Введение:
Вокруг нас происходят явления, внешне весьма косвенно связанные с ме-ханическим движением. Это явления, наблюдаемые при изменении температу-ры тел, представляющих собой макросистемы, или при переходе их из одного состояния (например, жидкого) в другое (твердое либо газообразное). Такие яв-ления называются тепловыми. Тепловые явления играют огромную роль в жиз-ни людей, животных и растений. Изменение температуры на 20—30° С при смене времени года меняет все вокруг нас. От температуры окружающей среды зависит возможность жизни на Земле. Люди добились относительной незави-симости от окружающей среды после того как научились добывать и поддер-живать огонь. Это было одним из величавших открытий, сделанных на заре развития человечества.
История развития представлений о природе тепловых явлений — пример того, каким сложным и противоречивым путем постигают научную истину.
Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутрен-ней энергией — энергией теплового (поступательного, вращательного и коле-бательного) движения молекул и потенциальной энергии взаимодействия. Теп-ловые законы описывают взаимодействие и преобразование энергии в термо-динамической системе. В этом заклю¬чается качественная формулировка закона сохранения энергии для термодинамической системы — первое начало термо-динамики. Второе начало термодинамики, определяющее направление тепло-вых процессов, можно сформули¬ровать как закон возрастания энтропии. Третье начало термодинамики позволяет находить абсолютное значения энтропии, что нельзя сделать в рамках классической термодинамики (на основе первого и второго начал термодинамики).
Всякие естественные процессы сопровождаются возрастанием энтропии Вселенной; такое утверждение часто называют принципом энтропии. Также эн-тропия характеризует условия, при которых запасается энергия.
Тепловое равновесие - это пример динамического равновесия, в основе ко-торого лежит беспрестанное движение, и внешне воспринимаемое спокойствие - не более чем иллюзия. Существует множество состояний вселенной, и слу-чайное блуждание энергии (состояния возбуждения) в принципе позволяет осуществить любое из них. Свойства модели вселенной точно отражают свой-ства реальной Вселенной. "Второе начало" термодинамики, по существу, ут-верждает необратимость всех процессов в Природе. Это означает, что Природа развивается, никогда не повторяя свои предшествующие состояния. Следова-тельно, Вселенная в том виде, в каком мы ее знаем, вышла из какого-то иного, неизвестного нам состояния материи и перейдет со временем в какие-то другие формы существования.
Глава 3:
Возрастание энтропии является характерным признаком естественных процессов и соответствует запасанию энергии при все более низких температу-рах. Аналогично можно сказать, что естественное направление процессов изме-нения характеризуется понижением качества энергии.
Такое истолкование связи энергии и энтропии, при котором энтропия ха-рактеризует условия запасания и хранения энергии, имеет большое практиче-ское значение. Первое начало термодинамики утверждает, что энергия изоли-рованной системы (а возможно, и всей Вселенной) остается постоянной. По-этому, сжигая ископаемое топливо - уголь, нефть, уран - мы не уменьшаем об-щих запасов энергии. В этом смысле энергетический кризис вообще невозмо-жен, так как энергия в мире всегда будет оставаться неизменной. Однако, сжи-гая горсть угля и каплю нефти, мы увеличиваем энтропию мира, поскольку все названные процессы протекают самопроизвольно. Любое действие приводит к понижению качества энергии Вселенной. Поскольку в промышленно развитом обществе процесс использования ресурсов стремительно ускоряется, то энтро-пия Вселенной неуклонно возрастает. Нужно стремиться направить развитие цивилизации по пути снижения уровня производства энтропии и сохранения качества энергии.
В конце прошлого века немецкий физик Людвиг Больцман вывел одну из самых замечательных формул физики, которая была выгравирована на его над-гробии: S=k.logW.
В ней заключена квинтэссенция работы Больцмана. Буквой S обозначена энтропия системы, k обозначает фундаментальную мировую постоянную, на-зываемую сегодня постоянной Больцмана. Буквой W обозначена мера неупоря-доченности системы.
Формула Больцмана связывает энтропию с хаосом. В левой части равенст-ва стоит функция, введенная в термодинамику вторым началом и характери-зующая любые самопроизвольные изменения. В правой части равенства стоит величина, связанная с хаосом и служащая мерой рассеяния энергии во вселен-ной. Понятие рассеяния или деградации энергии составляет основу механизма изменений на микроскопическом уровне. Функция S незыблемо принадлежит классической термодинамике, а величина W непосредственно относится к миру атомов - миру, определяющему "скрытый" механизм происходящих изменений. Формула Больцмана - это своеобразный мост, соединяющий мир доступных нашему восприятию событий и скрытый за ними основополагающий мир ато-мов.
