.

Второй закон термодинамики имеет широкий спектр применений, включая паровые двигатели, двигатели внутреннего сгорания (бензиновые и дизельные двигатели), газотурбинные двигатели и электростанции.

Электростанция отдает 5⋅10 ¹² Дж тепла от угля и 1,8⋅10 ¹² Дж в окружающую среду. Определить работу, совершаемую двигателем электростанции, и КПД электростанции.

Чтобы определить объем работы, мы должны рассмотреть передачу тепла от источника и стока. В данном случае источником является уголь, а поглотителем – окружающая среда. Следовательно, выход работы определяется разницей теплообмена между двумя резервуарами.

Для определения КПД необходимо рассчитать долю произведенной работы над теплопередачей источника.

Мощность двигателя

Выходная мощность (P) тепловой машины определяется как работа, совершаемая двигателем в единицу времени в секундах, как показано в приведенном ниже уравнении. Чем выше выходная мощность, тем выше работа, совершаемая двигателем. Мощность измеряется в ваттах.

Определите выходную мощность тепловой машины, производящей 1500 Дж работы за цикл, когда время, необходимое для завершения цикла, составляет 0,45 секунды.

Второй закон и двигатели. Ключевые выводы

• Тепловые двигатели работают на основе второго закона термодинамики.
• Второй закон термодинамики касается направления теплового потока.
• Максимальным КПД тепловой машины является КПД Карно.
• Выходная мощность тепловой машины – это работа, совершаемая в единицу времени.

Второй закон термодинамики | безграничная физика |

Второй закон

Второй закон термодинамики гласит, что передача тепла происходит самопроизвольно только от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой.

Цели обучения

Сравните концепцию необратимости между первым и вторым законами термодинамики

Ключевые выводы

Ключевые моменты

• Многие термодинамические явления, допускаемые первым законом термодинамики, никогда не происходят в природе.
• Многие процессы протекают самопроизвольно только в одном направлении, и второй закон термодинамики имеет дело с направлением самопроизвольных процессов.
• Согласно второму закону термодинамики, ни один процесс не может иметь единственным результатом передачу тепла от более холодного объекта к более горячему.

Ключевые термины

• энтропия : Мера того, насколько равномерно энергия (или какое-либо аналогичное свойство) распределяется в системе.
• первый закон термодинамики : Вариант закона сохранения энергии, специализированный для термодинамических систем. Обычно выражается как ΔU=Q-W.

Необратимость

Второй закон термодинамики касается направления самопроизвольных процессов. Многие процессы протекают самопроизвольно только в одном направлении, т. е. необратимы при данном наборе условий. Хотя необратимость наблюдается в повседневной жизни — например, разбитое стекло не возвращается в исходное состояние — полная необратимость — это статистическое утверждение, которое нельзя увидеть в течение жизни Вселенной. Точнее, необратимый процесс — это процесс, зависящий от пути. Если процесс может идти только в одном направлении, то обратный путь принципиально иной и процесс не может быть обратимым.

Например, теплота связана с передачей энергии от более высокой температуры к более низкой. Холодный объект при соприкосновении с горячим никогда не становится холоднее, передавая тепло горячему объекту и делая его горячее. Кроме того, механическая энергия, например кинетическая энергия, может быть полностью преобразована в тепловую энергию трения, но обратное невозможно. Горячий неподвижный объект никогда самопроизвольно не остывает и не приходит в движение. Еще одним примером является расширение струи газа, введенной в один из углов вакуумной камеры. Газ расширяется, заполняя камеру, но никогда не собирается в углу. Беспорядочное движение молекул газа могло бы привести их всех обратно в угол, но этого никогда не происходит.

Односторонний процесс в природе : Примеры одностороннего процесса в природе. а) Теплопередача происходит самопроизвольно от горячего к холодному, а не от холодного к горячему. (b) Тормоза этого автомобиля преобразуют его кинетическую энергию в передачу тепла окружающей среде. Обратный процесс невозможен. (c) Выброс газа, впущенного в эту вакуумную камеру, быстро расширяется, чтобы равномерно заполнить все части камеры. Беспорядочные движения молекул газа никогда не вернут их в угол.

