Законы термодинамики

8. Законы термодинамики

Тепловые явления отличаются от механических и электромагнитных тем, что законы тепловых явлений необратимы (т.е. тепловые процессы самопроизвольно идут лишь в одном направлении) и что тепловые процессы осуществляются лишь в макроскопических масштабах, а поэтому используемые для описания тепловых процессов понятия и величины (температура, количество теплоты и т.д.) также имеют только макроскопический смысл (о температуре, например, можно говорить применительно к макроскопическому телу, но не к молекуле или атому). Вместе с тем знание строения вещества необходимо для понимания законов тепловых явлений.

Тело, рассматриваемое с  термодинамической позиции, является неподвижным, не обладающим механической энергией. Но такое тело обладает внутренней энергией, складывающейся из энергий движущихся электронов и т.д. Это внутренняя энергия может увеличиваться или уменьшаться. Передача энергии может осуществляться путем передачи от одного тела к другому при совершении над ними работы и путем теплообмена. Во втором случае внутренняя энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретому без совершения работы. Переданную энергию называют количеством теплоты, а передачу энергии - теплопередачей. В общем случае оба процесса могут осуществляться одновременно, когда тело при утрате внутренней энергии может совершать работу и передавать теплоту другому телу. К пониманию этого ученые пришли не сразу. Для XVIII и первой половине XIX вв. было характерно понимать теплоту как невесомую жидкость (вещество).

Представления о теплоте  как форме движения мельчайших частиц материи появилось еще в XVII веке. Этих воззрений придерживались Бэкон, Декарт, Ньютон, Гук, Ломоносов. Однако и в XIX веке концепция теплорода разделялась многими учеными. В конце XVIII века Б.Томпсон (граф Румфорд) обнаружил выделение большого количества тепла при высверливании канала в пушечном стволе, что посчитал доказательством того, что теплота является формой движения. Получение теплоты с помощью трения подтвердили опыты Г.Дэви. Б.Томпсон показал, что из ограниченного количества материи может быть получено неограниченное количество теплоты.

Возникновение собственно термодинамики  начинается с работы С.Карно (сам термин "термодинамика" введен Б.Томпсоном). Исследуя практическую задачу получения движения из тепла применительно к паровым машинам, он понял, что принцип получения движения из тепла необходимо рассматривать не только по отношению к паровым машинам, но к любым мыслимым тепловым машинам. Так был сформулирован общий метод решения задачи - термодинамический, заложивший основу термодинамики. Определяя коэффициент полезного действия тепловых машин, Карно ввел свой знаменитый цикл, состоящий из двух изотермических (происходящих при постоянной температуре) и двух адиабатических (без притока и отдачи тепла) процессов. КПД цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела (пара, газа и т.д.) и определяется температурами теплоотдатчика и теплоприемника. КПД любой тепловой машины не может быть при тех же температурах теплоотдатчика и теплоприемника выше КПД цикла Карно.

Карно первым вскрыл связь  теплоты с работой. Но он исходил из концепции теплорода, признававшей теплоту неизменной по количеству субстанцией. Вместе с тем Карно уже понял, что работа паровой машины определяется всеобщим законом перехода тепла от более высоких к более низким температурам, т.е. что не может быть беспредельного воспроизведения движущей силы без затрат теплорода. Таким образом, работа представлялась как результат перепада теплорода с высшего уровня на низшие. Иначе говоря, теплота может создавать работу лишь при наличии разности температур. По своему смыслу это и составляет содержание второго начала термодинамики. КПД тепловой машины оказался зависимым не от рабочего вещества, а от температуры теплоотдатчика и теплоприемника. Все это позволило Карно прийти к признанию принципа невозможности создания вечного двигателя первого рода (т.е. непрерывно действующей машины, которая, будучи однажды запущенной, совершала бы работу без притока извне).

Осознавая недостатки теории теплорода, Карно, в конце концов, отказывается от признания теплоты неизменной по количеству субстанцией и дает значение механического эквивалента теплоты. Но публикация этого вывода была осуществлена уже после признания закона сохранения энергии, поэтому данный вывод не сыграл той роли, которую мог сыграть, будучи опубликованным, ранее.

Но, так или иначе, Карно  заложил основы термодинамики, как раздела физики, изучающего наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Термодинамика стала развиваться на основе фундаментальных принципов или начал, являющихся обобщением результатов многочисленных наблюдений и экспериментов.

