Вопросы для самоконтроля

1. Почему неравновесная макросистема самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия?

2. Что такое макросостояние?

3. От чего не зависят свойства макросостояния?

4. Почему характеристики макрообъектов претерпевают флуктуации?

5. Какие макропараметры используются для характеристики макрообъектов?

6. Что такое термостатом?

7. Какие макропараметры относятся к термостату?

8. Какие макропараметры относятся одновременно к термостату и к макрообъекту?

9. Какие типы контактов между термостатом и макрообъектом существуют?

10. Что является условием равновесия, при тепловом контакте?

12. Что является условием равновесия, при диффузном контакте?

13. Почему передаваемая энергия, в форме работы, качественная?

14. Почему передаваемая энергия, в форме теплоты, не качественная?

14.2. Энтропия

Неконтролируемые тепловые воздействия, приводящие макрообъект к термодинамическому равновесию, являются очень слабыми, но их количество огромно, поэтому они влияют на макрообъект. Ярким примером этого, может быть, Броуновское движение. В классическом естествознании понятие «теплового равновесия» отсутствует, так как, согласно классическим стилям мышления, частицы совершают детерминированное (упорядоченное) движение. Однако природе присуще тепловое хаотическое движение, которое в науке называют стохастическим (нерегулярным, случайным) движением. Оба типа движения являются универсальными, однако в классическом естествознании отсутствует критерии, позволяющие отличать детерминированное движение от стохастического движения. Критерием, позволяющим различить эти типы движения, является энтропия ( от греч. entropia – поворот, превращение). Энтропия – это физическая величина, является мерой хаотичности системы. Энтропия показывает бесповоротность самопроизвольных процессов. Если все частицы движутся, детерминировано, тогда энтропия становится равной нулю, а наличие энтропии свидетельствует о наличии стохастического движения.

Французский инженер, Сади Карно, в 1824 году изучал обратимые тепловые процессы и первым показал, что любая тепловая машина имеет высокую эффективность, если содержать помимо нагревателя и рабочего тела, еще и холодильник, имеющий температуру, более низкую, чем температура нагревателя. Карно выяснил, что максимальный коэффициент полезного действия (КПД) тепловых машин, достигается для тех машин, которые работают по обратимым циклам, т.е. циклам Карно. Если КПД обозначить буквой η, тогда он определяется по формуле:

η_к= = = ,

где ∆Q_полез= Q_н–Q_х - количество теплоты, превращающейся в полезную работу, Q_н – количество теплоты, отдаваемой нагревателем, Q_х - количество теплоты, получаемой холодильником, Т_н – температура нагревателя, Т_х – температура холодильника. Формула показывает, что КПД не зависит от вида рабочего тела, а зависит только от температуры нагревателя и холодильника. Допустим Т_н=240⁰С и Т_х=50⁰С, тогда получим η=37%. На практике КПД будет несколько ниже: около η_пр=28%. Совершенствуя тепловые машины, можно приблизится к цифре 37%, но не более того, т.е. никакие усовершенствования не дают КПД более 37%, при данной температуре.

Если цикл будет необратимым, тогда КПД будет меньше максимального. Для реальных тепловых машин η_р<η_к. Установлено, что для всех машин с обратимым циклом Карно имеет место соотношение, так называемая пропорция Карно:

= или = =const=s

Эммануэль Клаузиус, основатель термодинамики, назвал соотношение Q/T энтропией (s). Она является не только функцией состояния термодинамической системы, но также и мерой ее хаотичности. На практике используют не абсолютное значение энтропии, а ее изменение. В изолированных системах изменение энтропии в обратимых процессах равно нулю: ∆s=s_н-s_х=0. При необратимых процессах энтропия растет до максимального значения, при термодинамическом равновесии: ∆s=s₂-s₁>0. Это явление носит название закона возрастания энтропии. При всяких самопроизвольных процессах энтропия возрастает. Возрастание энтропии определяет направление всех процессов в природе. Возрастание энтропии показывает, что время имеет направление, т.е. «стрелу», как выразился английский астроном Эддингтон. В неизолированной системе энтропия может, как возрастать, так и убывать. Энтропия уменьшается в тех системах, где происходит самоорганизация, усовершенствование или структурообразование.

Таким образом, физики выработали критерий, позволяющий отличать обратимые и необратимые процессы. Открытые Клаузиусом энтропии является важнейшим физическим достижением. Понятие «энтропия» представляет сложность, но все-таки она является реальностью, которая раскрывает перед нами картину мира.

В соответствии с гипотезой «тепловой смерти», в результате самопроизвольных процессов перепады температуры во Вселенной выравниваются, и все тела приобретают некоторую одинаковую среднюю температуру. При этом полная энергия сохраняется. Свободная энергия полностью превратится в связанную энергию, которая не производит работу. Все машины останавливаются, вся жизнь исчезнет. Эту мрачную картину, угрожающую всему миру, называют гипотезой «тепловой смерти».

Вопрос о «тепловой смерти» Вселенной более полвека обсуждали физики, философии и теоретики религии, связывая ее с приближением «конца света». Физики выяснили, что выравнивание перепадов температур происходит в изолированных системах, а в открытых системах этот процесс не происходит. Следовательно, гипотеза о «тепловой смерти» Вселенной является несостоятельной.