6. Два принципа асимметрии природы на примерах преобразования энергии.

Второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии, то есть однонаправленности всех самопроизвольно протекающих в ней процессов. В повседневной жизни мы постоянно встречаем неоднократное тому подтверждение: горячие тела с течением времени охлаждаются, однако холодные сами по себе не становятся горячими; прыгающий мяч постепенно останавливается, однако самопроизвольно мяч не начинает подпрыгивать.

Здесь проявляется то свойство природы, которое Кельвин и Клаузиус смогли отделить от энергии. Оно состоит в том, что, хотя полное количество энергии сохраняется в любом процессе (первый закон термодинамики), распределение энергии меняется необратимым образом.

Многие тысячелетия люди умели только превращать запасенную солнцем энергию в теплоту, используя все, главным образом, для обогрева и приготовления пищи. Обратным же процессом, то есть превращением запасенной теплоты в работу, человечество овладело лишь два столетия назад в период первой промышленной революции, которая ассоциировалась с изобретением тепловой машины (парового двигателя, двигателя внутреннего сгорания и т.д.) Создав тепловой двигатель, который действительно явился скачком в способах преобразования энергии, люди получили возможность получать работу в любом требуемом количестве, иногда даже в избытке.

все развитие цивилизации характеризуется тем, что мы разрабатываем все более удобные, более емкие, компактные источники энергии, сформировавшиеся во все более далеком прошлом, но характерным здесь, однако, является то, что используется лишь одно примитивное открытие, а именно превращение запасенной энергии в теплоту. И как бы не были сложны новые очаги сгорания топлива, будь то обычная топка или котел уранового реактора, это не более чем поэтапное совершенствование древнего открытия – преобразования запасенной энергии в теплоту.

Еще раз хотим подчеркнуть, что настоящая революция совершилась тогда, когда человек сумел освоить другой аспект асимметрии природы – преобразование теплоты в работу. Не случись этого, мы, возможно, были бы всегда согреты, но не стали бы мудрее .

Этот аспект асимметрии природы позволяет не просто овладеть энергией, запасенной в топливе, но и извлечь из нее движущую силу, которая в свою очередь открывает возможность воздвигать искусственные сооружения, транспортные средства, поддерживать связь на расстоянии и даже замахнуться на полет к другим планетам.

7 Соотношение взаимности Онсагера

Ниже мы остановимся на области термодинамики, которую называют линейной или слабо неравновесной. Эта область, для которой справедливы так называемые «соотношения взаимности» Онсагера, полученные им в 1931 году.

Суть их сводится к следующему: если сила «один» (например, градиент температуры ΔT) воздействует на поток «два» (диффузию qc), то сила «два» (градиент концентрации) воздействует на поток «один» (поток тепла qТ). Например, если поток тепла инициирует диффузию вещества, то градиент концентраций способствует увеличению потока тепла через систему. Соотношения взаимности выполняются независимо от агрегатного состояния вещества и справедливы для необратимых процессов, протекающих в газообразной, жидкой или твердой среде, но только при относительно небольших отклонениях от равновесия, когда связь между силами и потоками допустимо представить в виде линейных уравнений типа:

где стрелками проиллюстрированы соотношения взаимности Онсагера.