Второй закон термодинамики

Тот факт, что определенные процессы никогда не происходят, говорит о том, что существует закон, запрещающий им происходить. Первый закон термодинамики допускает их возникновение — ни один из этих процессов не нарушает закон сохранения энергии. Закон, запрещающий эти процессы, называется вторым законом термодинамики. Мы увидим, что второй закон можно сформулировать разными способами, которые могут показаться разными, но на самом деле эти способы эквивалентны. Как и все законы природы, второй закон термодинамики дает представление о природе, и несколько его утверждений подразумевают, что он широко применим, коренным образом влияя на многие, казалось бы, несопоставимые процессы. Уже знакомое нам направление теплопередачи от горячего к холодному лежит в основе нашей первой версии второго закона термодинамики.

Термодинамика и тепловые двигатели : Краткое введение в тепловые двигатели и термодинамические концепции, такие как двигатель Карно, для студентов.

Второй закон термодинамики (первое выражение): Теплопередача происходит самопроизвольно от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении.

Закон гласит, что ни один процесс не может иметь своим единственным результатом передачу тепла от более холодного объекта к более горячему. Позже мы выразим этот закон в других терминах, в первую очередь в терминах энтропии.

Тепловые двигатели

В термодинамике тепловой двигатель — это система, которая выполняет преобразование тепла или тепловой энергии в механическую работу.

Цели обучения

Обоснуйте, почему КПД является одним из наиболее важных параметров любой тепловой машины

Ключевые выводы

Ключевые моменты

• Циклический процесс возвращает систему, например газ в цилиндре, в исходное состояние в конце каждой цикл. В большинстве тепловых двигателей, таких как поршневые двигатели и вращающиеся турбины, используются циклические процессы.
• Второй закон термодинамики можно выразить следующим образом: ни в какой системе теплопередача от резервуара не может полностью превратиться в работу в циклическом процессе, при котором система возвращается в исходное состояние.
• Эффективность тепловой машины (Eff) определяется как чистая выходная мощность двигателя W, деленная на теплопередачу двигателю:

  Eff=WQh=1−QcQh\text{Eff} = \frac{\text{W} }{\text{Q}_\text{h}} = 1 — \frac{\text{Q}_\text{c}}{\text{Q}_\text{h}}Eff=Qh​W ​=1−Qh​Qc​​

  , где Q _c и Q _h обозначают передачу тепла в горячий (двигатель) и холодный (в окружающую среду) резервуар.

Ключевые термины

• тепловая энергия : Внутренняя энергия системы, находящейся в термодинамическом равновесии из-за ее температуры.
• внутренняя энергия : Сумма всей энергии, присутствующей в системе, включая кинетическую и потенциальную энергию; эквивалентно энергии, необходимой для создания системы, за исключением энергии, необходимой для смещения ее окружения.

В термодинамике тепловой двигатель — это система, которая выполняет преобразование тепла или тепловой энергии в механическую работу. Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины — все это тепловые двигатели, которые работают, используя часть теплопередачи из какого-либо источника. Теплоотдача от горячего тела (или горячего резервуара) обозначается как Q _h , а теплопередача в холодный предмет (или холодный резервуар) Q _c , а работа, совершаемая двигателем, равна W. горячие и холодные резервуары Т _ч и Т _с соответственно.

Теплопередача : (a) Теплопередача происходит спонтанно от горячего объекта к холодному, в соответствии со вторым законом термодинамики. б) Тепловая машина, представленная здесь кружком, использует часть теплопередачи для совершения работы. Горячие и холодные объекты называются горячими и холодными резервуарами. Qh — теплоотдача из горячего резервуара, W — работа, Qc — теплопередача в холодный резервуар.

Термодинамика и тепловые двигатели : Краткое введение в тепловые двигатели и термодинамические концепции, такие как двигатель Карно, для студентов.

Поскольку горячий резервуар нагревается снаружи, что требует больших затрат энергии, важно, чтобы работа выполнялась максимально эффективно. На самом деле хотелось бы, чтобы W было равно Q _h , и чтобы не было передачи тепла в окружающую среду (Q _c =0). К сожалению, это невозможно. Второй закон термодинамики (второе выражение) также утверждает относительно использования теплопередачи для выполнения работы: Ни в одной системе теплопередачи от резервуара невозможно полностью преобразовать в работу циклический процесс, при котором система возвращается в исходное состояние.

Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла. В большинстве тепловых двигателей, таких как поршневые двигатели и вращающиеся турбины, используются циклические процессы. Второй закон в его второй форме ясно утверждает, что в таких двигателях не может быть совершенного преобразования теплопередачи в совершаемую работу.

Эффективность

Циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. По определению внутренняя энергия такой системы U одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть ΔU=0. Первый закон термодинамики гласит, что ΔU=Q−W, где Q — чистая теплопередача в течение цикла (Q=Q _ч — Q _c ), а W — чистая работа, выполненная системой. Поскольку ΔU=0 для полного цикла, мы имеем W=Q. Таким образом, чистая работа, совершаемая системой, равна чистой передаче тепла в систему, или

W=Qh−Qc\text{W} = \text{Q}_\text{h} — \text{Q}_\text{c}W=Qh−Qc​

(циклический процесс),

так же, как схематично показано на (b).

КПД – один из важнейших параметров любой тепловой машины. Проблема в том, что во всех процессах происходит значительная теплопередача Q _c , теряемая в окружающую среду. При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой получения на выходе меньше, чем вкладываем. Определим КПД тепловой машины ( Eff ) равно его полезной выходной мощности W, деленной на теплоотдачу двигателю Q _ч:

Eff=WQh\text{Eff} = \frac{\text{W}}{\text{Q}_ \text{h}}Eff=Qh​W​

.

Так как W=Q _h −Q _c в циклическом процессе, мы также можем выразить это как

Eff=Qh−QcQh=1−QcQh\text{Eff} = \frac{\text{Q} _\text{h} — \text{Q}_\text{c}}{\text{Q}_\text{h}} = 1 — \frac{\text{Q}_\text{c}} {\text{Q}_\text{h}}Eff=Qh​Qh​−Qc​=1−Qh​Qc​​

(для циклического процесса),

разъясняя, что КПД 1, или 100%, возможен только при отсутствии передачи тепла в окружающую среду (Q _c =0).

Циклы Карно

Цикл Карно является наиболее эффективным из возможных циклических процессов, и в его цикле используются только обратимые процессы.

Цели обучения

Проанализируйте, почему двигатель Карно считается идеальным двигателем

Основные выводы

Ключевые моменты

Ключевые термины

• Второй закон термодинамики : Закон, утверждающий, что энтропия изолированной системы никогда не уменьшается, поскольку изолированные системы самопроизвольно развиваются в направлении термодинамического равновесия — состояния максимальной энтропии. Точно так же вечные двигатели второго рода невозможны.
• тепловая машина : Любое устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу.

Из второго закона термодинамики мы знаем, что тепловая машина не может быть на 100 % эффективнее, так как всегда должна существовать некоторая теплопередача Q _c к окружающей среде. (См. наш атом в «Тепловых двигателях».) Насколько эффективным может быть тогда тепловой двигатель? На этот вопрос на теоретическом уровне ответил молодой французский инженер Сади Карно (1796–1832) в 1824 г., изучая появившуюся в то время технологию теплового двигателя, решающую для промышленной революции. Он разработал теоретический цикл, теперь называемый циклом Карно, который является наиболее эффективным из возможных циклических процессов. Второй закон термодинамики можно переформулировать в терминах цикла Карно, и, таким образом, Карно на самом деле открыл этот фундаментальный закон. Любая тепловая машина, использующая цикл Карно, называется двигателем Карно.

Для цикла Карно важно то, что используются только обратимые процессы. Необратимые процессы связаны с диссипативными факторами, такими как трение и турбулентность. Это увеличивает теплоотдачу Q _c в окружающую среду и снижает КПД двигателя. Очевидно, что обратимые процессы предпочтительнее.

Второй закон термодинамики (третья форма): Двигатель Карно, работающий между двумя заданными температурами, имеет максимально возможный КПД любой тепловой машины, работающей между этими двумя температурами. Кроме того, все двигатели, использующие только обратимые процессы, имеют одинаковую максимальную эффективность при работе в пределах одних и тех же заданных температур.

Эффективность

Цикл Карно состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов. Напомним, что и изотермические, и адиабатические процессы в принципе обратимы.

