NUOVI MODELLI DI UNIVERSO

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NUOVI MODELLI DI UNIVERSO

Messaggioda eraclide2017 » 11/02/2018, 23:14

NUOVI MODELLI DI UNIVERSO
MODELLI TERMODINAMICI
I PARTE
Nota: le figure non sono visibili perche' non sono state caricate nello scritto seguente


XI - IL II PRINCIPIO DELLA TERMODINAMICA E UN UNIVERSO MACROSCOPICO – UNA NUOVA TEORIA TERMODINAMICA DELL’UNIVERSO

Introduzione alla termodinamica

I modelli qui proposti dall'autore per l'Universo fisico sono stati elaborati trattando in genere solo grandezze MACROSCOPICHE ecc.
Le conclusioni ci serviranno nelle deduzioni finali che tenderanno a dimostrare che a loro volta la meccanica e geometria dell’universo non sono altro che effetti dell’universo termodinamico.
Il modello prevede 4 possibili soluzioni.
LA TERMODINAMICA SEMBRA ESSERE LA LEGGE DI DIO, ESSA CREA, SOSTIENE, DEGRADA.
Secondo il cosmologo Vlatko Vedral dell’Univesità di Oxford la teoria del tutto che i fisici ricercano da decenni sarebbe già stata scoperta e non sarebbe altro che il II principio della termodinamica.
Il II principio è inviolabile e tutte le leggi fisiche in contrapposizione con il II principio sono perdenti e falliscono miseramente.
A causa del II principio tutta l’energia dell’universo forse degraderà divenendo inutilizzabile ed a entropia infinita o quasi.
Secondo l’università di Singapore il principio di indeterminazione di Heisemberg sarebbe un corollario del II principio.
Secondo Vedral alcune spiegazioni della meccanica quantistica sono insostenibili, tipo: produrre energia dal vuoto, superare la velocità della luce o tentare di ridurre l’entropia di un sistema chiuso senza lavoro.
La meccanica quantistica tenta di quantizzare tutto ma ad esempio non riesce a quantizzare il tempo, semplicemente perché è impossibile definirlo in modo non analogico, farlo vorrebbe stravolgere il concetto di entropia.
La freccia del tempo va solo in avanti mai indietro perché segue la legge termodinamica dell’ aumento di entropia.

Per introdursi al problema qui di seguito vengono forniti alcuni fondamenti della termodinamica:

Il primo principio della termodinamica non è altro che il principio di conservazione dell’energia, fu enunciato da Joule, in particolare afferma che: l’energia interna di un sistema termodinamico isolato è costante.
Stabilisce che nel caso di scambio di calore in trasformazioni termodinamiche l'energia totale si conserva.
L’energia può essere trasferita tramite scambi di calore e lavoro.

Il I principio della termodinamica in forma analitica e differenziale:

dU = dQ - dL

dove dU è la variazione infinitesimale dell'energia interna del fluido in uno stato termodinamico e
dQ è la variazione infinitesimale del calore
dL la variazione infinitesimale del lavoro, scrivibile anche come:

- dL = - p dV + F dL + H dM + E dP +C dα + ∑ μ dni + …..


P pressione
dV variazione di volume

F forza
dL variazione di lunghezza

H campo magnetico
dM variazione della magnetizzazione totale

E campo elettrico
dP variazione polarizzazione dielettrica totale

C coppia di torsione
dα variazioni dell’angolo rotazione delle superifici estreme dell’angolo

μ potenziale chimico
dni variazione chilomole


Nota: i simboli della prima parte delle formule sono grandezze intensive tipo F, i simboli nella seconda parte della formula sono grandezze estensive tipo dL.

Bisogna specificare che il calore non è un’energia intrinseca del sistema ma un’energia di transito fra due corpi a differente temperatura.

