10.3 Принцип возрастания энтропии
Одним из главных, если не главным достижением естествознания XIX в. явилось признание энергии как наиболее общего понятия, позволяющего рассматривать с единой точки зрения все явления и процессы. Сегодня понятие энергии настолько прочно вошло в нашу жизнь, что очень трудно представить себе истинный масштаб интеллектуального достижения, которое заключено в формулировке этого понятия, не менее трудно дать ему точное определение. В наиболее общем виде, энергия – это единая мера различных форм движения. В параграфе 3.2 мы говорили, что существует несколько форм движения: механическая, физическая, химическая и т. д. Аналогично и энергия существует в различных видах и формах:
внутренняя, химическая, механическая, электрическая.
Внутренняя энергия – это форма энергии, связанная с движением атомов, молекул или других частиц из которых состоит тело. Если система не совершает работы, то в соответствии с первым началом термодинамики, внутренняя энергия равна тепловой энергии.
Химическая энергия – это энергия, выделяемая или поглощаемая при химической реакции.
Механическая энергия включает в себя два вида энергии:
энергию движения – кинетическую и потенциальную –
энергию взаимодействия.
Стоит отметить, что данное разделение на различные виды энергии довольно условно. Так, тепловая энергия может выделяться благодаря химическим реакциям (горение), ядерным реакциям (ядерный синтез), механическим взаимодействиям (трение). Тепло может передаваться между телами с помощью теплопроводности, конвекции или излучения. Переход энергии из одной формы в другую означает, что энергия в данной ее форме исчезает, превращается в энергию в иной форме. При этом переход энергии из одной формы в другую происходит с соблюдением количественной эквивалентности, т. е. выполняется закон сохранения полной энергии.
169
Закон сохранения энергии гласит, что в изолированной
(замкнутой) системе энергия может переходить из одного вида в другой, но ее количество остается неизменным (постоянным).
Этот закон первоначально зародился при рассмотрении систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы. В термодинамике закон сохранения энергии формулируется в виде, связанном с сообщением системе некоторого количества теплоты ΔQ и совершением ею работы ΔA над внешними телами. Это так называемое первое начало термодинамики: количество теплоты, сообщенное телу (системе), идет на увеличение его (ее) внутренней энергии и на совершение телом (системой) работы:
ΔQ = ΔU + ΔA.
Таким образом, работа и теплота выступают как меры изменения внутренней энергии некоторой системы, но в чем же разница между работой и теплотой?
Если представить систему некой совокупностью (ансамблем) частиц, то работа соответствует упорядоченному, коррелированному движению всех частиц в одном направлении с одинаковой скоростью, например, согласованному движению молекул летящего теннисного мяча (рисунок 10.1). Теплота (или тепловое движение) соответствует случайному, хаотическому, некоррелированному, некогерентному, неупорядоченному движению частиц в ансамбле, например, как показано на рисунке 10.2, для покоящегося нагретого теннисного мяча. Поскольку перемещаемое тело (система)
имеет температуру Т>0, то в нем параллельно существуют как упорядоченная, так и хаотическая компоненты движения элементов системы.
170
Рисунок 10.1 – Перенос энергии посредством работы
Рисунок 10.2 – Перенос энергии посредством теплоты
Из первого начала термодинамики следует важный вывод:
невозможен вечный двигатель первого рода, т. е. такой двигатель, который бы совершал работу без внешнего источника энергии.
В более общей форме первое начало термодинамики можно сформулировать следующим образом: в изолированной
(замкнутой) системе энергия может переходить из одного вида в другой, но ее количество остается неизменным
171
(постоянным). Нет никаких научных оснований утверждать, что где-нибудь когда-нибудь этот закон н арушался. По современным представлениям, закон сохранения энергии – есть следствие одного из видов симметрии: однородности времени.
Изолированная система – это система, которая не обменивается с внешней средой (т. е. со всем, что находится вне системы) энергией (в том числе и веществом – эквивалентом энергии). Изолированных систем на самом деле нет, но условно можно рассмотреть, например, аквариум, Землю, термос как приближение к ним. С большим основанием в качестве примера изолированной системы приводят Вселенную.
