92726

Chemia fizyczna - termodynamika molekularna 2009/2010 8

wnętrze Słońca - 2 000 000 K

Czy istnieje szansa, że Wszechświat dojdzie wreszcie do równowagi termodynamicznej, w której nastąpi jego „śmierć cieplna”?

Popatrzmy jeszcze na naszą Ziemię i nakreślmy sobie jakiś rozsądny przedział czasowy, w którym mogłoby dojść do stanu równowagi. Temperatura na Ziemi jest parametrem wyjątkowo niestabilnym, co wynika ze zmieniającej się ilości energii dostarczanej przez Słońce. Zmiany te następują w cyklu dobowym, rocznym (pory roku), a także zależą od szerokości geograficznej i wysokości nad poziomem morza. Czy istnieje szansa, że temperatura na Ziemi ustali się? Stałoby się tak, gdyby Ziemia przestałaby krążyć naokoło Słońca i obracać się wokół własnej osi. Czy może to się zdarzyć w niedalekiej przyszłości? Oczywiście nie - warunki fizyczne na Ziemi w pewnych (czasami dość szerokich granicach) są jednak stabilne i będą takie, lak długo dopóki istnieje Układ Słoneczny i nie zmieniają się właściwości Słońca..

b)    A Układ Słoneczny istnieje i ma się dobrze. Skąd bierze się jego wyjątkowa stabilność, jeśli się zważy, że maksymalną entropię mógłby osiągnąć, gdyby wszystkie planety znalazłyby się we wnętrzu Słońca?

c)    Przeprowadźmy jeszcze jeden zadziwiający eksperyment - przemianę powietrza w żelazo. II Zasada sugeruje, że taka przemiana powinna zajść spontanicznie, bo żelazo jest najtrwalszym pierwiastkiem. Jego synteza termojądrowa uwolniłaby wielką ilość energii, która to rozproszona zapewniłaby maksimum entropii. Ale taka przemiana przecież nie zachodzi!

7.    Zanalizujmy możliwe przyczyny odstępstw od II Zasady, porównując obserwowane układy ze zbiornikiem z gazem.

Wnioski z nich wypływające można przedstawić jako ograniczenia stosowalności II Zasady do układów

-    ergodycznych

-    makroskopowych

-    oraz będących w stanie równowagi

8.    Wszechświat jako całość nic jest:

-    makroskopowy (nie jest układem makroskopowym Układ Słoneczny, ponieważ złożony jest

ze zbyt małej liczby elementów - planet i Słońca)

-    ergodyczny (o ergodyczności za chwilę)

-    i oczywiście nie jest w stanie równowagi.

Układ ergodyczny to taki. w którym wszystkie stany kwantowe są osiągalne. Wszechświat nie jest układem ergodycznym ze względu na występowanie nieprzekraczalnych barier energetycznych. Jest to konsekwencją zbyt małej energii cząsteczek w stosunku do wysokości bariery. Można to interpretować jako występowanie ograniczeń kinetycznych.

Wszechświat nie jest ergodyczny, za takie mogą być uważane jedynie niektóre jego podukłady. Przyjmuje się termin "pseudoergodyczny" na określenie tej cechy Wszechświata. Brak ergodyczności widoczny jest również w układach makroskopowych w niskich temperaturach, kiedy energia cząsteczek jest zbyt niska aby przejść do innych stanów.

9.    Przez analogię do zbiornika z gazem można to przedstawić jako wymóg dostępności wszystkich mikrostanów kwantowych, rozumianej jako posiadanie wystarczającej energii aby zmiany stanów były możliwe.