In una trasformazione non ciclica (che non ritorna al punto iniziale) la differenza Q - L è l'energia scambiata con l'esterno e vale U2 - U1.
L'energia scambiata Q - L non dipende dalla tipologia di trasformazione eseguita ma solo dai punti 1 e 2 (iniziale e finale) corrispondenti a due stati di equilibrio.
Se le variazioni sono infinitesimali, molto piccole, la trasformazione si dice quasi statica ed è reversibile, cioè può andare dal 1 a 2 e da 2 a 1.
In realtà si tratta di una trasformazione termodinamica IDEALE (tipica del mondo platonico delle Idee), tale trasformazione nel mondo reale non trova riscontro, è impossibile da realizzare; le trasformazioni termodinamiche sono sempre irreversibili.
Nella figura, a titolo di esempio, è riportata una trasformazione quasi statica da 1 a 2 e da 2 a 1 con variazioni di V volume e T temperatura del sistema.




Ipoteticamente, un trasformazione reversibile è una trasformazione termodinamica estremamente lenta, addirittura richiede un tempo infinito, ciò permette stati di equilibrio infinitesimi vicinissimi che permette di passare da uno stato all’altro e viceversa.
Trasformazioni irreversibili sono ad esempio un corpo che striscia su un piano orizzontale o inclinato, una ruota frenata, un corpo che è bruciato, anche se la loro trasformazione è estremamente lenta in quanto non è possibile rovesciare il processo (un fiammifero che è bruciato non può più ritornare ad essere il fiammifero iniziale!).
Alcune trasformazioni reali possono essere simili a trasformazioni ideali altre no, per queste ultime è possibile definire solo lo stato iniziale e finale ma non gli stati intermedi (tipo un gas compresso con rapidità le cui fasi intermedie mostrano moti convulsi non definibili).
Al limite se viene compresso in un volume V ben definito conosceremo sempre il volume ma non la temperatura.
In pratica le variazioni di Q e L portano il sistema dallo stato 1 allo stato 2 (chiaramente le grandezze termodinamiche dello stato 2 sono diverse dallo stato1).
L’energia necessaria per passare dallo stato 1 allo stato 2 non dipende dagli stati intermedi né dal modo di scambio con l’esterno.

In una trasformazione termodinamica ciclica (che si ripete) è d'obbligo cedere calore ad una sorgente (esterna) a temperatura più bassa di quella iniziale mediante la quale abbiamo ottenuto il lavoro (Es: Teorema di Carnot, teorema a rendimento massimo teorico); le centrali termoelettriche funzionano su tale principio, il fluido assorbe calore a temperatura più alta (generato nella caldaia grazie alla combustione del combustibile), lo stesso fluido cede il calore a temperatura più bassa al mare o fiumi o laghi o aria tramite torri di raffreddamento.

Per la trasformazione ciclica ideale è:

Q = L , cioè U2 - U1 = 0

Tenendo conto che J equivalente meccanico del calore vale 4185 Joule/Kcal misurandosi Q in Kcal e L in Joule.
CIO’ E’ ESTREMAMENTE IMPORTANTE IN QUANTO IL CALORE HA LE STESSE DIMENSIONI DELL’ENERGIA E L’ENERGIA (IL LAVORO COMUNQUE NON E’ ENERGIA) HA LE STESSE DIMENSIONI DEL CALORE!

Con le limitazioni già sottolineate per il calore.
Il calore non è contenuto in un corpo ma è un’energia di trasmissione.
Si noti anche che il calore si trasmette solo nel caso di differenza di temperatura mentre per il lavoro si trasmette anche senza differenza di temperatura.




Se idealmente la trasformazione è reversibile dopo un ciclo torneremo al punto iniziale ed essa è rappresentabile con una linea chiusa.

Tipico è il funzionamento delle centrali termoelettriche e turbogas con ciclo Rankine e Brayton derivati dal Ciclo teorico di Carnot*; con riferimento al mondo Platonico delle Idee possiamo affermare che il ciclo di Carnot che come ciclo IDEALE si trova nel mondo platonico delle IDEE, mentre i cicli REALI come il Rankine e Brayton di trovano nel mondo reale degli umani(anche in altri mondi se esistenti), essendo copie del CICLO VERO.

