Лекция 5. Закон сохранения энергии в макромире. Термодинамика. Состояния вещества

Закон сохранения энергии был открыт нашим великим соотечественником М.В. Ломоносовым. Его формулировка такова : энергия не возникает и не исчезает, она лишь переходит из одной формы в другую. Этот закон универсален, он не допускает исключений или отклонений.

Термодинамика – раздел физики, изучающий тепловые процессы - начала бурно развиваться в ХУШ веке, когда появились первые паровые двигатели, и практические цели потребовали теоретического обоснования изобретаемых машин, существенно облегчивших физический труд человека. Изобретатели парового двигателя – англичанин Дж.Уатт и русские крепостные отец и сын Ефим и Мирон Черепановы.

Первый закон термодинамики является частным случаем закона сохранения энергии в применении к тепловым процессам и формулируется так: теплота не возникает из ничего (это одна из многочисленных формулировок первого закона, самая простая). После открытия первого закона термодинамики все европейские Академии Наук перестали принимать проекты «вечных» двигателей, т.е. таких, которые 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 макросистему в состоянии равновесия. Понятие макросистемы было дано выше. 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. Состояние равновесия – это то состояние, когда все части макросистемы характеризуются одинаковыми параметрами, например, температурой и давлением. В равновесное состояние изолированная макросистема приходит через достаточно большой промежуток времени. Абсолютная 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 повседневной 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 to (C).

Второй закон термодинамики звучит так: маловероятен самопроизвольный переход тепла от холодного тела к горячему. Законы термодинамики сформулировал немецкий физик Р. Клаузиус. На основании второго закона термодинамики он предложил гипотезу тепловой смерти Вселенной: со временем все виды энергии перейдут в тепловую, тепло равномерно рассеется по Вселенной, после чего в ней прекратятся все процессы, поскольку они идут за счет разности температур. Опроверг теорию тепловой смерти Вселенной австрийский физик Л.Больцман, который доказал, что в отличие от

первого, второй закон термодинамики не универсален, а носит статистический характер. Статистические законы, в отличие от универсальных, выполняются не всегда, а в большинстве случаев и допускают случайные отклонения, называемые флуктуациями. Флуктуации – явления чрезвычайно редкие, например, в одном случае из тысячи теплота может перейти от холодного тела к горячему, это не запрещено законом природы, а всего лишь очень маловероятное событие. Примеры других флуктуаций. Статистические законы описываются с помощью специального раздела математики – теории веростностей. Примеры вероятностных событий.

Клаузиус также ввел очень важное для термодинамики понятие энтропии (S) - фунции состояния термодинамической системы, изменение которой dS равно отношению количества теплоты, сообщенного системе, dQ, к абсолютной температуре Т. Согласно второму закону 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 изолированная система самопроизвольно стремится к беспорядку, т.е. к хаосу. Пример: понятия Космоса и Хаоса у древних греков.

Понятие о синэргетике.

Синэргетика – это наука об открытых неравновесных системах, родившаяся в середине ХХ века Ее основоположниками являются бельгийский ученый (русского происхождения) И. Пригожин, англичанка И.Стэнгерс и немецкий математик 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 разрушается или переходит на новый уровень. Примеры самоорганизации из химии (реакции Белоусова-Жаботинского), биологии ( видообразование ), космологии (спиральные галактики), экологии (организация сообществ), социологии (смена общественно-экономических формаций).