Диаграмма PV для цикла Карно : Диаграмма PV для цикла Карно, использующего только обратимые изотермические и адиабатические процессы. Теплопередача Qh в рабочее тело происходит по изотермическому пути AB, который протекает при постоянной температуре Th. Теплопередача Qc происходит от рабочего тела по изотермическому пути CD, который протекает при постоянной температуре Tc. Чистый выход W равен площади внутри пути ABCDA. Также показана схема двигателя Карно, работающего между горячим и холодным резервуарами при температурах Th и Tc.

Карно также определил КПД идеальной тепловой машины, то есть машины Карно. Всегда верно, что КПД циклической тепловой машины определяется выражением:

Eff=Qh−QcQh=1−QcQh\text{Eff} = \frac{\text{Q}_\text{h} — \text {Q}_\text{c}}{\text{Q}_\text{h}} = 1-\frac{\text{Q}_\text{c}}{\text{Q}_\text {h}}Eff=Qh​Qh​−Qc​=1–Qh​Qc​​

.

Карно обнаружил, что для идеальной тепловой машины отношение Q _c / Q _h равно отношению абсолютных температур резервуаров тепла. То есть Q _c /Q _h =T _c /T _h для двигателя Карно, так что максимальный КПД Eff _C определяется как

Effc=1−TcTh\text{Eff }_\text{c} = 1-\frac{\text{T}_\text{c}}{\text{T}_\text{h}}Effc​=1−Th​Tc​​

, где T _h и T _c в кельвинах. (Вывод формулы немного выходит за рамки этого атома.) Никакая настоящая тепловая машина не может работать так же хорошо, как КПД Карно — фактический КПД около 0,7 от этого максимума обычно является лучшим, чего можно достичь.

Тепловые насосы и холодильники

Тепловой насос — это устройство, которое передает тепловую энергию от источника тепла к радиатору против градиента температуры.

Цели обучения

Объясните, как компоненты теплового насоса вызывают передачу тепла от холодного резервуара к горячему

Основные выводы

Ключевые моменты

• Задача теплового насоса состоит в передаче тепла Qh в теплую окружающую среду, например дома зимой.
• Задача кондиционеров и холодильников заключается в передаче тепла Qc из прохладной среды, например, при охлаждении помещения или хранении продуктов при более низких температурах, чем температура окружающей среды.
• Тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и обогреватель в одном флаконе. Это стало возможным благодаря реверсированию потока его хладагента, изменению направления полезной теплопередачи.

Основные термины

• CFC : Органическое соединение, обычно используемое в качестве хладагента. Больше не используется из-за эффекта разрушения озонового слоя.

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют передачу тепла от холодного к горячему. Теплопередача (Q _c ) происходит из холодного резервуара в горячий. Для этого требуется затрата работы W, которая также преобразуется в теплопередачу. Таким образом, теплопередача в горячий резервуар составляет Q _ч = Q _c + Вт. Миссия теплового насоса заключается в передаче тепла Q _h в теплой среде, например в доме зимой. Задача кондиционеров и холодильников заключается в передаче тепла Q _c из прохладной среды, например, для охлаждения комнаты или хранения продуктов при более низких температурах, чем температура окружающей среды. На самом деле, тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и обогреватель в одном флаконе. В этом разделе мы сосредоточимся на его режиме нагрева.

Тепловые насосы

В базовом тепловом насосе используется рабочая жидкость, такая как хладагент, не содержащий хлорфторуглеродов. Основными компонентами теплового насоса являются конденсатор, расширительный клапан, испаритель и компрессор. В наружных змеевиках (испарителях) теплообмен Q _c происходит от холодного наружного воздуха к рабочему телу, превращая его в газ. Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность W) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, находящиеся внутри отапливаемого помещения. Поскольку температура газа выше температуры внутри помещения, происходит передача тепла в помещение, и газ конденсируется в жидкость. Затем жидкость возвращается через редукционный клапан к наружным змеевикам испарителя, охлаждаясь за счет расширения. (В цикле охлаждения змеевики испарителя и конденсатора меняются ролями, и направление потока жидкости меняется на противоположное.)

Простой тепловой насос : Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) конденсатор, (2) расширительный клапан, (3) испаритель и (4) компрессор.