ПЕРВОЕ  НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

Первое начало термодинамики (закон сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам) гласит: при сообщении термодинамической  системе (например, пару в тепловой машине) определенного количества теплоты  в общем случае происходит при  приращении внутренней энергии системы  и она совершает работу против внешних сил. Выше отмечалось, что  первым, кто поставил теплоту в  связь с работой, был Карно, но его работа в силу запоздалой публикации не оказала решающего воздействия  на формирование первого начала термодинамики. Однако идея о том, что теплота  – не субстанция, а сила (энергия), одной из форм которой и является теплота, причем эта сила, в зависимости  от условий, выступает в виде движения, электричества, света, магнетизма, теплоты, которые могут превращаться друг в друга, существовала в умах исследователей. Для превращения этой идеи в ясное  и точное понятие, необходимо было определить общую меру этой силы. Это сделали, независимо друг от друга, Р. Майер, Д. Джоуль и Г. Гельмгольц.

Р. Майер первым сформулировал закон эквивалентности механической работы и теплоты и рассчитал механический эквивалент теплоты (1842 г.). Д. Джоуль экспериментально подтвердил предположение о том, что теплота является формой энергии и определил меру превращения механической работы в теплоту. Г. Гельмгольц в 1847 г. математически обосновал закон сохранения энергии, показав его всеобщий характер. Подход всех трех авторов закона сохранения энергии был различным. Майер отталкивался больше от общих положений, связанных с аналогией между "живой силой" (энергией), которую приобретали тела при своем падении в соответствии с законом всемирного тяготения, и теплотой, которую отдавали сжатые газы. Джоуль шел от экспериментов по выявлению возможности использования электрического двигателя как практического источника энергии (это обстоятельство и заставляло его задуматься над вопросом о количественной эквивалентности работы и теплоты).

Г. Гельмгольц пришел к открытию закона сохранения энергии, пытаясь применить концепцию движения Ньютона к движению большого числа тел, которые находятся под влиянием взаимного притяжения. Его вывод о том, что сумма силы и напряжения (т.е. кинетической и потенциальной энергией) остается постоянной, является формулировкой закона сохранения энергии в его наиболее общей форме. Этот закон - величайшее открытие XIX века. Механическая работа, электричество и теплота - различные формы энергии. Д.Бернал так охарактеризовал его значение: "Он объединил много наук и находился в исключительной гармонии с тенденциями времени. Энергия стала универсальной валютой физики - так сказать, золотым стандартом изменений, происходивших во вселенной. То, что было установлено, представляло собой твердый валютный курс для обмена между валютами различных видов энергии: между калориями теплоты, килограмметрами работы и киловатт-часами электричества. Вся человеческая деятельность в целом - промышленность, транспорт, освещение и, в конечном счете, питание и сама жизнь - рассматривалась с точки зрения зависимости от этого одного общего термина - энергия".

ВТОРОЕ  НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

Второе начало термодинамики - закон возрастания энтропии: в  замкнутой (т.е. изолированной в тепловом и механическом отношении) системе  энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процессах) и  в состоянии равновесия достигает  максимума. Существуют и другие эквивалентные  формулировки второго начала термодинамики, принадлежащие разным ученым: невозможен переход теплоты от тела более  холодного к телу, более нагретому, без каких-либо других изменений  в системе или окружающей среде (Р.Клаузиус); невозможно создать периодически действующую, т.е. совершающую какой-либо термодинамический цикл, машину, вся  работа которой сводилась бы к поднятию некоторого груза (механической работе) и соответствующему охлаждению теплового резервуара (В.Томсон, М.Планк); невозможно построить вечный двигатель второго рода, т.е. тепловую машину, которая в результате совершения кругового процесса (цикла) полностью преобразует теплоту, получаемую от какого-либо одного "неисчерпаемого" источника (океана, атмосферы и т.д.) в работу (В. Оствальд).

В. Томсон (лорд Кельвин) сформулировав принцип невозможности создания вечного двигателя второго рода, в 1852 году пришел к формированию концепции "тепловой смерти" вселенной. Ее суть раскрывается в следующих положениях. Во-первых, во вселенной существует тенденция к расточению механической энергии. Во-вторых восстановление механической энергии в прежнем количестве не может быть осуществлено. В-третьих, в будущем Земля очутится в непригодном для жизни человека состоянии. Через 20 лет Клаузиус приходит к тому же выводу, сформулировав второе начало термодинамики в виде: энтропия вселенной стремится к максимуму. (Под энтропией он понимал величину, представляющую собой сумму всех превращений, которые должны были иметь место, чтобы привести систему в ее нынешнее состояние.)

