Стрелу времени часто связывают с тем, что энтропия всегда возрастает. С другой стороны, это должно означать, что если энтропия убывает, время должно идти вспять. Но внутри холодильника такая ситуация. Энтропия внутри холодильника уменьшается (по крайней мере, при охлаждении). Однако, если заглянуть в холодильник во время охлаждения, кажется, что время не бежит вспять. Вещи падают вниз, а не вверх, сломанные вещи сами не собираются и т.д.
Я понимаю, что холодильник не является замкнутой системой и второй закон термодинамики здесь не работает. Но должно ли это также означать, что для такой открытой системы, как холодильник, нельзя определить стрелу времени? Или мы должны заключить, что связь между энтропией и временем есть иллюзия? Если мы не можем использовать энтропию для определения стрелы времени внутри открытой системы, что гарантирует, что время не пойдет назад в холодильнике?
ОБНОВЛЕНИЕ: я нашел недавнюю статью Siegel: Откуда взялась наша стрела времени? где автор излагает в основном одну и ту же мысль разными словами:
...если бы все, что вы делали, это жило в кармане Вселенной, где ее энтропия уменьшалась, время для вас все равно бежало бы вперед. Термодинамическая стрела времени не определяет направление, в котором мы воспринимаем течение времени. Так откуда же берется стрела времени, коррелирующая с нашим восприятием?
Краткий ответ заключается в том, что энтропия в системе уменьшается только за счет того, что отток энтропии больше, чем локальный прирост. Но для стрелы времени важен положительный локальный рост энтропии, и поэтому время не бежит вспять в холодильнике.
Это можно продемонстрировать, используя жидкостное описание открытой системы (холодильника). В жидкостях локальное увеличение энтропии может быть выражено через несохранение плотности энтропии :
Вы можете видеть, что приведенное выше неравенство не является симметричным относительно обращения времени (что приводит к минусу перед а также ). Его смысл как раз и есть локальная формулировка закона возрастания энтропии. Т.е. пока соблюдается закон выше, стрела времени бежит правильно и в правильном направлении. Далее мы увидим, что уменьшение энтропии более крупной открытой системы не противоречит этой локальной стреле времени .
Давайте теперь изучим нашу открытую систему объемов с граничной поверхностью . Проинтегрируем приведенное выше неравенство по всему этому объему, чтобы получить
Таким образом, мы получили неравенство
Но должно ли это также означать, что для такой открытой системы, как холодильник, нельзя определить стрелу времени? Или мы должны заключить, что связь между энтропией и временем есть иллюзия? Если мы не можем использовать энтропию для определения стрелы времени внутри открытой системы, что гарантирует, что время не пойдет назад в холодильнике?
Возьмем ученого, который живет в нашем мире. Поэкспериментировав некоторое время, он заметит следующее:
Если два тела находятся в физическом контакте, энергия всегда будет спонтанно течь от более горячего тела к более холодному, и никогда в противоположном направлении.
Здесь ключевое слово « спонтанно », без какой-либо работы.
Затем ученый определит «прямое» направление во времени как направление, в котором энергия спонтанно течет от более горячего тела к более холодному.
Давайте теперь рассмотрим мини-ученого, живущего в холодильнике. Он родился внутри него и не знает никакой внешней реальности из холодильника. Он никогда не увидит перетока тепла изнутри наружу, потому что для него нет «снаружи» (сделаем гипотезу о том, что внутри холодильника поддерживается примерно постоянная температура). Как мини-ученый определит направление «вперед» во времени?
Ответ таков: так же, как ученый, живущий снаружи . В самом деле, если внутри холодильника соприкоснуться два предмета с разной температурой, тепло всегда будет самопроизвольно перетекать от более горячего тела к более холодному (и, как вы сказали, осколки разбитого стекла волшебным образом не соберутся вместе только потому, что мы внутри холодильника!).
Да, сторонний наблюдатель увидит, что есть поток тепла от более холодного внутри холодильника к более нагретому внешнему окружению, но он также увидит, что холодильник включен в сеть и что работа выполняется, так что процесс не спонтанный. и определение направления «вперед» во времени безопасно.
Так что я бы сказал, что проблема только кажущаяся, и что нет никаких проблем при определении стрелы времени внутри открытой системы.
Энтропия всегда возрастает в замкнутой системе. Вселенная считается закрытой системой, поэтому энтропия Вселенной всегда увеличивается, если ваша стрелка времени не повернута вспять. Холодильник обменивается теплом с окружающей средой, поэтому это не замкнутая система. Если вы проверите сумму энтропии внутри и снаружи холодильника, она будет увеличиваться с течением времени.
Второй закон можно сформулировать без определения понятия энтропии, поскольку он в первую очередь подчеркивает, с одной стороны, как энергия может быть преобразована в работу, а с другой стороны, тот факт, что мы наблюдаем стрелу времени в макроскопическом мире. , например, тепло от горячего к холодному. Эти два утверждения представляют собой переформулировки второго закона, которые Кельвин и Клаузиус предоставили соответственно. Точнее:
Сила этих утверждений заключается в использовании только эффекта или исключительно . Примените вторую версию к вашему холодильнику: в ней говорится, что для того, чтобы ваш холодильник извлекал тепло из внутреннего пространства (холодный резервуар) и отдавал его наружу (кухню), вам нужно выполнить некоторую работу (отключите электрический кабель, и он не заработает). т работа ;). Итак, опять же, что все это значит? Тепло – это поток от горячего к холодному и никогда наоборот, и отсюда подразумевается «стрела» времени.