Коэффициент полезного действия

О качестве теплового насоса судят по тому, сколько тепла Q _ч передается в теплое помещение по сравнению с тем, сколько работы W требуется. Мы определяем коэффициент полезного действия теплового насоса (COP _{л. с.} ) как

COPhp=QhW\text{COP}_{\text{hp}} = \frac{\text{Q}_\text{h}} {\text{W}}COPhp​=WQh​​

.

Поскольку КПД тепловой машины равен Eff = W/Q _ч , мы видим, что COP _л.с. = 1/ Eff . Поскольку КПД любой тепловой машины меньше 1, это означает, что КПД _л.с. всегда больше 1, т. е. теплопередача теплового насоса Q _ч всегда больше, чем затраченная на него работа. Еще один интересный момент заключается в том, что тепловые насосы лучше всего работают при небольшой разнице температур. КПД совершенной машины (или машины Карно) равен 9.0003

EffC=1TcTh\text{Eff}_\text{C}=1\frac{\text{T}_\text{c}}{\text{T}_\text{h}}EffC​=1Th Тк

;

Таким образом, чем меньше разница температур, тем меньше КПД и больше КПД _л.с. .

Кондиционеры и холодильники

Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения чего-либо в теплой среде. Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холодного к горячему требуется затрата работы. О качестве кондиционеров и холодильников судят по величине теплоотдачи Q _c происходит из-за холода по сравнению с тем, сколько работы W требуется. То, что считается преимуществом в тепловом насосе, считается отходящим теплом в холодильнике. Таким образом, мы определяем коэффициент полезного действия (COP _ref ) кондиционера или холодильника как

COPref=QcW\text{COP}_{\text{ref}} = \frac{\text{Q}_\ text{c}}{\text{W}}COPref​=WQc​​

.

Так как Q _h = Q _c +W и COP _л.с. = Q _h /W, получаем, что

COPref=COPhp−1\text{COP}_{\text{ref}} = \text{COP}_{\text{hp}} -1COPref=COPhp−1

.

Также из Q _h >Q _c мы видим, что кондиционер будет иметь более низкий коэффициент полезного действия, чем тепловой насос.

Лицензии и атрибуции

Контент под лицензией CC, совместно используемый ранее

• Курирование и доработка. Предоставлено : Boundless.com. Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

Лицензионный контент CC, конкретное указание авторства

• OpenStax College, College Physics. 17 сентября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : https://openstax.org/books/college-physics/pages/15-3-introduction-to-the-second-law-of-thermodynamics-heat-engines-and-their-efficiency. Лицензия : CC BY: Attribution
• первый закон термодинамики. Предоставлено : Википедия. Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• энтропия. Предоставлено : Википедия. Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Колледж OpenStax, Колледж физики. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : https://openstax.org/books/college-physics/pages/15-3-introduction-to-the-second-law-of-thermodynamics-heat-engines-and-their-efficiency. Лицензия : CC BY: Attribution
• Термодинамика и тепловые двигатели. Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
• OpenStax College, College Physics. 17 сентября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : https://openstax.org/books/college-physics/pages/15-3-introduction-to-the-second-law-of-thermodynamics-heat-engines-and-their-efficiency. Лицензия : CC BY: Attribution
• Тепловая машина. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_engine. Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Безграничный. Предоставлено : Безграничное обучение. Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Тепловая энергия. Предоставлено : Википедия. Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Колледж OpenStax, Колледж физики. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : https://openstax.org/books/college-physics/pages/15-3-introduction-to-the-second-law-of-thermodynamics-heat-engines-and-their-efficiency. Лицензия : CC BY: Attribution
• Термодинамика и тепловые двигатели. Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
• Термодинамика и тепловые двигатели. Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
• OpenStax College, College Physics. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : https://openstax.org/books/college-physics/pages/15-3-introduction-to-the-second-law-of-thermodynamics-heat-engines-and-their-efficiency. Лицензия : CC BY: Атрибуция
• Колледж OpenStax, Колледж физики. 17 сентября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Лицензия : CC BY: Attribution
• Безгранично. Предоставлено : Безграничное обучение. Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• тепловой двигатель. Предоставлено : Викисловарь. Расположен по адресу : https://en.wiktionary.org/wiki/heat_engine. Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Колледж OpenStax, Колледж физики. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : https://openstax.org/books/college-physics/pages/15-3-introduction-to-the-second-law-of-thermodynamics-heat-engines-and-their-efficiency. Лицензия : CC BY: Attribution
• Термодинамика и тепловые двигатели. Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
• Термодинамика и тепловые двигатели. Лицензия : Общественное достояние: Авторские права неизвестны . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
• OpenStax College, College Physics. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : https://openstax.org/books/college-physics/pages/15-3-introduction-to-the-second-law-of-thermodynamics-heat-engines-and-their-efficiency. Лицензия : CC BY: Атрибуция
• Колледж OpenStax, Колледж физики. 16 января 2015 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Лицензия : CC BY: Атрибуция
• Колледж OpenStax, Колледж физики. 17 сентября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : https://openstax.org/books/college-physics/pages/15-5-applications-of-thermodynamics-heat-pumps-and-refrigerators. Лицензия : CC BY: Attribution
• Тепловой насос. Предоставлено : Википедия. Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Безграничный. Предоставлено : Безграничное обучение. Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Колледж OpenStax, Колледж физики. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : https://openstax. org/books/college-physics/pages/15-3-introduction-to-the-second-law-of-thermodynamics-heat-engines-and-their-efficiency. Лицензия : CC BY: Attribution
• Термодинамика и тепловые двигатели. Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторское право . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
• Термодинамика и тепловые двигатели. Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
• OpenStax College, College Physics. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : https://openstax.org/books/college-physics/pages/15-3-introduction-to-the-second-law-of-thermodynamics-heat-engines-and-their-efficiency. Лицензия : CC BY: Атрибуция
• Колледж OpenStax, Колледж физики. 16 января 2015 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Лицензия : CC BY: Атрибуция
• Колледж OpenStax, Колледж физики. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : https://openstax.org/books/college-physics/pages/15-5-applications-of-thermodynamics-heat-pumps-and-refrigerators. Лицензия : CC BY: Attribution

