Здравствуйте, с вами канал Теоретик Space, и сегодня мы продолжим рассматривать нашу Вселенную, поэтому в данной статье я буду уже разбирать её с точки зрения термодинамики, что значительно расширит мою модель.
Также я вам советую прочитать мою прошлую статью, что разобраться с механической и квантовой составляющей модели, а также узнать начало Вселенной.
Ставьте лайк и подписывайтесь на канал, чтобы я продолжал эту рубрику.
А мы начнём с теории, а затем уже приступим к уравнениям и формулировке модели.
Глава 1 - Немного космологии
Теория Большого Взрыва считается одной из самых лучших для описания в об-щих чертах образования нашей Вселенной. Если говорить очень популярно, то из «ничего» образовалось «всё».
Вообще, здесь имеется в виду образование нашей Вселенной из некой космологической сингулярности – состояния, при котором Вселенная имела бесконечно огромную температуру и вся материя была сжата, отсюда и бесконечно огромная плотность вещества, но существует несколько других теорий, объясняющих образование нашей Вселенной, но единой и верной пока нет, так как мы ещё знаем не все законы физики, а устройства и методы наблюдения несовершенны, единственное, что можно сделать – составить уравнения и предположить, что есть что.
Раздел астрономии, изучающий возникновение, эволюцию и строение Вселенной в целом, называется космологией.
Также в космологии есть Теория Мультивселенной, согласно которой наша Вселенная не единственная и существует вместе с другими Вселенными. И эта теория тоже будет использована при формулировке своей модели.
Вообще, основная цель космологии – объяснение поведения Вселенной как опре- делённой системы (или подсистемы, как в моём случае). И для этого используются знания из разных разделов физики, но, в основном, туда входят термодинамика и молекулярная физика, квантовая физика, ядерная физика, классическая и релятивистская механика, статистическая физика.
Но в моём случае я использую из этого списка всё, кроме ядерной и статистической физики, хотя последняя может быть связана с термодинамикой, особенно при изучении законов этого раздела, а релятивистской физики будет мало.
Продолжим о понятиях из космологии
Возможно, многие из вас слышали о тёмной материи, из которой состоит большая часть нашей Вселенной. Считается, что из-за неё наша Вселенная расширяется всё быстрее и быстрее.
А разве это так, да и откуда она расширяется? Таким вопросом задавались все учёные 20 века, после чего сделали вывод, что наша Вселенная “не стоит на одном месте”, а всё же расширяется, да и с каким-то ускорением. А дальше выясняется, что из-за этого все галактики удаляются друг от друга при расширении, что следует из закона Хаббла.
Также считается, что, рано или поздно, возникнут 3 сценария возможного конца света: либо Большое Сжатие, либо Большой Разрыв, либо Большая Заморозка.
В первом случае всё кажется просто: сначала Вселенная расширяется, затем сжимается, но если это дублировать по несколько раз, то мы выйдем на Теорию Большого Отскока, то есть цикл расширение/сжатие будет повторяться, но становясь всё короче и короче, а это космологическая модель Фридмана, но о причине сокращения цикла вы узнаете в следущей главе, где я свяжу второй закон термодинамики с данным явлением.
Что касается второго случая, то так произойдёт из-за слишком высокой скорости расширения, грубо говоря, Вселенная разорвётся.
В третьем же случае пространство станет настолько большим, что при стремлении Вселенной к равновесию, средняя абсолютная температура в точке станет стремиться к нулю Кельвинов, но есть один нюанс – о нём также в следующей главе.
Так почти прекратится любой обмен энергией: всё как будто застынет.
Теперь перейдём к МКТ
Глава 2 - Немного из молекулярной физики и термодинамики
Опустимся на уровень ниже, то есть к молекулам и атомам. И первое, что можно понять: наши возможности исследования сокращаются, а частицы на таком уровне начинают себя вести очень хаотично, что является одним из положений Молекулярно-Кинетической Теории, а далее понимаем, что всё состоит из этих же частиц, а они тоже между собой взаимодействуют.
В основном, при решении каких-либо задач рассматривают именно газы, поэтому для упрощения расчётов вводится модель газа, называемая идеальным газом, при которой все молекулы и атомы берутся за материальные точки и их взаимодействия между собой внутри системы считаются малыми и ими пренебрегают.
Для определения состояния системы вводятся такие величины: объём, давление, температура (строго в Кельвинах).
Теперь перейдём к термодинамике
Итак, термодинамическая система представляет собой совокупность тел, взаимодействие которых с внешней средой является как тепловым, так и механическим, то есть состоит из механической работы (внутри самой системы или над другой системой) и те- плообмена.
В зависимости от этого, выделяют 3 типа термодинамических систем: открытые, закрытые и изолированные (замкнутые). В первом случае система меняется с окружающей средой или другими системами и веществом, и энергией. Закрытые системы меняются только энергией, а открытые – и тем, и другим.
