Тема 5.

Закон сохранения энергии в макромире.

Термодинамика. Состояния вещества

Закон сохранения энергии был открыт нашим великим соотечест-

венником М.В. Ломоносовым. Его формулировка такова: энергия не

возникает и не исчезает, она лишь переходит из одной формы в дру-

гую. Этот закон универсален, он не допускает исключений или от-

клонений.

Термодинамика – раздел физики, изучающий тепловые процессы

– начала бурно развиваться в XVIII веке, когда появились первые

паровые двигатели, и практические цели потребовали теоретическо-

го обоснования новых машин, существенно облегчивших физический

труд человека. Изобретателями парового двигателя являются анг-

личанин Дж. Уатт (он всемирно известен) и русские крепостные отец

и сын Ефим и Мирон Черепановы (о них знают только в России).

Первый закон термодинамики является частным случаем закона

сохранения энергии в применении к тепловым процессам и форму-

лируется так: теплота не возникает из ничего (это одна из многочис-

ленных формулировок первого закона, самая простая). После откры-

тия первого закона термодинамики все европейские Академии Наук

перестали принимать проекты «вечных» двигателей, т.е. таких, кото-

рые работали бы без притока энергии извне. Как и закон сохранения

энергии, первый закон термодинамики является универсальным и

не допускает отклонений.

Прежде, чем перейти ко второму закону термодинамики, следует

рассмотреть понятие температуры. Абсолютная температура – это

физическая величина, характеризующая изолированную макросис-

тему в состоянии равновесия. Понятие макросистемы было дано вы-

ше. Изолированная макросистема – это та, которая не обменивается

с окружающей средой веществом и энергией. Пример изолированной

макросистемы – термос. (Описание опыта). Но этот пример говорит о

том, что изолированные системы являются идеальными, в природе

их не существует. Однако для теоретического описания тепловых

процессов изолированные системы оказались очень удобными. Со-

стояние равновесия – это то состояние, когда все части макросистемы

характеризуются одинаковыми параметрами, например, температу-

рой и давлением. В равновесное состояние изолированная макросис-

тема приходит через достаточно большой промежуток времени. Аб-

Разумова Е.Р.

20

солютная 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 лорда Кельвина (он же У. Томсон). В повсе-

дневной 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: маловероятен самопро-

извольный переход тепла от холодного тела к горячему. Законы тер-

модинамики сформулировал немецкий физик Р. Клаузиус. На осно-

вании второго закона термодинамики он предложил гипотезу тепло-

вой смерти Вселенной: со временем все виды энергии перейдут в те-

пловую, тепло равномерно рассеется по Вселенной, после чего в ней

прекратятся все процессы, поскольку они идут за счет разности тем-

ператур. Опроверг теорию тепловой смерти Вселенной австрийский

физик Л. Больцман, который доказал, что в отличие от первого, вто-

рой закон термодинамики не универсален, а носит статистический

характер. Статистические законы, в отличие от универсальных, вы-

полняются не всегда, а в большинстве случаев и допускают случай-

ные отклонения, называемые флуктуациями. Флуктуации – явления

чрезвычайно редкие, например, в одном случае из тысячи теплота

может перейти от холодного тела к горячему, это не запрещено зако-

ном природы, а всего лишь очень маловероятное событие. Примеры

других флуктуаций. Статистические законы описываются с помощью

специального раздела математики – теории вероятностей. Примеры

вероятностных событий.

Клаузиус также ввел очень важное для термодинамики понятие

энтропии (S) – фунции состояния термодинамической системы, из-

менение которой dS равно отношению количества теплоты, сообщен-

ного системе, dQ, к абсолютной температуре Т. Согласно второму за-

кону 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 изолиро-

ванная система самопроизвольно стремится к беспорядку, т.е. к хао-

су. Примеры. Понятия Космоса и Хаоса у древних греков.

Концепции современного естествознания

21

Понятие о синергетике

Синергетика – это наука об открытых неравновесных системах, ро-

дившаяся в середине ХХ века. Ее основоположниками являются

бельгийский ученый (русского происхождения) лауреат Нобелевской

премии И.Р. Пригожин, англичанка И. Стэнгерс и немецкий мате-

матик Э. Хакен. Такие системы стремятся к самоорганизации, т.е. к

возникновению порядка из беспорядка. В открытых неравновесных

системах происходит накопление флуктуаций, что делает систему

неустойчивой. Максимально неустойчивое состояние называется

точкой бифуркации. Пройдя точку бифуркации, система или разру-

шается или переходит на новый уровень. Примеры самоорганизации

из химии (реакции Белоусова-Жаботинского), биологии (видообразо-

вание), космологии (спиральные галактики), экологии (организация

сообществ), социологии (смена общественно-экономических форма-

ций).

Состояния вещества

Как было установлено еще в XIX веке, все вещества состоят из мо-

лекул. Молекулы находятся в непрерывном движении. Агрегатное

состояние вещества определяется соотношением между потенциаль-

ной энергией притяжения молекул и средней кинетической энергией

их теплового движения, которая пропорциональна абсолютной тем-

пературе Т.

Газообразное состояние вещества определяется тем, что кинетиче-

ская энергия теплового движения молекул существенно выше по-

тенциальной энергии притяжения молекул. Газ не имеет структуры,

легко сжимается, поскольку расстояния между молекулами значи-

тельно больше их размеров, занимает весь объем сосуда, в который

помещен, а столкновения вежду молекулами идеально упругие. Для

газообразного состояния характерна максимальная энтропия.

В жидком состоянии потенциальная энергия притяжения молекул

немного больше их кинетической тепловой энергии. Жидкости труд-

но сжимаются и принимают форму сосуда, в котором находятся.

Слои молекул сдвигаются относительно друг друга, что обуславлива-

ет текучесть жидкостей. Для них характерна изотропия (одинако-

вость) свойств во всех направлениях.

В твердом состоянии потенциальная энергия связи атомов в моле-

кулах намного больше кинетической энергии теплового движения.

Атомы (или молекулы) в твердом веществе фиксированы и испыты-

Разумова Е.Р.

22

вают только колебания около положения равновесия. Для твердых

кристаллических веществ характерна периодически повторяющаяся

структура – кристаллическая решетка. Кристаллы – это вершина

упорядоченности (в неживой природе), энтропия в них минимальна.

Переходы вещества из одного состояния в другое называются фазо-

выми переходами.

Плазма – это состояние ионизированного газа, в котором концен-

трации положительных и отрицательных зарядов равны. В состоя-

нии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной:

звезды, галактики, межгалактическое пространство. Около Земли

плазма существует в виде солнечного ветра, магнитосферы и ионо-

сферы. Высокотемпературная плазма (миллионы К) из смеси дейте-

рия и трития используется при исследовании термоядерного синтеза.

Низкотемпературная плазма применяется в различных газоразряд-

ных приборах (например, плазма при комнатной температуре –

лампа дневного света).

Таким образом, классическая термодинамика, описывающая изо-

лированные равновесные системы, была завершена к концу XIX ве-

ка, а в середине ХХ века родилась новая наука – синергетика, опи-

сывающая открытые неравновесные системы.

Контрольные вопросы по Теме 5:

1. Что такое температура?

2. Почему невозможна тепловая смерть Вселенной?

3. Что такое энтропия?

Литература: 19, 20, 21, 22.