второй закон термодинамики | Определение, формула и энтропия

Ключевые люди:

Рудольф Клаузиус

Похожие темы:

энтропия
демон Максвелла
Цикл Карно
равновесие
законы термодинамики

Просмотреть весь связанный контент →

Популярные вопросы

Что такое второй закон термодинамики?

Второй закон термодинамики утверждает, что тепло не может перемещаться из резервуара с более низкой температурой в резервуар с более высокой температурой в циклическом процессе. Рудольф Клаузиус, физик, впервые сформулировавший закон, заявил, что «циклическое превращение, единственным конечным результатом которого является передача тепла от тела с данной температурой к телу с более высокой температурой, невозможно». Закон описывает количество работы, которое может быть выполнено в результате передачи тепла.

Когда был открыт второй закон термодинамики?

Шотландский физик Уильям Томсон, также известный как лорд Кельвин, и немецкий физик Рудольф Клаузиус разработали второй закон термодинамики в середине 19 века. Томсон и Клаузиус сформулировали закон немного по-разному, но вскоре оказалось, что эти две версии эквивалентны.

Каковы некоторые применения второго закона термодинамики?

Одним из ярких примеров второго закона термодинамики является модель теплового двигателя. Тепловые двигатели включают цикл повышения и понижения температуры, который приводит в движение поршень. Второй закон термодинамики определяет количество работы, которую может произвести изменение температуры в тепловом двигателе. Закон часто применяется к различным типам двигателей.

Какое отношение второй закон термодинамики имеет к биологии?

Второй закон термодинамики утверждает, что при передаче энергии часть энергии выделяется в виде тепла. Этот неэффективный перенос энергии играет роль во многих биологических системах. В пищевых цепях энергия уходит в виде тепла между трофическими уровнями, при этом потребители получают лишь небольшой процент энергии, хранящейся в их пище. На клеточном уровне энергия, необходимая для поддержания сложной структуры клетки, увеличивает энтропию внешней среды.

Второй закон термодинамики опровергает эволюцию?

Некоторые утверждают, что второй закон термодинамики опровергает эволюцию, потому что закон гласит, что энтропия всегда увеличивается, тогда как эволюция в сложные существа представляет собой уменьшение энтропии. Однако эволюционисты объясняют, что второй закон применим только к системам без внешних источников энергии. Поскольку Земля получает энергию от Солнца, закон вроде бы не противоречит теории эволюции.