Я надеюсь, что это убедит вас в том, как вы можете использовать второй закон, наблюдая явления реальной жизни, не прибегая к энтропийным переформулировкам. Если вы хотите выразить все это в терминах изменения энтропии: помните, пожалуйста, что при изучении временной эволюции макроскопических систем последовательное утверждение о стреле времени можно сделать только тогда, когда вы рассматриваете изменение энтропии всей вселенной (в наш пример - кухня+холодильник). Более того, при вычислении полного изменения энтропии вы суммируете изменение энтропии холодного резервуара с горячим резервуаром Но для вычисления последней обратимая передача тепла в систему не только (тепло, отводимое от холодного резервуара), но с подводимая работа, которая используется для сжатия рабочей жидкости холодильника. Включение именно об этом и говорится в заявлении Клаузиуса.
Последнее замечание после прочтения некоторых комментариев: помните, что как только вы ограничиваете свою систему полностью изолированной (например, термодинамическим циклом, состоящим только из адиабатических процессов), вы сталкиваетесь с неравенством Клаузиуса , которое на словах говорит: энтропия изолированной системы никогда не уменьшается.
Вместо этого стрелу времени в термодинамической системе следует рассматривать как утверждение об инвариантности к обращению времени. Например, в классической механике, основанной исключительно на движении частиц, нельзя сказать, идет ли время вперед или назад. Точно так же в открытой системе нельзя сказать, в каком направлении течет время, основываясь только на изменении энтропии. В сущности, энтропия не определяет направление времени в открытой системе.
Однако это отличается от вопроса о том, почему время не идет вспять в холодильнике. Если вы думаете о холодильнике как о чем-то, что со временем уменьшает энтропию, то можно думать о его обращенном во времени партнере как о нагревателе, который со временем увеличивает энтропию. Следовательно, думая о системе как о холодильнике, вы уже выбрали конкретное направление времени. Никто не мешает вам определить, что время течет в обратном направлении, но спрашивать, почему время не течет вспять в холодильнике, на самом деле не очень корректный вопрос. Утверждение, что время течет вспять, является относительным; вы должны сказать мне, что такое "назад" по отношению к.
РЕДАКТИРОВАТЬ: мой ответ кажется неудовлетворительным, поэтому позвольте мне попытаться уточнить.
Во-первых, что понимается под временем? Это одномерный параметр, который управляет свойствами объектов (например, положением). Вы можете думать о каждом физическом свойстве (объекте) независимо, имея свой собственный параметр времени.
Теперь интересно отметить, что микроскопические законы физики инвариантны по отношению к обращению времени. Это означает, что форма уравнений не меняется от . Тем не менее, вы все равно получите качественные различия, такие как скорость под обращением времени. Следовательно, частица, движущаяся вправо, будет двигаться влево при обращении времени. Следовательно, инвариантность к обращению времени означает, что если вы посмотрите на клип частицы, движущейся вперед во времени и движущейся назад во времени, вы не сможете сказать, какая из них какая. Итак, если мы не знаем, в каком направлении должно идти время, мы можем просто выбрать один из вариантов.
Затем мы можем просто выбрать направление времени для каждой отдельной частицы в коллекции, как мы хотим. Но подождите минутку; если я наблюдаю за движением всех частиц, то ясно, что все их направления во времени должны быть синхронизированы с моим временем. Отсюда мы натыкаемся на ключевое свойство времени, что оно зависит от наблюдателя. Наблюдатель — это тот, кто задает поступательное течение времени для всех частиц. Следовательно, возвращаясь к вопросу, если я, наблюдатель, называю систему холодильником, то я уже выбрал для нее направление времени, что делает сам исходный вопрос некорректным. Другими словами, причина, по которой время в холодильнике, порча продуктов и влияние силы тяжести имеют одно и то же направление во времени, заключается в том, что их направление во времени назначается наблюдателем.
Теперь второй закон гласит, что энтропия в замкнутой системе должна увеличиваться со временем. Следовательно, как и прежде, это определяет направление времени для свойства энтропии. Теперь каким-то образом мы должны синхронизировать это направление времени со всеми другими направлениями времени, опять же через наблюдателя. Волшебная вещь, как отмечается в статье, которую вы цитируете, заключается в том, что по какой-то причине направление времени, выбранное вторым законом, всегда совпадает с направлением времени, выбранным наблюдателями в физической вселенной. Но, как признается в статье, никто на самом деле не знает, почему. По крайней мере, кажется, что это не производное следствие какой-либо общепринятой физической теории, а скорее постулируемое совпадение (например, эквивалентность инертной и гравитационной масс).
Копирую из википедии:
«Второй закон термодинамики гласит, что полная энтропия изолированной системы всегда увеличивается с течением времени или остается постоянной в идеальных случаях, когда система находится в стационарном состоянии или в ней происходят обратимые процессы. Увеличение энтропии объясняет необратимость природных процессов и асимметрию между будущим и прошлым».
и опять:
Направление теплопередачи — от области с высокой температурой к области с более низкой температурой и регулируется вторым законом термодинамики. Теплопередача изменяет внутреннюю энергию систем, от которых и к которым передается энергия. Теплопередача будет происходить в направлении, увеличивающем энтропию совокупности систем».
Холодильник работает как тепловой насос:
«Тепловые насосы предназначены для перемещения тепловой энергии в направлении, противоположном направлению спонтанного теплового потока , путем поглощения тепла из холодного помещения и отдачи его в более теплое. Тепловой насос использует некоторое количество внешней энергии для выполнения работы по передаче энергии от источника тепла к радиатору».
Таким образом, нет естественного потока тепла от холодного резервуара к горячему, а только потребление электрической энергии для этого. Просто сделать место холоднее таким образом не означает, что стрела времени обращена вспять.
РБарриЯнг
пользователь108787
Кристоф
смягченный
документальная наука
документальная наука