Il ciclo di Carnot è un ciclo teorico operante fra due temperature T1 e T2 a massimo rendimento

η = (Q1 – Q2)/ Q1 = (T1 – T2)/T1.

Il rendimento dei cicli reali irreversibili è sempre minore del ciclo ideale di Carnot:

ηi < ηc



Q - L = U2 – U1 = Δ U

Q = L + Δ U

L = Q – Δ U

L’energia negli stati 1 e 2 è l’energia interna in 1 e 2, U1 e U2.

Se le trasformazioni sono a pressione costante come nei cicli termodinamici delle centrali termoelettriche allora si introduce la grandezza H detta Entalpia:

H = U + p * Δ V

Cioè H è la somma dell’energia interna del fluido o vapore sommata al prodotto della pressione per le variazioni di volume.

Per questo motivo le operazioni matematiche sono facilitate perché ΔQ = H2 – H1.

Nelle centrali il calore è fornito al fluido bruciando combustibile nella caldaia, il lavoro è fornito dalla turbina che fa ruotare l’alternatore.

Per trasformazioni isoterme si ha:

Δ Q = ΔL

Una equazione importante dei gas perfetti che ci mostra il legame fra l’energia cinetica di movimento delle molecole e la loro temperatura è:

½ * m * v² = 3/2 * k * T

Dove k è la costante di Boltzmann.

Per il III principio, la minima energia interna e la minima entropia si raggiungono alla temperatura assoluta di - 273,16 °C (zero assoluto T = 0 ° Kelvin, ovvero la minima temperatura raggiungibile idealmente in natura). In definitiva si può affermare che l'entropia tende a zero con l'approssimarsi della temperatura allo zero assoluto. In realtà lo zero assoluto non può essere raggiunto.
La scala termodinamica delle temperature che si misurano in gradi Kelvin non dipende ad alcuna particolare sostanza.
Lo zero assoluto è definibile come la temperatura minima raggiungibile, indipendente dalla sostanza, nel quale un sistema termodinamico potrebbe descrivere un processo isotermico reversibile senza scambiare calore con l’esterno.
Quindi possiamo affermare che allo zero assoluto i processi adiabatici coincidono con le trasformazioni isotermiche.
Nernst definì il terzo principio della termodinamica:
non è possibile trovare un procedimento, neanche ideale, che consenta di portare un sistema allo zero assoluto in un numero finito di operazioni.
Una considerazione molto importante è che allo zero assoluto (ideale) le trasformazioni avvengono a entropia costante S = costante! ma si può dimostrare che lo zero assoluto non è raggiungibile quindi S aumenta sempre. Nel mondo platonico delle Idee ciò potrebbe essere vero e lo zero assoluto raggiungibile.
In realtà non sappiamo se allo zero assoluto l'entropia sia zero, se ciò fosse vero l'ordine molecolare ed atomico sarebbe perfetto.