второй закон термодинамики , формулировка, описывающая количество полезной работы, которая может быть выполнена в процессе обмена или передачи тепла.

Второй закон термодинамики можно точно сформулировать в следующих двух формах, первоначально сформулированных в XIX веке шотландским физиком Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) и немецким физиком Рудольфом Клаузиусом соответственно:

Подробнее по этой теме

термодинамика: второй закон термодинамики

Первый закон термодинамики утверждает, что энергия должна сохраняться в любом процессе, связанном с обменом тепла и работой между системами…

Циклическое превращение, единственным конечным результатом которого является превращение тепла, извлеченного из источника, который на всем протяжении имеет одинаковую температуру, в работу, невозможно.

Циклическое превращение, единственным конечным результатом которого является передача тепла от тела с данной температурой к телу с более высокой температурой, невозможно.

Эти два утверждения на самом деле эквивалентны, потому что, если бы первое было возможно, то полученную работу можно было бы использовать, например, для производства электричества, которое затем можно было бы разряжать через электрический нагреватель, установленный в теле при более высокой температуре. Чистым эффектом был бы поток тепла от более низкой температуры к более высокой температуре, тем самым нарушая вторую (Клаузиуса) форму второго закона. И наоборот, если бы вторая форма была возможна, то тепло, переданное более высокой температуре, можно было бы использовать для запуска тепловой машины, которая преобразовывала бы часть тепла в работу. Конечным результатом будет преобразование тепла в работу при постоянной температуре — нарушение первой (Кельвина) формы второго закона.

Понятие энтропии было впервые введено в 1850 году Клаузиусом как точный математический способ проверки того, нарушается ли второй закон термодинамики конкретным процессом. Тест начинается с определения, что если количество теплоты Q поступает в тепловой резервуар при постоянной температуре T , то его энтропия S увеличивается на Δ S = Q / T . (На самом деле это уравнение дает термодинамическое определение температуры, которое, как можно показать, идентично обычному термометрическому.) Предположим теперь, что есть два резервуара тепла 9.0017 R ₁ и R ₂ при температурах T ₁ и T ₁ и T ₁ и T ₁ и T ₁ и T ₁ и T ₁ и . Если количество теплоты Q перетекает из R ₁ в R ₂ , то чистое изменение энтропии для двух резервуаров положительно 7 9 0,18 S 90 ₁ > Т ₂ . Таким образом, наблюдение, что тепло никогда не перетекает самопроизвольно из более холодной области в более горячую (форма Клаузиуса второго закона термодинамики), эквивалентно требованию, чтобы чистое изменение энтропии было положительным для спонтанного потока тепла. Если T ₁ = T ₂ , то резервуары находятся в равновесии и Δ S = 0.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подписаться сейчас

Условие Δ S ≥ 0 определяет максимально возможный КПД тепловых двигателей. Предположим, что некоторая система, способная совершать работу циклическим образом (тепловая машина), поглощает теплоту Q ₁ из R ₁ и отдает теплоту Q ₂ в R 1 _{для каждого полный цикл. Поскольку в конце цикла система возвращается в исходное состояние, ее энергия не меняется. Тогда по закону сохранения энергии работа, совершаемая за один цикл, равна 9.0017 W} = Q ₁ − Q ₂ , и чистое изменение энтропии для двух резервуаров возможно относительно Q ₁ . Однако Q ₂ не может быть нулем, потому что это сделало бы Δ S отрицательным и, таким образом, нарушило бы второй закон термодинамики. Наименьшее возможное значение Q ₂ соответствует условию Δ S = 0, что дает это основное уравнение, ограничивающее КПД всех тепловых двигателей, функцией которых является преобразование тепла в работу (таких как генераторы электроэнергии). Фактическая эффективность определяется как доля Q ₁ , которая преобразуется в работу ( W / Q ₁ ).

Таким образом, максимальная эффективность для данных T ₁ и T ₂ представляет собой процесс, для которого Δ S = 0 называется обратимым, потому что бесконечно малого изменения было бы достаточно, чтобы заставить тепловую машину работать в обратном направлении, как холодильник.

