Равновесие замкнутых открытых систем

Сообщенное телу (или системе) количе­ство теплоты увеличивает внутреннюю энергию этого тела и заставляет его совершать работу.При этом работа не может превышать количество сообщенной телу тепловой энергии, т. е.«вечный двигатель первого рода» невозможен.

Второе начало указывает направление движения энергии: от каких тел, в каком соотношении, через какие формы. Основные положения второго начала термодинамики формулируются следующим образом:

1. Тепловая энергия передается только в одном направлении – от теплого к менее теплому.

2. Превращаться в работу может только часть тепловой энергии, передаваемой от теплого к холодному. То есть главным условием работы тепловой энергии является не источник тепла («нагреватель»), а «холодильник».

Следствиями этих положений являются:

а) полное преобразование любой формы энергии в работу или другую форму энергии, за исключением тепловой, невозможно; часть энергии обязательно теряется в форме тепла.

б) совершение работы за счет внутренней энергии замкнутой системы возможно только при неравномерном распределении этой энергии внутри системы.

С целью увеличения К.П.Д. тепловых машин были предприняты теоретические исследования работоспособности идеальных закрытых тепловых систем, т. е мысленных систем, полностью изолированных от возможности обмена энергией с внешней средой, общее количество внутренней энергии которых не может измениться. В результате этих мысленных экспериментов были сделаны следующие выводы, также ставшие основными положениями второго начала термодинамики:

· Невозможно использовать для работы внутреннюю энергию вещества путем его охлаждения, так как даже если энергия, потраченная на работу по охлаждению (работу «холодильника») будет равна отдаваемому веществом теплу (идеальный случай), в полезную работу может быть преобразована только часть этого, отданного веществом тепла. Следовательно, реализация проектов, предлагающих использовать внутреннюю тепловую энергию природных объектов (например водоемов) путем их охлаждения – проекты вечного двигателя второго рода – невозможна.

· Работоспособность замкнутой закрытой системы, не смотря на сохранение исходного количества внутренней энергии, неизбежно снижается до нуля. Другими словами, внутренняя энергия системы необратимо обесценивается, хотя никуда и не исчезает.

Для определения меры этого необратимого обесценивания энергии было введено новое физическое понятие – энтропия.

Представьте себе замкнутую изолированную тепловую систему в виде химически однородного предмета, одна часть которого значительно теплее другой его части (допустим: +90⁰ – одна часть, и +45⁰ – другая часть), полностью изолированного от какого бы то ни было теплового обмена с окружающей средой. Данное неравномерное распределение тепловой энергии внутри системы (предмета) на молекулярном уровне можно себе представить как упорядоченное распределение молекул вещества в зависимости от скорости их беспорядочного движения. Молекулы с высокой скоростью движения и соответственно более высокой кинетической энергией сосредоточены в одной части системы (предмета), а молекулы с низкой скоростью и энергией – в другой. В силу беспорядочного движения и неизбежных столкновений и тех и других молекул друг с другом между ними идет постоянный обмен частью кинетической энергии, в результате которого скорость движения и кинетическая энергия одних молекул повышается, а других понижается, то есть идет передача энергии от теплой части предмета к холодной. Часть этого тепла в соответствии со вторым началом термодинамики может быть использована в работе. Но, по мере того как разница температур между частями предмета уменьшается, распределение тепла внутри системы становится все более равномерным, и количество тепловой энергии, передаваемое в единицу времени от теплой части предмета к холодной, становится все меньше, способность внутренней энергии системы совершать работу снижается. Когда разница в тепловой энергии между частями системы полностью нивелируется, продолжение работы станет невозможно, так как, хотя общее количество энергии в системе не изменилось, переход энергии от теплого к холодному прекратился. В условиях тепловой однородности системы (предмета) скорость движения молекул не может быть одинаковой в силу передачи части энергии одних молекул другим при неизбежных столкновениях. В то же время в силу беспорядочного, случайного непредсказуемого характера движения молекул наиболее вероятным является статистически равномерное распределение внутри системы (предмета) молекул с разной скоростью движения и кинетической энергией.

Таким образом, наиболее вероятным, а значит, и устойчивым состоянием изолированной (закрытой) замкнутой тепловой системы является максимально беспорядочное движение молекул, что приводит к равномерному распределению внутри системы тепловой энергии и невозможности использования этой энергии в работе.

В качестве другого примера представим себе две соединенные трубкой емкости с двумя разными газами, допустим, водородом и азотом. Такое состояние является наименее вероятным и потому неустойчивым, но зато высокоупорядоченным. При равенстве температур оба газа постепенно распределятся равномерно во всей системе, так как это состояние наиболее вероятно и устойчиво.