Суть в том, что в  замкнутой системе энтропия может  только возрастать или оставаться постоянной. Иначе говоря, во всякой изолированной системе тепловые процессы однонаправлены, что и приводит к увеличению энтропии. Стоит энтропии достигнуть максимума, как тепловые процессы в такой системе прекращаются, что означает принятие всеми телами системы одинаковой температуры и превращение всех форм энергии в тепловую. Наступление состояния термодинамического равновесия приводит к прекращению всех макропроцессов, что и означает состояние "тепловой смерти".

Для распространения второго  начала термодинамики на другие необратимые процессы было введено понятие энтропии как меры беспорядка. Для изолированных систем (не пропускающих тепло) второе начало термодинамики можно выразить следующим образом: энтропия системы никогда не уменьшается. Система, находящаяся в состоянии равновесия, имеет максимальную энтропию.

Понятие энтропии связывают  и с понятием информации. Система, находящаяся в упорядоченном состоянии, содержит много информации, а неупорядоченная система содержит мало информации. Так, например, текст книги содержит много информации, а случайный набор букв не несет информации. Информацию поэтому и отождествляют с отрицательной энтропией (или негэнтропией). При росте энтропии информация уменьшается.

Среди множества выдвинутых против этого вывода возражений наиболее известным было возражение Максвелла. Он исходил из того, что второе начало имеет ограниченную область примерения. Максвелл считал второе начало термодинамики справедливым, пока мы имеем дело с телами, обладающими большой массой, когда нет возможности различать в этих массах отдельные молекулы и работать с ними. Он предложил проделать мысленный эксперимент - представить себе существо, способное следить за каждой молекулой во всех ее движениях, и разделить какой-либо сосуд на две части перегородкой с маленьким отверстием в ней. Это существо (названное "демоном Максвелла"), способное различать отдельные молекулы, будет попеременно то открывать, то закрывать отверстие таким образом, чтобы быстро движущиеся молекулы могли переходить в другую половину. В этом случае "демон Максвелла" без затраты работы смог бы повысить температуру в первой половине сосуда и понизить во второй вопреки второму началу термодинамики.

Данный процесс асимметричен во времени - без внешнего вмешательства  он не может стать обратимым. Т.е. бессмысленно ожидать в этом случае, что газы вернутся в первоначальное положение. Можно сказать, что в природе порядок стремится уступить место беспорядку. Однако можно привести примеры, которые как будто бы противоречат данному принципу возрастания энтропии. Так, живые системы в своем развитии усложняются, вырастающие из жидкости кристаллы являются упорядоченнее этой жидкости и т.д. Однако полная энтропия системы вместе с окружающей средой возрастает, ибо биологические процессы осуществляются за счет энтропии солнечного излучения и т.д.

Л.Больцман, предпринявший попытку объяснить, почему порядок уступает место беспорядку, сформулировал H-теорему, являющуюся результатом соединения двух подходов к приближению газа к состоянию равновесия - макроскопического (законов ньютоновской механики, описывающих движение молекул) и микроскопического (исходящего из представления газа как стремящегося к беспорядочному перераспределению). Из теоремы следовал вывод о том, что энтропия может только возрастать - таково поведение термодинамических систем во времени.

Однако с Н-теоремой Больцмана оказался связанным парадокс, вокруг которого возникла дискуссия. Суть заключается в том, что с помощью одной основанной на механике Ньютона молекулярной теории доказать постоянный рост энтропии замкнутой системы нельзя, поскольку ньютоновская механика симметрична во времени - любое движение атомов, основанное на законах ньютоновской механики. может быть представлено как происходящее в обратном направлении. Т.к. асимметрию нельзя вывести из симметрии, то теорема Больцмана (которая на основе лишь одной механики Ньютона утверждает, что возрастание энтропии асимметричного во времени) не может быть верной - для доказательства необходимо было к законам механики добавить и асимметрию. Так что чисто механическая интерпретация закона возрастания энтропии оказывалась несостоятельной. На это первым обратили внимание Й. Лошмидт и Э. Цермело.

При выводе Н-теоремы Больцман кроме механики Ньютона опирался на предположение о молекулярном хаосе, которое, однако, не всегда верно. По теории вероятности, возможность того, что молекулы газа в упомянутом ранее сосуде будут двигаться не хаотично, а устремятся в какую-то одну его половину, не является нулевой, хотя и исчезающе мала. Поэтому можно сказать, что в принципе могут быть случаи, когда энтропия убывает, а хаотическое движение молекул будет упорядочиваться. Таким образом, Н-теорема Больцмана описывает механизм перехода газа из состояния с низкой энтропией в равновесное, но не объясняет, почему это происходит в одном и том же направлении во времени, а именно из прошлого в будущее. А раз это так, то больцмановская модель лишается временной асимметрии.