Термодинамика. Состояния вещества. Понятие о синэргетике

Она начала бурно развиваться в XVIII веке, когда появились первые паровые двигатели, и практические цели потребовали теоретического обоснования изобретаемых машин, существенно облегчивших физический труд человека. Изобретателями парового двигателя стали англичанин Джеймс Уатт (1736-1819) и русские крепостные отец и сын Ефим и Мирон Черепановы. Изобретение Черепановых в России не вызвало никакого резонанса (первая железная дорога появилась у нас лишь через 100 лет), а вот Великобритания в течение десятка лет после открытия Дж. Уатта покрылась сетью железных дорог, по которым побежали поезда на паровой тяге. Испокон веков не ценило наше Отечество один из главных своих ресурсов – интеллект своих сынов!

Закон сохранения энергии был открыт нашим великим соотечественником Михаилом Васильевичем Ломоносовым (1711-1765). Его формулировка такова: энергия не возникает и не исчезает, она лишь переходит из одной формы в другую. Этот закон универсален, он не допускает исключений или отклонений.

Первый закон термодинамики является частным случаем закона сохранения энергии в применении к тепловым процессам и формулируется так: теплота не возникает из ничего (это одна из многочисленных формулировок первого закона, самая простая). После открытия первого закона термодинамики все европейские Академии Наук перестали принимать проекты «вечных» двигателей, т.е. таких, которые работали бы без притока энергии извне. Как и закон сохранения энергии,первый закон термодинамики является универсальным и не допускает исключений.

Прежде, чем перейти ко второму закону термодинамики, следует рассмотреть понятие температуры.

Макросистема – это система, функционирующая в Макромире, понятие о котором было дано ранее. Изолированная макросистема – это та, которая не обменивается с окружающей средой веществом и энергией. Примером изолированной макросистемы является термос. Если взять два одинаковых термоса, поместить в один кусок льда, а в другой налить только что закипевшую воду, то через определенное время, зависящее от качества термосов, в обоих окажется вода комнатной температуры. Этот мысленный опыт говорит о том, что изолированные системы являются идеальными, в природе они отсутствуют. Однако для теоретического описания тепловых процессов, т.е. для построения классической термодинамики изолированные системы оказались весьма удобными. Состояние равновесия – это то состояние, при котором все части макросистемы характеризуются одинаковыми параметрами, например, температурой и давлением. В равновесное состояние изолированная макросистема приходит через достаточно большой промежуток времени. Абсолютная температура обозначается заглавной латинской буквой Т и имеет только положительные значения. Именно эта температура входит во все термодинамические формулы. Единицей измерения абсолютной температуры является кельвин (К), названный именем английского ученого Уильяма Томсона (1856-1940) (он же лорд Кельвин). В повседневной жизни используется более удобная температурная шкала Цельсия. Нулю градусов по Цельсию соответствует 273К. Весьма важно, что один К равен одному градусу Цельсия. Температура в шкале Цельсия обозначается малой латинской буквой t (C).

Второй закон термодинамики звучит так: теплота переходит от горячего тела к холодному, и маловероятен самопроизвольный переход теплоты от холодного к горячему. Законы термодинамики сформулировал немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822-1888). На основании второго закона термодинамики он предложил гипотезу тепловой смерти Вселенной. Ее суть: со временем все виды энергии могут перейти в тепловую, тепло равномерно рассеется по Вселенной, после чего в ней (Вселенной) прекратятся все процессы, поскольку они идут за счет разности температур.

Опроверг теорию тепловой смерти Вселенной австрийский физик Людвиг Больцман (1844-1906), который доказал, что в отличие от первого, второй закон термодинамики не универсален, а носит статистический характер. Статистические законы, в отличие от универсальных, выполняются не всегда, а в большинстве случаев и допускают случайные отклонения, называемые флуктуациями. Результаты статистических законов носят не универсальный, а вероятностный характер.Флуктуации – явления чрезвычайно редкие, например, в одном случае из тысячи теплота может перейти от холодного тела к горячему, это не запрещено законом природы, а всего лишь очень маловероятное событие. В биологии примером флуктуации являются мутации – структурные изменения генов, обуславливающие биологическое видообразование и эволюцию. Статистические законы описываются с помощью специального раздела математики – теории вероятностей. Джеймс Клерк Максвелл еще в 1859 установил закон распределения молекул по скоростям, а в 1867 показал статистическую природу второго начала термодинамики. Больцман был одним из немногих, вполне осознавших значение работ Максвелла. Он обобщил закон распределения скоростей молекул газов на газы, находящиеся во внешнем силовом поле, и установил формулу распределения (формула Больцмана).

Применяя статистические методы к кинетической теории идеальных газов, Больцман вывел кинетическое уравнение газов. Главнейшей его заслугой является исследование необратимых процессов и статистическая трактовка второго начала термодинамики. Л. Больцман связал энтропию с   – термодинамической вероятностью:

Это соотношение дало статистическое обоснование второму началу термодинамики и является основой статистической физики. Универсальная постоянная   = в честь ученого называется постоянной Больцмана, а приведенное выше уравнение высечено на могильной камне Больцмана на кладбище в Вене.

Клаузиус также ввел очень важное для термодинамики понятие энтропии ( ) – функции состояния термодинамической системы, равной отношению количества теплоты, сообщенного системе, Q, к изменению абсолютной температуры Т. Введение этой величины позволило определять направление протекания тепловых процессов. Согласно второму закону термодинамики, в изолированной системе энтропия всегда должна возрастать, поскольку система стремится к равновесию. С точки зрения статистической термодинамики энтропия – это мера неупорядоченности системы. Отсюда следует, что любая изолированная система самопроизвольно стремится к беспорядку. Еще древние греки ввели понятия порядка (Космоса) и беспорядка (Хаоса). Вывод из второго закона термодинамики можно перефразировать так: любая изолированная система стремится к хаосу.