Question

Нарушаются ли первое или второе начало термодинамики при самопроизвольном переходе системы из хаотичного состояния в упорядоченное?

Answer 1

Ответ:

Вообще-то, второе начало термодинамики, это не универсальный, а статистический закон. Т. е. не "в закрытой системе энтропия НИКОГДА не убывает", а "в подавляющем большинстве случаев, в в закрытой системе энтропия не убывает". 

Чисто статистически, есть отличная от нуля вероятность того, что выпущенные из воздушного шарика частицы воздуха самопроизвольно в него же вернутся. Более того, есть доказанная математическая теорема, которая утверждает, что такое обязательно случится. Просто, если речь идёт о количествах частиц порядка 10^20, то ждать такого события придётся в миллиарды миллиардов раз дольше, чем существует вселенная, поэтому, с чисто физической точки зрения, можно утверждать, что этого никогда не произойдёт. 

Но, если у нас количество частиц небольшое, например, несколько штук, то законы статистической механики просто не работают. В этом случае, ждать самопроизвольного уменьшения энтропии придётся уже очень намного меньше. 

Строго говоря, это тоже не нарушает второе начало термодинамики, т. к. оно тут просто неприменимо. 

Ну а в открытых системах может происходить что угодно :)

Answer 2

Нет, первое и второе начала термодинамики не нарушаются при самопроизвольном переходе системы из хаотичного состояния в упорядоченное состояние.

Первое начало термодинамики, также известное как закон сохранения энергии, утверждает, что энергия в системе не может быть создана или уничтожена, а только переходить из одной формы в другую или передаваться между системой и окружающей средой. Переход системы из хаотичного состояния в упорядоченное состояние не противоречит этому закону, так как энергия не создается и не исчезает, она лишь перераспределяется.

Второе начало термодинамики утверждает, что энтропия, как мера беспорядка, всегда стремится увеличиваться в изолированной системе. Однако это не означает, что самопроизвольный переход системы из хаотичного состояния в упорядоченное противоречит второму началу термодинамики. В процессе такого перехода может происходить компенсирующее увеличение энтропии в окружающей среде, которое компенсирует упорядоченность системы.

Например, рассмотрим процесс, когда молекулы в газе последовательно упорядочиваются и образуют кристаллическую решетку. На первый взгляд, это может показаться противоречащим второму началу термодинамики, так как система становится более упорядоченной. Однако, чтобы это произошло, энтропия окружающей среды должна увеличиться. Процесс рассеивается в окружающую среду в виде тепла или других форм энергии. Таким образом, упорядочение системы компенсируется увеличением энтропии в окружающей среде.

Ключевым здесь является то, что взаимодействие системы с окружающей средой учитывается. При самопроизвольных процессах эта компенсация энтропии может происходить, и тем самым сохранять справедливость второго начала термодинамики, несмотря на переход системы в упорядоченное состояние.

Answer 3

Первое начало термодинамики утверждает, что энергия в системе сохраняется. Если система переходит из хаотичного состояния в упорядоченное, значит происходит перераспределение энергии в системе. Одной из форм такого перераспределения может быть превращение энергии хаотичного движения частиц в потенциальную энергию или упорядоченное движение частиц.

Второе начало термодинамики утверждает, что энтропия (мера хаоса или неупорядоченности) в изолированной системе всегда будет увеличиваться или оставаться постоянной. Самопроизвольный переход системы из хаотичного состояния в упорядоченное может быть в противоречии с этим принципом. Если энтропия системы уменьшается, то для этого должна быть внешняя энергетическая или информационная подача, т.е., система должна взаимодействовать с окружающей средой или получать энергию из внешних источников.

В то же время, принцип самоорганизации и возникновения порядка в необратимых процессах, таких как фазовые переходы, конденсация, образование кристаллических структур и т.д., демонстрирует возможность самопроизвольного перехода из хаотичного состояния в упорядоченное. Однако, в этих случаях, энтропия окружающей системы, например, окружающей среды или излучения, увеличивается, что соблюдает второе начало термодинамики в глобальном масштабе.

Таким образом, можно сказать, что при самопроизвольном переходе системы из хаотичного состояния в упорядоченное обычно происходит перераспределение энергии в системе, но в глобальном масштабе второе начало термодинамики в среднем должно быть соблюдено путем увеличения энтропии окружающей среды.