Но вернёмся к тому, что у каждой системы есть параметры, такие как давление, объём, температура и так далее. И если в течение какого-то промежутка времени хотя бы 1 из них изменяется, то считается, что произошёл термодинамический процесс.
В данном случае процессы бывают обра- тимые (идут в любом направлении), необратимые и циклические (в случае, если система возвращается в начальное положение с течением времени). А те параметры, которые однозначно связаны с конкретной термодинамической системой, называются функциями состояния.
Например, в термодинамике вводится такая величина, которая характеризует ту часть энергии, которая не связана с движением системы в пространстве - её называют внутренней энергией системы.
Так, зная закон сохранения энергии, можно перейти к первому закону термодинамики, согласно которому при подведении какого-либо количества теплоты, она используется для увеличения внутренней энергии системы и совершения работы против внешних сил.
Но вот самым важным моментом будет второй закон термодинамики, для пони- мания которого вводится такое понятие как энтропия – функция состояния системы, по- казывающая насколько много в системе лишней энергии, не используемой для совершения полезной работы, а также близость системы к равновесному состоянию, так как при ней энтропия максимальна.
В статистической физике энтропия характеризует вероятность более хаотичного распределения частиц (чем больше микросостояний, тем выше энтропия).
Согласно второму закону термодинамики, в замкнутых системах энтропия повышается с течением времени, а процессы, способствующие этому, происходят самопроизвольно.
Получается, что если считать нашу Вселенную замкнутой системой, то циклы расширение/сжатие будут сужаться, так как всё больше и больше энергии не сможет использоваться для совершения полезной работы, так как энтропия возрастает со временем в замкнутых системах, что устремит Вселенную к равновесию.
Согласно же третьему закону термодинамики, нельзя за конечное время довести температуру тела, вещества или системы до абсолютного нуля (T=0K или t=-273,150c).
Вот поэтому и получается, что при Большой Заморозке Вселенная не будет иметь температуру в абсолютный ноль, но значение будет близко к нему. Считается, что при такой температуре прекращается любой теплообмен и движение, отсюда и не совершается работа, значит, понятие термодинамической системы при таком условии не имеет место быть. Но область абсолютного нуля ещё плохо изучена, поэтому точно сказать об этом – задача не из простых.
Но вернёмся к самим процессам и газам, так как это будет применено для моих уравнений.
Всего видов процессов относительно изменений макропараметров бывает 4: изотермический (постоянная температура; T=const; pV=const); изобарный (постоянное давление; p=const; V/T=const); изохорный (постоянный объём; V=const; p/T=const); адиабатный (тело или система не взаимодействует с окружающей средой; Q=0).
Но на самом деле, процесс один и называется он политропным (p*V^n = const). Новая безразмерная величина n называется показателем политропы и может принимать любые значения. В зависимости от неё можно определить процесс. А вот те вышеперечисленные процессы получаются при определённом значении n: изотермический (n=1); изобарный (n=0); изохорный (n→∞); адиабатный (n=y, где y=Cp/Cv – показатель адиабаты). Для одного конкретного процесса он будет постоянной величиной.
И это всё, что мне понадобится для термодинамических уравнений.
Применим знания на практике
Глава 3 - Дальнейшая формулировка модели
Из прошлой статьи мы узнали о начале нашей Вселенной, а теперь приступим к её процессам после БВ.
До этого столкнулись 2 частицы, но так как их энергия бесконечно мала, то для образования Вселенной нужны ещё частицы, а также такая субстанция, которая будет обладать очень высокой плотностью и температурой одновременно (как при космологической сингулярности). И под этим я буду подразумевать ту самую тёмную материю, которую я упомянул ранее. Также гравитационное притяжение со стороны поля будет препятствовать расширению Вселенной, но расширение будет происходить за счёт силы давления со стороны Вселенной, а поможет нам тёмная энергия.
Но откуда это могло взяться в нашей Вселенной? И вот под словом откуда я буду иметь в виду другую Вселенную, внутри которой расширяется наша. Таким образом, я ввожу Теорию Мультивселенной при условии, что наша Вселенная изначально – незамкнутая система, иначе расширение Вселенной станет адиабатным, а та теория потеряет свой приоритет.
Но зная о состоянии Вселенной до Большого Взрыва при Большом Замедлении и сейчас, я посчитал некоторые важные параметры при политропном расширении Вселенной и нашёл знак приращения энтропии между двумя состояниями, чтобы определить тип системы по второму закону термодинамики.
Тогда при отрицательном приращении я получил, что наша Вселенная – открытая подсистема, но это ровно до тех пор, пока она не дойдёт до пределов той Вселенной, внутри которой расширяется.
Именно об этом мы поговорим уже в следующей статье и продолжим модель на основе кинематики и динамики.
А пока подписывайтесь на канал и ставьте лайк, скоро выпущу следующую статью.
Всем удачи и всем пока!!! 🔥