Второго начала термодинамики

Окружающая нас среда обладает значительными запасами тепловой энергии. Двигатель, работающий только за счет энер­гии находящихся в тепловом равновесии тел, был бы для прак­тики вечным двигателем. Второе начало термодинамики исклю­чает возможность создания такого вечного двигателя второго рода.

Необратимость тепловых процессов имеет вероятностный характер. Самопроизвольный переход тела из равновесного со­стояния в неравновесное не невозможен, а лишь подавляюще маловероятен. В конечном результате необратимость тепловых процессов обусловливается колоссальностью числа молекул, из которых состоит тело.

Молекулы газа стремятся к наиболее вероятному состоянию, т. е. состоянию с беспорядочным распределением молекул, при котором примерно одинаковое число молекул движется вверх и вниз, вправо и влево, при котором в каждом объеме находится примерно одинаковое число молекул, одинаковая доля быстрых и медленных молекул в верхней и нижней частях какого-либо сосуда. Любое отклонение от такого беспорядка, хаоса, т. е. от равномерного и беспорядочного перемешивания молекул по местам и скоростям, связана с уменьшением вероятности, или представляет собой менее вероятное событие. Напротив, явле­ния, связанные с перемешиванием, с созданием хаоса из поряд­ка, увеличивают вероятность состояния. Только при внешнем воздействии возможно рождение порядка из хаоса, при котором порядок вытесняет хаос. В качестве примеров, демонстрирую­щих порядок, можно привести созданные природой минералы, построенные человеком большие и малые сооружения или про­сто радующие глаз своеобразные фигуры.

Количественной характеристикой теплового состояния тела является число микроскопических способов, которыми это со­стояние может быть осуществлено. Это число называется статистическим весом состояния; обозначим его буквой Г. Тело, пре­доставленное самому себе, стремится перейти в состояние с большим статистическим весом. Принято пользоваться не самим числом Г, его логарифмом, который еще умножается на посто­янную Больцмана k. Определенную таким образом величину

                                       S = k 1пГ                               

    называют энтропией тела.

Нетрудно убедиться в том, что энтропия сложной системы равна сумме энтропии ее частей.

Закон, определяющий направление тепловых процессов, можно сформулировать как закон возрастания энтропии:

для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процес­сов энтропия системы возрастает; максимально возможное значе­ние энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равно­весии:

Δ S > 0.

Данное утверждение принято считать количественной фор­мулировкой второго закона термодинамики, открытого Р.Ю.Клаузиусом (его молекулярно-кинетическое истолкование дано Л.Больцманом).

Идеальному случаю — полностью обратимому процессу замкнутой системы — соответствует неизменяющаяся энтропия. Все естественные процессы происходят так, что вероятность со­стояния возрастает, что означает переход от порядка к хаосу. Значит, энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественных процессов возрастает. В этой связи закон о невоз­можности вечного двигателя второго рода, закон о стремлении тел к равновесному состоянию получают свое объяснение. По­чему механическое движение переходит в тепловое? Да потому, что механическое движение упорядочено, а тепловое беспоря­дочно, хаотично.

В середине XIX в. активно обсуждалась проблема тепловой смерти Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую сис­тему и применяя к ней второе начало термодинамики, Р.Ю.Клаузиус свел его содержание к утверждению, что энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума. Это означает, что все формы движения со временем должны перейти в тепло­вые. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел во Вселенной сравняется, т. е. наступит полное тепловое равновесие и все процессы во Вселенной прекратятся – наступит тепловая смерть. Ошибочность вывода -бессмысленно применять второе начало термодинамики к незамкнутым системам, например к такой безграничной и бесконечно развивающейся системе, как Вселенная.

Я хочу изведать тайны Жизни мудрой и простой.

В. Брюсов

14

Биологические концепции естествознания