8.2. Первое и второе начала термодинамики

В классической науке 19 века господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к исходному равновесию. Такой взгляд на вещи сформировался под воздействием равновесной термодинамики. Эта наука занимается изучением процессов взаимопревращения различных видов энергии. Термодинамика основана на трёх феноменологических началах (постулатах, аксиомах), иногда к ним добавляют ещё и нулевое начало: о существовании температуры.

Первое начало термодинамики – это закон сохранения и превращения энергии: в изолированной системе энергия может переходить из одной формы в другую, но её количество остаётся постоянным. Т.е. предполагается, что возможен полный переход тепловой энергии в механическую и обратно. Однако в начале XIX века опыт конструирования тепловых машин показал, что в данном случае это невозможно. Коэффициент полезного действия тепловых машин всегда меньше единицы, т.к. часть теплоты неизбежно рассеивается в окружающую среду. Для любой тепловой машины всегда необходимы три элемента – нагреватель, рабочее тело, холодильник. Второй закон термодинамики обобщает этот факт.

В 1850 г. немецкий физик Р. Клаузиус (1822 – 1888) сформулировал второе начало термодинамики: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему». Независимо от Клаузиуса в 1851 г. У.Томсон (лорд Кельвин) (1824 – 1907) дал второму началу термодинамики следующую формулировку: невозможно построить периодически действующую тепловую машину, вся деятельность которой сводилась бы к совершению механической работы и охлаждению теплового резервуара.

На кухне работает холодильник. Это обычная тепловая машина. Нагревателем в ней являются охлаждаемые продукты, рабочим телом – фреон, холодильником – окружающий воздух. Тепловая энергия отнимается от продуктов и передаётся окружающей среде за счёт работы компрессора. Т.е. циклические процессы конденсации и испарения рабочего тела обеспечиваются внешним по отношению к системе источником энергии.

В 1854 г Клаузиус ввёл в термодинамику новое понятие – «энтропия». Под энтропией стали понимать меру беспорядка изолированной системы. Чем больше беспорядок в системе, тем больше энтропия. В 1872 г. Л. Больцман (1844 – 1906) связал величину энтропии S с термодинамической вероятностью состояния W системы соотношением:

,

где К - постоянная Больцмана.

Из соотношения видно, что чем более вероятно состояние системы (т.е. чем ближе W к единице), тем больше энтропия. Пример перехода системы к наиболее вероятному состоянию – растекание капли чернил в стакане с водой.

При температуре T изменение энтропии ∆S изолированной системы при сообщении последней теплоты ∆Q определяется соотношением: ∆S = ∆Q/T. При обратимых процессах полное изменение энтропии системы ∆S=0. Однако если процесс необратим, то ∆S > 0, т.е. энтропия замкнутой системы при необратимых процессах возрастает – принцип возрастания энтропии.

Принцип возрастания энтропии указывает направление самопроизвольных процессов в изолированных системах – они стремятся к максимуму энтропии. Действием принципа возрастания энтропии объясняется невечность всего, что сделано человеком. Всё что изготовлено, имеет большую упорядоченность, чем исходный материал. Упорядоченность глины в стенах дома больше, чем в рядом лежащей куче, откуда её извлекли. Глина стремится занять менее упорядоченное состояние, т.е. отвалиться от стены, что со временем и происходит. Или другой пример: любая организационная структура, сделанная человеком, также стремится развалиться. Руководитель любой организации должен контролировать соблюдение работниками трудовой дисциплины, направленности и качества работы, полной отдачи на рабочем месте и.т.д. Невнимание к указанным вопросам ведёт к развалу организации или низкой эффективности её действия.