§ 6.7. Второе начало термодинамики.

1. Из опыта мы знаем, что нагретые тела самопроизвольно остывают, а холодные, наоборот, самопроизвольно нагреваются, до температуры окружающей среды. При нагревании внутренняя энергия тела увеличивается, при охлаждении уменьшается. Если горячему телу сообщить дополнительную энергию, забрав соответствующее количество внутренней энергии у холодного тела, то температура горячего тела повысится, а холодного понизится. Такой процесс не противоречит первому началу термодинамики, в нем выполняется закон сохранения энергии. Но такие процессы самопроизвольно не происходят, они запрещены законом природы, который называется вторым началом (законом) термодинамики. Этот закон констатирует, что тепловые процессы в замкнутой системе идут только в определенном направлении, а именно, тепло самопроизвольно передается от горячего тела к холодному. С действием второго закона термодинамики мы постоянно встречаемся в повседневной жизни, примером являются нагретые батареи системы отопления.

2. Существуют другие математически эквивалентные формулировки второго начала термодинамики. Приведем некоторые из них.

• Никакая тепловая машина периодического действия не может иметь КПД, превышающий (Т₁ -Т₂)/Т₁, где Т₁ и Т₂ – соответственно наибольшая и наименьшая температуры в цикле.

• Невозможен вечный двигатель второго рода.

• Энтропия замкнутой системы не может убывать: S0.

Первую из приведенных формулировок второго начала термодинамики мы уже обсудили в § 6.5.

Обсудим вторую формулировку. Вечным двигателем первого рода называется машина, которая производит работу без всякого внешнего источника энергии. Вечный двигатель первого рода имеет только рабочее тело, а нагреватель и холодильник в ней отсутствуют. Рабочее тело является замкнутой системой, и его состояние циклически изменяется. Такое устройство противоречит закону сохранения энергии. Невозможность создания вечного двигателя первого рода есть еще одна формулировка первого начала термодинамики. Вечный двигатель второго рода представляет собой циклически работающую машину, которая, получая тепло от внешнего источника энергии, целиком превращает его в механическую работу и имеет КПД 100%. У этой машины есть нагреватель и рабочее тело, но нет холодильника. Ранее мы уже убедились, что циклическое превращение тепла в механическую работу требует три обязательных тела: нагреватель, рабочее тело и холодильник.

Обсудим третью формулировку. Мы подошли к этому утверждению, рассматривая понятие энтропии в предыдущем параграфе. Действительно, если в замкнутой системе нет термодинамического равновесия, то вследствие теплового движения оно рано или поздно установится. Если замкнутая система уравновешена, то это ее состояние не может измениться без внешнего воздействия, а по определению замкнутой системы такого воздействия быть не может. Состоянию термодинамического равновесия соответствует наибольшая термодинамическая вероятность W и максимальное значение энтропии (см. формулу 6.6.5). Таким образом, если в результате предполагаемого процесса энтропия замкнутой системе уменьшится, то заведомо ясно, что такой процесс невозможен.

Тепловые процессы статистические, они происходят в результате хаотического, случайного движения частиц. Легко представить, что следствием случайностей может быть небольшое нарушение равновесия, например, в некоторый момент времени число частиц в одной половине сосуда может оказаться немного больше, или, наоборот, немного меньше, чем в другой. Такие самопроизвольные отклонения от положения равновесия называются флуктуациями. Понятно, что вероятность малых флуктуаций велика, а вероятность больших флуктуаций мала. При возникновении флуктуации нарушается термодинамическое равновесие, и энтропия уменьшается. Следовательно, в замкнутой системе возможны процессы, энтропия которых немного уменьшается. Учет статистического характера тепловых процессов отменяет категоричность ранее приведенной формулировки второго начала термодинамики. Ее более точная формулировка имеет вид: в замкнутой термодинамической системе наиболее вероятными являются такие процессы, в результате которых энтропия не уменьшается, т.е. S0.

3. Направленность тепловых процессов, о которой говорит второе начало термодинамики, связана с необратимостью реальных физических процессов. Чисто механические процессы, когда нет сил трения, обратимы. Например, выпущенный из рук мячик падает на пол, его потенциальная энергия превращается в кинетическую. После упругого удара мяч отскакивает и движется вверх, причем, обратный процесс складывается из последовательности тех же состояний, но проходимых в обратной последовательности, что и прямой путь. В процессе движения мяча происходит превращение механической энергии тела как целого из одного вида в другой, и это никак не отражается на внутреннем состоянии тела как совокупности частиц.

В термодинамических процессах участвует огромное число частиц, образующих тело. Принципиально необратимы процессы, в которых участвует большое число хаотически движущихся частиц: расширение газа в пустоту и теплопередача от горячего тела к холодному. Процесс расширения газа в пустоту выглядит так: одну половину сосуда, разделенного перегородкой на две части, заполним газом; после снятия перегородки молекулы необратимо разлетятся по всему сосуду. В § 6.2 мы отмечали, что при передаче тепла происходит передача энергии от «горячих» частиц к «холодным» путем непрерывного совершения микроскопической работы. Подобный механизм хаотического перераспределения энергии сопровождает действие силы трения. Работа этой силы приводит к уменьшению механической энергии тела: она превращается в тепло и перераспределяется между отдельными частицами тела, увеличивая «хаотизацию». Поясним рассмотренный механизм понятным примером из повседневной жизни. Если Вы дали деньги в долг своему надежному товарищу, то процесс обратим – деньги вернутся. Если же Вы вытащили из своего кармана некую сумму и бросили ее в толпу – процесс необратим. Во всех реальных процессах всегда присутствует рассмотренный механизм, и все реальные процессы необратимы, они приближают систему к положению равновесия. Полностью «хаотизированная», т.е. равновесная система неработоспособна. Вся наша разумная деятельность направлена на уменьшение «хаотизации» в локальной области незамкнутой системы.

Как показало развитие науки, Вселенная является незамкнутой системой, и гипотеза о «тепловой смерти Вселенной», возникшая в науке более века назад, несостоятельна. Суть этой гипотезы такова. В замкнутой системе самопроизвольно наступает полный хаос, и температура во всех ее частях и прочие термодинамические параметры выравниваются. Источником жизни на Земле является Солнце. Установление теплового равновесия во Вселенной означает возникновение всеобщего молекулярного хаоса и прекращение всякого направленного движения, которым является жизнь. Мы уже не раз отмечали, что все физические законы имеют определенную область применения. Незамкнутость термодинамической системы означает неприменимость к ней второго начала термодинамики.