Il II principio della termodinamica

Il II principio della termodinamica è un qualcosa di misterioso nella panoramica della fisica in quanto in maniera eccelsa, indissolubile, potrebbe dirsi eterna, senza scendere in particolari microscopici (a livello molecolare o atomico) SPIEGA i processi fisici e le trasformazioni fisiche siano esse terrestri o stellari o galattiche o dell'Universo intero.
Il II principio come detto sembra non essere congruente con la teoria inflazionaria dell'Universo perché per il II principio l'entropia dell’universo, se inizio c’è stato doveva essere minima o vicino a zero ma per la teoria inflazionaria l'universo iniziale era molto caldo e denso a entropia elevata.
Il II principio della termodinamica può essere presentato sotto diverse forme, quella delle trasformazioni termodinamiche e quella entropica.
Come vedremo il II principio potrebbe essere L'ESSENZA PRIMA o IL REGOLATORE DELL'UNIVERSO STESSO: LA LEGGE DI DIO.
Lord Kelvin affermava che se una teoria è in contrasto con il II principio della Termodinamica la teoria è spacciata e non ha scampo.
Lo studio di sistemi composti da numerose "particelle" non può essere condotto tenendo conto dello stato (fra l'altro variabile nel tempo) di ogni particella perché il numero delle particelle è enorme (si pensi che un gas occupante un metro cubo è composto da circa 30.000.000.000.000.000.000.000.000 molecole, 30 〖10〗^25, e quindi essendo impossibile determinare posizione e moto di tutte le particelle si è optato di studiare la materia ed il suo comportamento/trasformazioni tramite delle grandezze fisiche che nella media rappresentino lo stato di tutte le particelle.
Un sistema termodinamico è un sistema definito da poche grandezze e principi fisici e quindi si può supporre che l'Universo non sia altro che un sistema termodinamico costituito da un numero di particelle quasi infinito ma governato da poche leggi principali e principi leggi secondari..

Premettiamo che il II principio della termodinamica stabilisce in maniera inequivocabile che qualsiasi trasformazione termodinamica comporta un aumento dell'entropia (disordine e energia degradata), l'Universo attuale è un sistema isolato (processo termodinamico) ad aumento entropico e gli stati precedenti dell'Universo non possono che essere a minore entropia (maggior ordine), ne deriva che se ci fu un Universo "iniziale" esso non poteva che essere un sistema a minima entropia O ZERO:

Stato 0 o iniziale Si = S0
Stato 1 S = S1 > S0
Stato 2 S = S2 > S1 > S0
Stato attuale S = Sa > S0
dove S è l'entropia
Stato finale S = ∞?

L'entropia dell'universo cresce nel tempo ed analiticamente si può scrivere:

S = f (t)




o




Fra l'altro questo aumento entropico fin dall'inizio o dall’infinito passato da luogo alla freccia del tempo.

Nello stesso modo il II principio della Termodinamica contrasta con la teoria evoluzionista di Darwin che prevede uno stato iniziale di disordine da cui si è costituita la vita e nuova vita sempre più complessa ad entropia diminuita! ciò è impossibile. Ciò sembra dare nuova linfa alla teoria della panspermia di F. Hoyle e C. Wickramasinghe, formulata inizialmente da Arrhenius.


Nell'ambito della meccanica statistica, Bolzman elaborò la famosa formula:

S = k * log W

dove k è la costante di Bolzman

W è la probabilità termodinamica (all'equilibrio termodinamico assume il valore massimo).
Secondo la formula di Bolzman il II principio può essere enunciato nel seguente modo:

un sistema termodinamico che è sottoposto ad una trasformazione spontanea aumenta la probabilità termodinamica riguardo al suo stato..

S pur essendo una grandezza macroscopica rappresenta lo stato di disordine della materia (molecole e atomi).

W è tanto più grande tanto più elevato è lo stato di disordine termodinamico.

Nelle trasformazioni reversibili (ideali che si trovano nel mondo platonico delle Idee):

dS = dQ/T

dove T è la temperatura.

ΔS = ΔQ/T

Anche:

S2 – S1 = (Q1 – Q2)/T

In forma integrale:

S2 – S1 = ∫_1^2▒〖dQ/T〗





Nelle trasformazioni irreversibili (reali, terrestri o comunque non nel mondo platonico delle Idee):

dS > dQ/T

Δ S = S2 – S1 > ΔQ/T

Quindi S2 stato entropico finale è:

S2 > S1

In forma integrale:

S2 – S1 > ∫_1^2▒〖dQ/T〗


Ritornando al compressione di cui abbiamo scritto in precedenza, compressione necessaria per ritornare allo stato 1 iniziale di un gas che si era espanso spontaneamente:

Il lavoro che bisogna fornire è:

L = ∫_V2^V1▒〖p*dV〗 = n*R*T ∫_V2^V1▒〖dV/V 〗 = n * R * T * log V1/V2

Si può facilmente rilevare che L è negativo (lavoro “assorbito” non ceduto essendo V2 > V1.