Величина W дает ответ на вопрос: сколькими способами можно произве-сти перестройки внутри системы, так, чтобы внешний наблюдатель не заметил ее. В формулировке вопроса учтено то существенное, что характеризует пере-ход от мира атомов к макроскопической системе, а именно "слепота внешнего наблюдателя по отношению к "индивидуальностям" атомов, образующих сис-тему. Термодинамика имеет дело только с усредненным поведением огромных совокупностей атомов, причем поведение каждого отдельного атома не играет роли. Если внешний наблюдатель, изучающий термодинамику, не заметил, что в системе произошло изменение, то состояние системы считается неизменным.
Допустим, что имеется одна изолированная вселенная, состоящая из двух систем, таких, что все атомы первой из них находятся в возбужденном состоя-нии, а все атомы второй - в невозбужденном. Так как все атомы первой системы возбуждены, то возбуждение не может переносится внутри данной системы, и существует только одно возможное распределение этих атомов, следовательно, W=1. Согласно формуле Больцмана, энтропия такой системы равна нулю, и та-кой локализованный "сгусток" энергии обладает идеальным качеством. Но на-ступит момент, когда возбуждение с какого-нибудь одного атома системы 1 пе-ренесется на какой-либо атом системы 2. После этого возбуждения в первой системе могут быть распределены по атомам многими различными способами, и хотя внешний наблюдатель ничего этого не замечает, значение величины W намного увеличилось: оно равняется числу различных способов выбора одного невозбужденного атома в системе 1. Соответственно энтропия этой системы тоже возросла, система стала более хаотической, поскольку мы не знаем, где именно находится единственный невозбужденный атом. Энтропия системы 2 тоже возрастает. Первоначально она была тоже равна нулю, так как в ней во-обще не было возбужденных атомов и существовало их единственное располо-жение в системе 1. Когда же в нее перенеслось одно возбужденное состояние из системы 1, и один атом в системе 2 стал возбужденным, то появилось огромное число возможностей выбора положений этого атома в данной системе, и энтро-пия ее увеличилась. При дальнейшем прослеживании изменения начального состояния этих систем, можно прийти к выводу, что максимум энтропии дан-ной вселенной достигается тогда, когда отношение числа возбужденных атомов к числу невозбужденных в первой системе равно аналогичному отношению во второй системе, то есть когда температуры обоих систем стали равны. Следова-тельно, охлаждение температуры до теплового равновесия соответствует воз-растанию ее энтропии до максимального значения.
Заключение:
Таким образом, представление о тепловых явлениях и свойствах связыва-лось с атомистическим учением древних философов о строении вещества. Не-смотря на многие преимущества корпускулярной теории теплоты, к середине XVIII в. временную победу одержала теория теплорода. Это произошло после того как экспериментально было доказано сохранение теплоты при теплообмене. К концу XVIII в. вещественная теория теплоты начала сталкиваться со все большими трудностями и к середине XIX в. потерпела полное и окончательное поражение. В середине XIX в. была доказана связь между механической работой и количеством теплоты. Подобно работе количество теплоты оказалось мерой изменения энергии. Открытие закона сохранения энергии способствовало развитию двух качест-венно различных, но взаимно дополняющих методов исследования тепловых явлений и свойств макросистем: термодинамического и статистического (моле-кулярно-кинетического). Первый из них лежит в основе термодинамики, второй — молекулярной физики.
Известно, что в процессе превращения энергии действует закон сохране-ния энергии. Поскольку теп¬ловое движение тоже механическое (только не на-прав¬ленное, а хаотическое), то при всех превращениях должен выполняться за-кон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. В этом заклю¬чается качественная формулировка закона сохранения энергии для тер-модинамической системы — первое начало термодинамики.
Окружающая нас среда обладает значительными запасами тепловой энер-гии. Двигатель, работающий только за счет энергии находящихся в тепловом рав¬новесии тел, был бы для практики вечным двигателем. Второе начало тер-модинамики исключает возмож¬ность создания такого вечного двигателя второ-го рода.