3.8. Термодинамика и концепции необратимости. Понятие об энтропии
Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух качественно различных, но взаимно дополняющих методов исследования тепловых явлений и свойств макросистем: термодинамического и статистического (молекулярно-кинетического). Первый из них лежит в основе термодинамики, второй – молекулярной физики.
Термодинамика представляет собой науку о тепловых явлениях, в которой не учитывается молекулярное строение тел, т.е. изучаются тепловые явления в макромире. В термодинамике тепловые явления описываются с помощью величин, регистрируемых приборами, не реагирующими на воздействие отдельных молекул. Все законы термодинамики относятся к телам, число молекул которых огромно. Такие тела называются макроскопическими и образуют макросистемы. Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальной стержень и т.п.– все это примеры макросистем.
Основа термодинамического метода – определение состояния термодинамической системы, представляющей собой совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрами системы), характеризующими ее свойства. Обычно в качестве термодинамических параметров состояния выбирают температуру, давление и удельный объем (объем единицы массы).
Теория поведения больших общностей атомов и молекул – молекулярно-кинетическая теория, или статистическая механика к концу XIX в. окончательно утвердилась не только в физике, но и в химии. Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул. Их поведение анализируется с помощью статистического метода. Он основан на том, что свойства макроскопической системы определяются свойствами частиц систем, особенностями их движения и усредненными значениями кинетических и динамических характеристик таких частиц.
Основные положения этой теории гласят: любое вещество состоит из большого числа молекул, молекулы вещества находятся в состоянии непрерывного хаотического движения, скорость движения молекул зависит от температуры тела, между молекулами действуют силы притяжения и отталкивания.
После создания молекулярной физики термодинамика не утратила своего значения. В настоящее время в науке и технике широко используются как термодинамические, так и статистические методы описания свойств макросистемы.
Классическая термодинамика сформулировала несколько принципов, или начал, которые вели к важным мировоззренческим выводам.
Первое начало термодинамики основано на представлениях о том, что термодинамическая система обладает внутренней энергией теплового движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. При всех превращениях в термодинамической системе выполняется универсальный закон сохранения энергии. Согласно первому началу термодинамики количество теплоты ΔQ, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии ΔU и на совершение телом работы ΔА, т.е.
Из этого принципа вытекает невозможность существования вечного двигателя.
Согласно второму началу термодинамики нельзя осуществить работу за счет энергии тел, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, энтропия замкнутой системы возрастает, а ее максимальное значение достигается в состоянии теплового равновесия.
Термодинамические процессы необратимы, т.е. если реализуется какой-либо термодинамический процесс, то обратный процесс, при котором проходятся те же тепловые состояния, но только в обратном направлении, практически невозможен. Необратимы и все механические процессы, сопровождающиеся трением. Трение вызывает замедление движения тел, при котором кинетическая энергия переходит в тепло. Замедление эквивалентно приближению к состоянию равновесия, при котором движение тел отсутствует. Предоставленная самой себе система стремится к состоянию теплового равновесия, в котором температуры тел выравниваются. В системе, достигшей термодинамического равновесия, без внешнего вмешательства невозможны никакие процессы. Второе начало термодинамики часто формулируют иначе: тепло не может самопроизвольно перейти от холодного тела к горячему. Второе начало термодинамики называют также законом возрастания энтропии.
По словам Эддингтона, возрастание энтропии, определяющее необратимые процессы, есть «стрела времени».
Идеальному случаю – полностью обратимому процессу замкнутой системы – соответствует неизменяющаяся энтропия. Все естественные процессы происходят так, что вероятность состояния возрастает, что означает переход от порядка к хаосу. Значит, энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественных процессов возрастает. В этой связи закон о невозможности вечного двигателя второго рода, закон о стремлении тел к равновесному состоянию получают свое объяснение. Механическое движение переходит в тепловое потому, что механическое движение упорядочено, а тепловое беспорядочно, хаотично.
В середине XIX в. активно обсуждалась проблема тепловой смерти Вселенной, которая была разработана В. Томпсоном и Р. Клаузиусом. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней второе начало термодинамики, Р.Ю. Клаузиус свел его содержание к утверждению, что энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума. Это означает, что все формы движения со временем должны перейти в тепловые. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел во Вселенной сравняется, т.е. наступит полное тепловое равновесие, и все процессы во Вселенной прекратятся – наступит тепловая смерть Вселенной. Ошибочность вывода о тепловой смерти заключается в том, что бессмысленно применять второе начало термодинамики к незамкнутым системам, например к такой безграничной и бесконечно развивающейся системе, как Вселенная.
Теория тепловой смерти сразу же после создания была подвергнута критике. В частности, появилась флуктуационная теория Л. Больцмана, согласно которой Вселенная выводится из состояния равновесия с помощью внутренне присущих ей флуктуации. Кроме того, критики говорили, что неправомерно распространять второе начало термодинамики на весь мир, а последний нельзя рассматривать как замкнутую систему с ограниченным числом элементов. Наиболее последовательным и полным опровержением теории тепловой смерти Вселенной стала синергетическая концепция И. Пригожина и Г. Хакена, созданная в конце X X в.