Таким образом, понятие энтропии, отражавшее абстрактный умозрительный процесс «деградации и обесценивания» энергии становится отражением реального процесса перехода систем от неустойчивого упорядоченного состояния с неравномерным распределением энергии к устойчивому беспорядочному состоянию с равномерным распределением энергии. С учетом всеобщности и фундаментальности закона сохранения и превращения энергии, энтропии можно дать определение как меры перехода системы от упорядоченного состояния к хаосу, или меры беспорядка в системе.

Следовательно, третьим основным положением второго начала термодинамики будет:

3. В замкнутых закрытых системах энтропия неизбежно возрастает или остается на максимальном уровне. Другими словами, любая закрытая упорядоченная система неизбежно стремится к беспорядку.

Законы термодинамики носят статистический вероятностный характер и не отрицают возможности случайного формирования более упорядоченного состояния системы. Именно в условиях максимально беспорядочного непредсказуемого поведения движущихся частиц и квантов энергии максимально высока вероятность их случайного временного неравномерного (упорядоченного) распределения. Так, в нашем примере со смесью газов, в силу беспорядочного непредсказуемого движения молекул, всегда есть вероятность их временного неравномерного распределения между сосудами. Так как это состояние маловероятно, а значит неустойчиво, молекулы быстро распространятся опять по всему объему и система вернется к равновесию и максимальной энтропии. Такие случайно возникающие временные зоны упорядоченности в равновесных системах называют флуктуации. В замкнутых закрытых системах флуктуации всегда носят временный характер, так как в соответствии с законом возрастания энтропии случайно образовавшаяся зона упорядоченности и неравномерного распределения энергии неизбежно переходит к равномерному распределению энергии и максимальному беспорядку.

Однако, рассматривая реальные природные замкнутые системы, мы видим, что закон неизбежного возрастания энтропии не проявляется. Почему вода на Земле существует в жид­ком состоянии, хотя должна была уже несколько милли­ардов лет тому назад перейти в пар — состояние с макси­мальной энтропией? Потому что это было бы возможно только в полностью изолированной системе. Вода есть система из бесчисленного множества молекул. Но она вза­имодействует с окружающей средой, в частности с воздухом. Вместе они образуют новую систему, в которой яв­ляются всего лишь отдельными телами. И эти тела ни­чем не изолированы друг от друга, поэтому их энтропия стремится к наиболее вероятному состоянию в конкрет­ных земных условиях. Закрытые изолированные системы существуют только как идеальные мысленные системы. Все реально существующие системы изолированными не являются, так как полностью исключить возможность обмена разных систем веществами и/или энергией невозможно. Этим обменом веществами и энергией каждая система связана с множеством других систем. При этом каждая система является окружающей средой для элементарных систем, являющихся ее составной частью, (подсистем) и одновременно подсистемой (составной частью) для системы более высокой иерархии (надсистемы). Таким образом, все реально существующие системы являются открытыми, так как постоянно обмениваются веществами и/или энергией с другими системами.

При определенных параметрах обмена энергией и/или веществами в замкнутой открытой системе за счет этого обмена упорядоченное состояние и неравномерное распределение энергии может сохраняться неопределенно долго. Рассмотрим тот же пример с неравномерно нагретым предметом только в качестве не изолированной, а открытой системы. Представим себе, что в силу этой открытости, к более теплой части предмета постоянно поступает определенное количество тепла, а вся система в целом отдает определенное количество тепла в окружающую среду. Допустим, что количество тепла, получаемое системой, эквивалентно тепловой энергии, переходящей от теплой части предмета к холодной, и количеству энергии, отдаваемому всей системой среде. В этих условиях, несмотря на постоянный переход энергии внутри системы от теплой части к холодной, неравномерное распределение энергии в системе будет сохраняться, а, значит, сохранится и работоспособность системы. (По сути, мы получили упрощенную схему тепловой машины, например паровой, в которой непрерывно сжигаемое топливо подает в систему новые порции тепла, а выбрасываемый в окружающую среду отработанный пар отдает свое тепло этой среде.) При этом, поскольку переход энергии от теплой части системы (предмета) к холодной не прекращается, также непрерывно идет и процесс выравнивания распределения энергии и возрастания энтропии в системе. Вот только за счет обмена тепловой энергией с внешней средой также непрерывно идет процесс восстановления неравномерного распределения энергии и уменьшения энтропии. Если процессы увеличения и уменьшения энтропии в системе будут эквивалентны, общая энтропия системы изменяться не будет, и степень упорядоченности системы не изменится. Такое состояние системы, в котором суммарное изменение энтропии равно нулю, называется стационарным и является неустойчивым, так как изменение любого из параметров обмена энергией со средой приведет к изменению распределения энергии в системе.