Ora siccome risulta che dal I principio risulta ΔU = cost

Q = L

E quindi per riportare il sistema al punto iniziale 1 bisogna spendere lavoro.

Abbiamo

S1 – S2 = - Q/T = n R log V2/V1

S2 – S1 > 0

IL PROCESSO E’ IRREVERSIBILE.

Un processo spontaneo lasciato a se stesso tende a divenire un sistema in equilibrio in un tempo più o meno lungo. Il processo libero non produce nessun tipo di lavoro.
Il processo opposto che porti dall’equilibrio ad disequilibrio non avviene mai ed è impossibile (salvo, come vedremo nelle conclusioni, che intervenga la gravitazione, quindi un lavoro esterno) quindi le trasformazioni spontanee che portano all’equilibrio sono irreversibili. Al limite si può ritenere che un processo che duri all’infinito possa invertirsi.
Questo processo che alla fine porta all’equilibrio da luogo ad un aumento dell’entropia, anzi l’entropia nel nuovo stato di equilibrio raggiunge il valore massimo. Inoltre il sistema tendendo all’equilibrio perde le sue capacità a produrre lavoro.
Per riportarlo alle condizioni iniziali bisogna fornire energia dall’esterno ma se il sistema è isolato ciò è impossibile.
La grandezza di stato che con i suoi valori estremi 1 e 2 definisce il sistema termodinamico in esame come un sistema che convergendo verso l’equilibrio perde le sue capacità a compiere lavoro è detta ENTROPIA.

L’entropia è definibile e calcolabile solo per stati di equilibrio, la differenza di entropia fra uno stato iniziale e finale non dipende dal modo come sono stati raggiunti, l’entropia dipende solo dallo stato iniziale a quello finale.
L’entropia definisce lo stato di disordine del sistema termodinamico, un aumento di entropia sta a significare che il sistema è passato ad un nuovo stato più disordinato e ciò porta chiaramente ad una minore potenzialità nella trasformazione di energia.
I sistemi naturali in natura variano di stato spontaneamente e la loro energia più o meno ordinata diviene disordinata e quindi ad energia degradata tipo il Sole che è una stella a ridotta entropia).
In definitiva L’ENTROPIA E’ UNA GRANDEZZA DI STATO CHE MISURA LO STATO DEL DISORDINE DEL SISTEMA.
La distribuzione molecolare di una determinata sostanza tende a divenire irregolare con l’aumento della temperatura; si desume che allo zero assoluto l’ordine cristallino è massimo, l’entropia è minima o zero addirittura.



Nella pratica per ottenere lavoro in modo continuo si deve effettuare una trasformazione ciclica (fra due isoterme e due adiabatiche) con assorbimento di calore alla temperatura più alta T1 e la cessione di calore alla temperatura più bassa T2.
Idealmente ciò è rappresentato analiticamente dal teorema di Carnot (nelle macchine termiche si adoperano cicli reali e non ideali, tipo il Rankine per i cicli a vapore e Brayton nelle turbine a gas).

L = Q1 - Q2

Q1 è il calore fornito

Q2 il calore ceduto a temperatura più bassa.

Ciclo termodinamico semplificato:




Le trasformazioni sono irreversibili anche a causa del principio di indeterminazione di Heisemberg (recentemente ciò è stato messo in discussione in quanto lo stesso principio di Heisemberg deriverebbe dal II principio della termodinamica) ma soprattutto per la legge di natura per cui tutto ciò che è susseguente è secondo al precedente, più disordinato più degradato.

Clausius lo definì così:
è impossibile realizzare una trasformazione termodinamica il cui risultato finale sia solamente quello di trasferire una quantità di calore da un corpo ad un altro a temperatura maggiore del primo senza che sia speso del lavoro.

Vuol dire che una parte del calore va ceduto ad una sorgente a temperatura minore.

