§7. Недостаточность первого начала термодинамики для однозначного описания процессов, происходящих в природе.

Первое начало термодинамики, т.е. закон сохранения энергии применительно и к механическим и к тепловым процессам, было установлено в 1840 г. в результате обобщения большого числа опытных фактов. Открытие этого закона связано с именами таких ученых как Джоуль, Майер и Гельмгольц. Следует иметь в виду, что хотя для простейших механических систем закон сохранения энергии и может быть выведен из законов механики, но в своем общефизическом смысле он принят наукой как независимый от законов механики, установленный опытом закон. Закон сохранения и превращения энергии является всеобщим законом природы. Он в одинаковой мере справедлив как для макроскопических, так и для микроскопических явлений. Этот закон играет важнейшую роль во всем современном естествознании, т.к. он относится к неотъемлемому свойству материи ― ее движению.

Термодинамика изучает закономерности тепловой формы движения материи, количественной мерой которого является внутренняя энергия. Первое же начало термодинамики, как мы знаем, представляет собой закон сохранения внутренней энергии. Оно устанавливает количественное отношение между теплотой, работой и изменением внутренней энергии системы и выражается известными нам равенствами (133), (134) или (135).

Однако первое начало термодинамики не определяет условия, при которых возможно превращение теплоты в работу и в другие виды энергии, оно не устанавливает направление процессов, происходящих в природе. Так, опыт показывает, что любая форма энергии при ее превращениях, в конце концов, переходит в энергию теплового движения ― во внутреннюю энергию. Во внутреннюю энергию, называемую часто также тепловой энергией, переходит механическая энергия, энергия электрического тока, световая энергия, энергия химических реакций и т.п. Любой вид энергии в процессе превращений может пройти через различные ее формы, но конечным результатом всех таких превращений непременно явится тепловая энергия. Тепловая же энергия, как показывает опыт, может превращаться в другие виды энергии только частично и только при определенных условиях, к примеру, при наличии разности температур. Из первого начала термодинамики эти опытные факты не вытекают. Вообще, первое начало термодинамики оказывается недостаточным для однозначного описания процессов, происходящих в природе: оно не указывает в каком направлении протекают природные процессы. Если, к примеру, происходит теплообмен между двумя телами, то первое начало термодинамики (т.е. закон сохранения внутренней энергии) требует только, чтобы количество теплоты, отданное одним телом, равнялось количеству теплоты, полученному другим. Но оно ничего не говорит о том, будет ли совершаться переход тепла от более нагретого тела к менее нагретому или наоборот. Между тем повседневный опыт показывает, что если теплообмен происходит сам по себе, без затраты работы каких-либо внешних тел, то теплота всегда переходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, но она никогда не переходит сама собой в обратном направлении ― от тел с более низкой температурой к телам с более высокой температурой. Такой самопроизвольный переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому телу не противоречил бы, однако, первому началу термодинамики. Следовательно, наблюдаемая на опыте необратимость теплопроводности, как и вообще необратимость всех самопроизвольных процессов, из первого начала термодинамики не вытекает. Необратимость процессов природы оказывается связанной со вторым началом термодинамики.