Самым устойчивым будет состояние при минимальном значении термодинамических функций. Иными словами. тела должны прийти в тепловое равновесие. Поэтому вода не может все время быть плавящимся льдом или все вре­мя кипеть, хотя именно в этих температурных точках на­растает ее энтропия. Зато между точками кипения и плав­ления находится жидкое состояние, которое обладает дос­таточной беспорядочностью (в сравнении с льдом) и не стре­мится к большему беспорядку в конкретных условиях. Так же, отапливая зимой комнату, мы не увеличиваем внутреннюю энергию помещения, которая постоянно уходит в процессе теплового обмена с наружной средой, а поддерживаем постоянную температуру, то есть неустойчивое состояние. Энтропия обогреваемого помещения не максимальна и не постоянна, но ее постоянное изменение во времени равно нулю. Вернемся к примеру с двумя соединенными емкостями, заполненными смесью азота и водорода и подогреем одну емкость и охладим другую. В результате, из-за разницы температур, в одной емкости будет больше водорода, а в другой азота. В данном случае мы имеем дело с диссипативным процессом, который, с одной стороны, творит беспорядок и одновременно, с другой, потоком тепла создает порядок: водород в одной емкости, азот — в другой. Порядок и беспорядок, таким образом, оказываются тесно связанными — один включает в себя другой. И эту констатацию мы можем оценить как главное изменение, которое происходит в нашем восприятии универсума сегодня.

Изменение параметров обмена энергией со средой приведет к изменению распределения энергии в системе и выходу системы из сложившегося состояния равновесия. Система, выведенная внешним воздействием из состояния с минимальным производством энтропии, стимулирует развитие процессов, направленных на ослабление внешнего воздействия и восстановление состояния с минимально возможной при данных новых условиях энтропией. Структурная особенность системы, позволяющая сохранять и восстанавливать свою упорядоченность в определенном диапазоне меняющихся условий, называется аттрактором, а само равновесие динамическим. Изменение внешних условий может смещать динамическое равновесие как в сторону процессов уменьшения энтропии, так и в сторону увеличения энтропии.

Допустим, мы повышаем температуру одного сосуда, не изменяя температуры второго. Соотношение молекул разных газов в каждом сосуде изменится, но неравномерность распределения этих газов между сосудами будет сохраняться, не смотря на общее увеличение энтропии в системе. В то же время, повышая температуру одного сосуда и одновременно понижая температуру другого, мы можем добиться максимального разделения смеси газов, то есть состояния с минимальной энтропией в системе. Однако это состояние будет чрезвычайно не устойчивым, так как малейшее смещение разности температур приведет к уменьшению упорядоченности в распределении молекул. Достигаемое в рамках аттрактора новое неустойчивое равновесие, однако, неизбежно ведет к общему увеличению энтропии или в самой системе (увеличение порядка в одной части системы сопровождается соответствующим увеличением беспорядка в другой части системы) или в надсистеме, являющейся для изучаемой системы внешней средой. В примере с двумя сосудами мы не можем, нагревая один, не повышать одновременно температуру окружающего систему воздуха, конвекция которого рано или поздно нарушит эквивалентность охлаждения второго сосуда нагреву первого. То есть, повышая упорядоченность созданной нами системы, мы увеличили энтропию (беспорядок) в окружающей среде (надсистеме), что становится фактором, выводящим нашу систему из стационарного состояния.

Человечество — это живая динамическая система, часть биосферы. А любая система потенциально содержит в себе как порядок, так и его противоположность - беспорядок. Че­ловеческое сообщество, развиваясь, снижает меру своей не­упорядоченности через постепенные реформы или быстрые революции, достигая все большей организации, регла­ментации и управляемости. Казалось бы, это очень хорошо. Да, если бы не один вопрос: а куда же девался внутренний беспорядок?

Об этом редко кто задумывается, а зря. Дело в том, что бес­порядок, отрицательная сторона деятельности людей по улучшению своей жизни, не исчезает «в никуда», а просто пе­рекладывается в другое место и, представьте себе, может вер­нуться обратно с совершенно неожиданной стороны. Вот небольшой бытовой пример. Ваша квартира сияет чистотой, вы навели в ней полный порядок. А беспорядок? Вы его выки­нули: мусор, грязь и пыль — на помойку, мыльную воду и хи­мические чистящие средства — под ближайший куст или, че­рез канализацию, в реку. А тараканов прогнали к вашим же соседям. Потом вы будете пить воду из этой речки, есть ягоды с того же куста и снова знакомиться со своими тараканами, когда их прогонит ваш сосед.