Столкновение двух черных дыр

Развитие физики постоянно приводит к построению все более общих теорий, и в настоящее время все виды взаимодействий сводятся к четырем фундаментальным, к которым относятся:

1) гравитационное,

2) электромагнитное,

3) слабое,

4) сильное.

Последние два присущи взаимодействиям между элементарными частицами и в классической физике не рассматриваются: их описание возможно лишь в рамках квантово-релятивистской физики.

Термодинамика.

Термодинамика – раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии.

В термодинамике энергетические процессы описываются макроскопическими величинами (давлением, объемом, температурой), которые не применимы к отдельным молекулам и атомам.

Теоретическую основу термодинамики составляют начала термодинамики, в рамках которых сформулированы законы и принципы на основе обобщения опытных данных.

Нулевое начало. Постулирует принцип термодинамического равновесия и вводит понятие абсолютной температуры.

Для любой термодинамической системы существует состояние термодинамического равновесия, которого она с течением времени самопроизвольно достигает. Если две совместно изолированные системы приведены в контакт, то с течением времени они достигнут состояния термодинамического равновесия друг с другом, при котором их температуры Т выровнены.

На принципе термодинамического равновесия основывается процедура измерения температуры с помощью термометров. В 1724 году Фаренгейт изобрёл термометр и предложил шкалу, названную его именем. В настоящее время на практике наибольшей популярностью пользуются термометры со шкалой температур по Цельсию. Соотношение показаний термометров по шкале Цельсия и шкале Фаренгейта вычисляется по формуле: t °С = 5/9 (t °F – 32).

Понятие абсолютной температуры введено Кельвином. Отсюда абсолютную шкалу температур называют шкалой Кельвина. Единица абсолютной температуры – кельвин (К). Шкала названа так, потому что мера состояния нижнего предела температуры – абсолютный ноль, т.е. самая низкая в природе температура, при которой в принципе невозможно извлечь из вещества тепловую энергию.

Абсолютный ноль определён как 0 K, что равно −273°C. Отсюда соотношение между температурами по шкалам Цельсия и Кельвина: t(°С) = Т(К) – 273°, или Т(К) = t(°С) + 273°.

Первое начало термодинамики. Представляет собой формулировку закона сохранения энергии для термодинамических процессов. В наиболее простой форме его можно записать так:

ΔQ = ΔA + ΔU, (или ΔA = ΔQ + ΔU),

где ΔQ – количество теплоты, переданное системе, ΔA – работа, совершенная системой (против внешних сил), ΔU – изменение внутренней энергии системы.

Следствием из первого начала термодинамики является принцип запрета на создание вечного двигателя I рода: невозможно создать вечный двигатель, который совершал бы полезную работу, не затрачивая энергии.

Это видно из формулы, записанной в варианте: ΔA = ΔQ + ΔU. Если система не получает извне тепло (ΔQ = 0), то она может совершить работу только за счет своей внутренней энергии (ΔA = ΔU); но если система не получает извне тепло и не потребляет внутреннюю энергию (ΔQ + ΔU = 0), то и работа также будет равна нулю(ΔA = 0).

Второе начало термодинамики. Имеется несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики.

Постулат Клаузиуса. Процесс, при котором не происходит других изменений, кроме передачи теплоты от горячего тела к холодному, является необратимым, т.е. теплота не может самопроизвольно перейти от холодного тела к горячему без дополнительной затраты энергии.

Например, в холодильниках, чтобы забрать тепло от холодного тела (морозилки) и отвести его к «горячему» теплоотводу, необходимо затратить дополнительную энергию (чаще всего, электрическую).

Постулат Кельвина. Процесс, при котором теплота переходит в работу без каких-либо других изменений в системе, является необратимым, т.е. невозможно превратить в работу всю теплоту, взятую от источника с однородной температурой, не проводя других изменений в системе.

Главный вывод: при работе теплового двигателя не вся теплота может превратиться в полезную работу – неизбежны потери энергии на диссипацию (рассеивание).

В 1824 г. французский инженер Карно, исследуя термодинамический цикл для идеальной тепловой машины, состоящей из нагревателя, холодильника и рабочего тела, вывел формулу к.п.д.:

К = (Тн – Тх)/Тн

Из формулы видно, что к.п.д. теплового двигателятем больше, чем больше температура нагревателя и меньше температура холодильника. Для идеального теплового двигателя при Тх → 0 К (абсолютному нулю температур) К → 1 (или к 100 %). У реальных двигателей вследствие больших потерь на трение и рассеивание энергии к.п.д. значительно ниже 100 %.

Отсюда в качестве следствия из второго начала термодинамики принцип запрета на создание вечного двигателя II рода: невозможно создать вечный двигатель, который всю потребленную энергию превращал бы в полезную работу.

Исследовав необратимые процессы, Клаузиус ввел понятие энтропии: для любой термодинамической системы существует функция ее состояния, называемая энтропией (S), которая характеризует меру усреднения энергии (обесценивания полезной энергии).

Введя в термодинамику эту физическую величину, Клаузиус сформулировал принцип: в замкнутой системе энтропия стремится к своему максимальному состоянию (S → max).

Больцман придал энтропии количественное выражение, связав ее с термодинамической вероятностью: S = k ln W. Это соотношение является основой статистической физики. Универсальная постоянная k названа в его честь – постоянная Больцмана.