Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией – энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. Возможны два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при её взаимодействии с внешними телами: совершение работы и теплообмен.
Известно, что все механические процессы описывает закон сохранения механической энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то при всех превращениях должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. Это утверждение составляет основу первого начала термодинамики: количество теплоты, сообщённое телу, идёт на увеличение его внутренней энергии и на совершение телом работы.
Из первого начала термодинамики следует важный вывод: не возможен вечный двигатель первого рода, или такой двигатель, который совершал бы работу «из ничего», без внешнего источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового, хаотического движения молекул, а это означает, что полное превращение энергии внешнего источника в полезную работу невозможно.
Многочисленные опыты показывают, что все тепловые процессы в отличие от механического движения необратимы, т.е. для них обратные процессы, при которых реализуются те же тепловые состояния, но только в обратном направлении, практически невозможны. Другими словами, термодинамические процессы необратимы. Приведём два характерных примера необратимых процессов. Если привести в соприкосновение два тела с различной температурой, то более нагретое тело будет отдавать тепло менее нагретому. Обратный процесс – самопроизвольный переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому – никогда не произойдёт. Столь же необратимым является и другой процесс – расширение газа в пустоту. Газ, находящийся в части сосуда, отделённой от остальной его части перегородкой, после её удаления заполняет весь сосуд. Без постороннего вмешательства газ никогда не соберётся самопроизвольно в той же части сосуда, где он находится первоначально.
Всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела находятся в состоянии покоя по отношению друг к другу, обладая одинаковыми температурой и давлением. Равенство температур во всех точках есть условие равновесия двух систем или двух частей одной и той же системы. Это положение называется нулевым началом термодинамики. Достигнув равновесия, система сама по себе из него не выходит. Значит, все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы. Необратимы и все механические процессы, сопровождающиеся трением. Трение вызывает замедление движения тела, при котором кинетическая энергия переходит в теплоту. Замедление эквивалентно приближению к состоянию равновесия, при котором движение тел отсутствует.
В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы. Следовательно, с помощью тел, находящихся в термодинамическом равновесии, невозможно совершить полезную работу, так как она связана с механическим движением, или с переходом тепловой энергии в кинетическую. Утверждение о невозможности получения работы за счёт энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии, лежит в основе второго начала термодинамики.
Окружающая нас среда обладает колоссальным запасом тепловой энергии. Двигатель, работающий только за счёт энергии находящихся в тепловом равновесии тел, был бы практически 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 весьма маловероятен. В конце концов, необратимость тепловых процессов определяется колоссальностью числа молекул, из которых состоит тело.
Молекулы любого газа стремятся к наиболее вероятному состоянию, или к состоянию с беспорядочным распределением молекул, при котором примерно одинаковое число молекул движется вверх и вниз, вправо и влево. Причём в каждом объёме 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, или от равномерного и беспорядочного перемешивания молекул по местам и скоростям, связано с уменьшением вероятности или менее вероятно. Напротив, процессы, связанные с перемешиванием и 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.
Количественную характеристику хаотичности тепловых процессов определяет энтропия. Возрастание энтропии для необратимых процессов есть следствие перехода системы от менее вероятного состояния к более вероятному, при этом состояние термодинамического равновесия выступает как наиболее вероятное.
Второе начало термодинамики, определяющее направление тепловых процессов, формулируется как закон возрастания энтропии: для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия возрастает; максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии.
Идеальному случаю – полностью обратимому процессу замкнутой системы – соответствует неизменяющаяся энтропия. Все естественные процессы происходят так, что вероятность состояния возрастает, а это означает переход от порядка к хаосу наиболее вероятен. Энтропия убывает при рождении порядка. Значит, энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественных процессов возрастает. В связи с этим невозможность создания вечного двигателя второго рода, и стремление тел к равновесному состоянию получают своё объяснение. Почему механическое движение переходит в тепловое? Да потому, что механическое движение упорядочено, а тепловое беспорядочно, хаотично.
В середине XIX в. немецкий физик Р. Клаузиус (1822–1888) выдвинул гипотезу тепловой смерти Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней второе начало термодинамики, он пришёл к выводу: энтропия Вселенной достигает своего максимума. Это означает, что все формы движения со временем перейдут в тепловые. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведёт к тому, что температура всех тел во Вселенной сравняется, что соответствует термодинамическому равновесию, и все процессы во Вселенной прекратятся – наступит тепловая смерть Вселенной. Ограниченность такого вывода заключается в том, что бессмысленно применять второе начало термодинамики к незамкнутым системам, подобным нашей Вселенной.
Открытию второго начала термодинамики способствовали труды французского учёного и инженера С. Карно (1796–1832). Воспользовавшись результатами его исследований в 1850-е годы английский физик У. Томсон (1824–1907) и немецкий учёный Р. Клаузиуса сформулировали второе начало термодинамики – фундаментальный закон природы. Один из основоположников термодинамики неравновесных процессов, бельгийский физик и химик И.Р. Пригожин (1917–2003) в своей Нобелевской лекции в 1977 г. отметил: «В истории науки второй закон термодинамики сыграл выдающуюся роль, далеко выходящую за рамки явлений, для объяснения сущности которых он был предназначен. Достаточно вспомнить работы Больцмана в области кинетической теории, разработку Планком квантовой теории излучения и Эйнштейном теории спонтанной эмиссии; в основе всех этих достижений лежит второй закон термодинамики».
Энтропия равновесной системы стремится к нулю с приближением температуры к абсолютному нулю. Это утверждение называется тепловой теоремой. Она впервые сформулирована и доказана немецким физиком и химиком В.Г. Нернстом (1864–1941), лауреатом Нобелевской премии по физике 1920 г. Тепловая теорема не вытекает из первых двух начал, поэтому в силу своей общности она рассматривается как третье начало термодинамики.
Третьим началом завершается построение классической термодинамики. Однако исследование тепловых процессов продолжается – в наше время развивается новая отрасль естествознания – неравновесная термодинамика. И в классической термодинамике, где сфера применений давно определена и известны принципы, лежащие в основе, и в неравновесной термодинамике есть области, которые представляют теоретический и практический интерес. К таким перспективным направлениям исследований относятся термодинамика реальных тел, сжатых газов, жидкостей, кристаллов, дисперсных систем и химических процессов.
Библиографические ссылки
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов, 12-е изд. М.: Директ-Медиа, 2014.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Практикум, 6-е изд. М.: Директ-Медиа, 2016.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник в 2-х кн. М.: Директ-Медиа, 2017.
Карпенков С.Х. Экология. Практикум. М.: Директ-Медиа, 2014.
Карпенков С.Х. Экология. Учебник для бакалавров. М.: Логос, 2014.
Карпенков С.Х. Технические средства информационных технологий. 3-е изд. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. Справочник. М.: Высшая школа, 2004.
Карпенков С.Х. Незабытое прошлое. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков С.Х. Воробьёвы кручи. М.: Директ-Медиа, 2015.
Карпенков Степан Харланович