Открытая, неизолированная система, соответственно,
обменивается веществом и энергией с другими системами. Как правило, термодинамические
системы состоят из столь огромного числа частиц (атомов, молекул), что их состояние можно характеризовать
макроскопическими термодинамическими параметрами:
плотностью, давлением, концентрацией веществ, образующих систему и т. д. Если эти параметры системы с течением времени не изменяются, то говорят, что система находится в
термодинамическом равновесии.
Термодинамическое равновесие – это состояние, к которому самопроизвольно стремится любая изолированная система.
Количественно описать степень разупорядоченности системы позволяет соотношение, установленное Л.
Больцманом (рисунок 10.3). Выражение S=klnW известно как формула Больцмана. Величина S – энтропия – это термодинамическая функция, существование которой обусловлено вторым началом термодинамики, именно энтропия
172
определяет направление всех самопроизвольных процессов. Величина W (термодинамическая вероятность) характеризует меру рассеяния энергии и степень хаоса. W представляет собой величину, связанную с микроскопическими параметрами, параметрами, определяющими состояние отдельных частиц, входящих в систему. Энтропия же – это макроскопический параметр, позволяющий характеризовать состояние системы в целом, не вникая в свойства системы на атомном уровне.
Факт. Формула Больцмана стала величайшим достижением науки XIX в., а после смерти Л. Больцмана была высечена на его надгробье.
Итак, второе начало термодинамики говорит, что в
изолированной термодинамической системе энтропия постоянно возрастает и, в конечном счете, стремится к своему максимальному значению (энтропия замкнутой системы не может убывать).
Это современная формулировка, классики же термодинамики формулировали этот закон по-другому:
-«полное преобразование теплоты в работу без каких-либо изменений в окружающей среде невозможно» (Кельвин);
-«самопроизвольный переход теплоты от менее нагретого (холодного) тела к более нагретому невозможен» (Клаузиус).
Последняя формулировка нам наиболее понятна и доступна, мы убеждаемся в ней каждый день. Если нам холодно, мы используем для согревания горячую водяную грелку; для того, чтобы снять жар, мы используем ледовый компресс. И в каждом из этих случаев тепло (энергия) переходит от горячего тела к холодному.
Важным следствием второго начала термодинамики является невозможность создания вечного двигателя второго
рода, который бы внутреннюю энергию тела мог превратить в полезную работу.
Дело в том, что в более широком смысле под энтропией понимают меру качества, то есть меру концентрации и упорядочения энергии. Разные виды энергии обладают разным качеством. Так, например, упорядоченное движение частиц
173
твердого тела (механическое движение) обладает бóльшим качеством, чем хаотичное движение этих же частиц с той же средней скоростью (тепловое движение). Поэтому любое механическое движение при наличии трения сопровождается самопроизвольным превращением части механической энергии в тепловую. Поэтому иногда используют такие формулировки второго закона термодинамики: невозможно создать машину с КПД = 1; все естественные процессы идут в направлении ухудшения качества (деградации) энергии.
Когда мы говорим об энергии, особенно в контексте, связанном с энергетическим кризисом, следует помнить, что энергии на Земле вполне достаточно. Теплоход, идущий по океану, идет по морю энергии. Тем не менее, он вынужден вести с собой запас угля, потому что энергия, запасенная в океане, обладает низким качеством. Для полезного использования нужна именно высококачественная энергия, энтропия которой ниже энтропии энергии, рассеянной в окружающей среде. Энергию океана можно использовать только при наличии холодильника с более низкой температурой, чем температура океана. В качестве такого холодильника может выступать только космос, в который Земля «сбрасывает» излишки тепла. За счет этого ресурса во многом формируется энергия ветров.
Таким образом, энтропия выступает как мера некачественности энергии. А второй закон термодинамики выступает как принцип неизбежного понижения качества энергии.
Более того, энтропию можно рассматривать как меру молекулярного беспорядка: чем выше энтропия, тем больше беспорядок. В соответствии с этим, второй закон термодинамики выступает как принцип нарастания беспорядка и разрушения структур.
Наличие упорядоченных структур типа кристаллических решеток, живых организмов и т. п., способствует упорядочению движения частиц за счет уменьшения их степеней свободы. Поэтому принцип роста энтропии требует роста количества степеней свободы в каждом реальном процессе превращения
174