Например, свойства материалов ограничивают практическую верхнюю температуру для тепловых электростанций до T ₁ ≅ 1200 K. Принимая T ₂ за температуру окружающей среды (300 K), максимальный КПД 1 − 300/1200 = 0,75. Таким образом, не менее 25 процентов произведенной тепловой энергии должно отводиться в окружающую среду в виде сбросного тепла, чтобы не нарушался второй закон термодинамики. Из-за различных несовершенств, таких как трение и несовершенная теплоизоляция, реальный КПД электростанций редко превышает примерно 60 процентов. Однако из-за второго закона термодинамики никакая изобретательность или усовершенствование конструкции не могут повысить эффективность выше примерно 75 процентов.

Пример тепловой машины иллюстрирует один из многих способов применения второго закона термодинамики. Один из способов обобщить пример — рассмотреть тепловую машину и ее резервуар с теплом как части изолированной (или замкнутой) системы, т. е. такой, которая не обменивается теплом и не взаимодействует с окружающей средой. Например, тепловой двигатель и резервуар могут быть заключены в жесткий контейнер с изолирующими стенками. В этом случае второй закон термодинамики (в представленной здесь упрощенной форме) говорит о том, что какой бы процесс ни происходил внутри сосуда, его энтропия должна возрастать или оставаться неизменной в пределе обратимого процесса. Точно так же, если Вселенная является изолированной системой, то ее энтропия тоже должна увеличиваться со временем. В самом деле, подразумевается, что Вселенная в конечном итоге должна претерпеть «тепловую смерть», поскольку ее энтропия постепенно увеличивается до максимального значения, и все части приходят в тепловое равновесие при одинаковой температуре. После этого никакие дальнейшие изменения, связанные с преобразованием теплоты в полезную работу, были бы невозможны. В общем случае состояние равновесия изолированной системы и есть состояние максимальной энтропии. (Это эквивалентно альтернативному определению термина энтропия как мера беспорядка системы, так что полностью случайная дисперсия элементов соответствует максимуму энтропии или минимуму информации. См. теория информации: энтропия.)

Так какая же связь между энтропией и вторым законом? Напомним, что тепло на молекулярном уровне представляет собой случайную кинетическую энергию движения молекул, а столкновения между молекулами обеспечивают микроскопический механизм переноса тепловой энергии из одного места в другое. Поскольку отдельные столкновения не изменяются при изменении направления времени на противоположное, тепло может течь так же хорошо в одном направлении, как и в другом. Таким образом, с точки зрения фундаментальных взаимодействий ничто не препятствует случайному событию, при котором несколько медленно движущихся (холодных) молекул собираются вместе в одном месте и образуют лед, а окружающая вода становится более горячей. Можно ожидать, что такие случайные события время от времени будут происходить в сосуде, содержащем всего несколько молекул воды. Однако одни и те же случайные события никогда не наблюдаются в полном стакане воды не потому, что они невозможны, а потому, что они крайне маловероятны. Это связано с тем, что даже в маленьком стакане воды содержится огромное количество взаимодействующих молекул (около 10 ²⁴ ), что делает крайне маловероятным, что в ходе своего беспорядочного теплового движения значительная часть холодных молекул соберется вместе в одном месте. Хотя такое спонтанное нарушение второго закона термодинамики не является невозможным, чрезвычайно терпеливому физику пришлось бы ждать, во много раз превышающее возраст Вселенной, чтобы увидеть, как это произойдет.

Вышеизложенное демонстрирует важный момент: второй закон термодинамики носит статистический характер. На уровне отдельных молекул он не имеет смысла, тогда как закон становится существенно точным для описания большого числа взаимодействующих молекул. Напротив, первый закон термодинамики, выражающий закон сохранения энергии, остается в точности верным даже на молекулярном уровне.

Пример таяния льда в стакане с горячей водой также демонстрирует другой смысл термина энтропия , как увеличение случайности и параллельная потеря информации. Первоначально общая тепловая энергия распределяется таким образом, что все медленно движущиеся (холодные) молекулы находятся во льду, а все быстродвижущиеся (горячие) молекулы находятся в воде (или водяном паре). После того, как лед растаял и система пришла в тепловое равновесие, тепловая энергия равномерно распределяется по всей системе. Статистический подход дает ценное понимание смысла второго начала термодинамики, но с точки зрения приложений микроскопическая структура материи становится неактуальной.