.
Lord Kelvin lo definì così:
è impossibile realizzare una trasformazione termodinamica il cui risultato finale sia solamente quello di trasformare in lavoro il calore estratto da una sorgente termica a temperatura costante.
.

Se forniamo lavoro ciò è possibile.

In definitiva il II principio stabilisce che tutte le trasformazioni termodinamiche sono IRREVERSIBILI, non possono essere invertite se non fornendo lavoro ma stabilisce anche che I PROCESSI NATURALI NON POSSONO RIPRISTINARE LO STATO INZIALE O PRIMITIVO DEL SISTEMA TERMODINAMICO SENZA VARIAZIONI ESTERNE.

Le trasformazioni sono reali e irreversibili sono tali perché nelle trasformazioni una parte o TUTTO IL CALORE NON PUO’ ESSERE RITRASFORMATO IN LAVORO.

Quanto affermato qui sopra è importantissimo se applicato all’universo.

L’ENTROPIA DELL’UNIVERSO E’ IN AUMENTO.

Un’altra grandezza usata in termodinamica è l’energia libera di Gibbs G che in un processo isotermo e isobarico irreversibile diminuisce:

G2 < G


L’energia libera di Gibbs si rappresenta con la formula:

G (T,p,L, M, n, ….) = U + pV – TS = A + pV = H –TS

A è la funzione energia libera di Helmholtz.

G delle volte viene chiamata entalpia libera.

In breve le varie fasi di equilibrio raggiungibili da un sistema termodinamico sono:

equilibrio adiabatico
- un sistema adiabatico isolato per essere in equilibrio termodinamico deve avere l’entropia massima Smax
- se il sistema è a temperatura costante e tutte le variabili estensive sono costanti (salvo l’entropia) la funzione di Helmholtz (energia libera a temperatura costante) assume il valore minimo Amin
- se il sistema è a temperatura e pressione costante e tutte le variabili estensive sono costanti (salvo S e V) la funzione di Gibbs (entalpia libera) assume il valore minimo Gmin

equilibrio termico – un sistema adiabatico isolato per essere in equilibrio termico deve avere una temperatura uniformemente distribuita in tutte le parti del sistema

equilibrio meccanico – un sistema meccanico è in equilibrio se la pressione è ugualmente diffusa in qualunque parte del sistema

Nota: nel passaggio di fase di un sistema composto da una sola sostanza se c’è passaggio di fase il potenziale chimico μ nelle due fasi deve essere uguale μ = costante.

La termodinamica è una scienza indipendente dalle varie teorie della materia siano esse statistiche (non sempre) o quantistiche e funziona bene.
L'intero Universo ad oggi può essere identificato come un sistema isolato non in equilibrio che ad ogni tempo ti è in un stato i ad entropia pari a Si, precisando che i domini interni all'Universo sono in trasformazione continua sia meccanica sia termodinamica. Il sistema tende all’equilibrio in tempo forse infinito.
Le grandezze globali (limitate) che descrivono un sistema termodinamico in equilibrio (macroscopico) definiscono il sistema stesso e non sono funzione del "cammino" o delle trasformazioni che sono state necessarie per raggiungere quello stato.
Tipico esempio è la temperatura (la temperatura e non la radiazione in se stessa come onde elettromagnetiche estremamente fredde) della radiazione fossile (3,5 °K) che ha un valore ben preciso di temperatura vicino allo zero assoluto (- 273,15 ° C, lo zero assoluto si trova nel mondo platonico delle Idee) e nel momento della misura (salvo microscopiche fluttuazioni) ha quel valore e tale valore non è funzione di come è stato raggiunto l'equilibrio a livello macroscopico.

Nota: la radiazione di fondo sembra dimostrare l'isotropia dell'Universo.

L'entropia di un sistema aperto potrebbe diminuire (in questo caso l'universo dovrebbe essere un sistema aperto ma ad oggi non sembra esserlo).

eraclide2017

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