Невозможно получить работу за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии

Этот закон термодинамики можно сформулировать проше, как впервые это сделал французский ученый Н. Карно (1796—1832): невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение тепла в работу при постоянной температуре.

Например, нельзя произвести работу за счет охлаждения озера, моря или иного резервуара при установившейся постоянной температуре.

Иногда этот закон выражают в еще более простой форме: тепло не может самопроизвольно перетечь от холодного тела к горячему.

В дальнейшем немецкий физик Р. Клаузиус (1822—1888) использовал для формулировки второго закона термодинамики понятие энтропии как особой функции состояния системы, по изменению которой можно судить о направлении термодинамических процессов.

Энтропия замкнутой термодинамической системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией, ни веществом, возрастает и достигает максимума в точке термодинамического равновесия.

В обратимых процессах, какими являются механические явления, энтропия считается неизменной, потому что механика отвлекается от реальных изменений, происходящих в движущейся системе. Например, планеты, вращаясь по своим орбитам, с такой точки зрения остаются совершенно неизменными.

Во всех необратимых процессах она возрастает или, по крайней мере, не убывает. Сам Клаузиус ввел понятие энтропии для количественной формулировки второго начала термодинамики, которое определяет направление тепловых процессов. Энтропия характеризует степень вырождения, или обесценения, тепловой энергии или меру необратимости самопроизвольного перехода энергии.

Впоследствии австрийский физик Л. Больцман (1844—1906) стал рассматривать тепловые процессы с точки зрения молекулярно-кине-тической теории как хаотическое движение огромного числа молекул. Поскольку с увеличением температуры системы эта хаотичность возрастает, то Больцман стал истолковывать энтропию как рост беспорядка и дезорганизации системы.

Применив статистический метод описания, он стал интерпретировать энтропию в терминах изменения порядка в системе. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе. А это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них энтропии, беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным. Больцман установил также связь между энтропией и вероятностью достижения системой такого состояния:

S = k Log P,

где S обозначает энтропию, а Р — вероятность достижения системой состояния термодинамического равновесия. Если Клаузиус рассматривал энтропию как меру обесценения энергии, то Больцман стал ее интерпретировать как меру дезорганизации системы. Поскольку в обоих этих подходах энтропия истолковывается как отрицательная характеристика системы, то известный французский физик Л. Брил-люэн полвека тому назад предложил ввести противоположное энтропии понятие негэнтропии: N = —S, характеризующее степень упорядоченности, или организации, системы.

Об изменении состояния систем классическая термодинамика могла судить, таким образом, по увеличению их энтропии. Поэтому она и выступает в качестве своеобразной стрелы времени, которая показывает, в каком направлении совершается процесс. Сам этот термин впервые ввел в науку английский астрофизик А. Эддингтон для образного представления течения времени. В механических системах о направлении времени говорить не приходится. Ничего подобного не встречается в термодинамических процессах, а тем более в реальных природных процессах, которые являются необратимыми.

Поэтому достижение классической термодинамики состоит в том, что она впервые ввела в физику понятие времени, правда, в своеобразной форме, а именно в форме необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больший временной промежуток она прошла в своей эволюции. Но и в термодинамике понятие времени существенно отличается от того, как оно рассматривается в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающие во времени и имеющие свою историю. В них понятие времени ассоциируется не только с ростом энтропии и беспорядка, но и с увеличением порядка, организации и совершенствования систем.

Это противоречие оставалось неразрешенным почти столетие, вплоть до 60-х гг. XX в., пока не появилась новая, неравновесная термодинамика, которая опирается не только на понятие о необратимых процессах, но и на возможность возникновения порядка за счет энергии и вещества из окружающей среды. Кратко это будет рассмотрено ниже, а более подробно — в гл. 17, посвященной синергетике.

Классическая термодинамика оказалась неспособной решить также и космологическую проблему о характере процессов, происходящих во Вселенной. Первую попытку распространить законы термодинамики на Вселенную предпринял один из основателей этой теории — Р. Клаузиус, выдвинувший два постулата:

• энергия Вселенной всегда постоянна;

• энтропия Вселенной всегда возрастает.

Если принять второй постулат, т.е. закон сохранения энергии, то необходимо будет признать, что все процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующего максимуму энтропии, а следовательно, состояния, характеризуемого наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселенной наступит тепловая смерть. Такие мрачные прогнозы встретили критику со стороны ряда выдающихся ученых и философов, но в середине прошлого века было еще мало научных аргументов для опровержения мнения Клаузиуса и обоснования альтернативного взгляда. Некоторые авторы предполагали, что наряду с энтропийными процессами в природе происходят антиэнтропийные процессы, которые препятствуют наступлению «тепловой смерти» во Вселенной. Но это предположение имело характер общей гипотезы, не подкрепленной научными аргументами. Другие высказывали сомнение в правомерности распространения понятий термодинамики, в частности энтропии, с отдельных систем на Вселенную в целом. Но только единичные ученые догадывались, что само понятие закрытой, или изолированной, системы является далеко идущей абстракцией, не отражающей реальный характер систем, которые встречаются в природе.

9.3. Открытые системы и новая термодинамика

В отличие от замкнутых, или изолированных, систем открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Все реальные системы являются именно открытыми. В неорганической природе они обмениваются с внешней средой энергией и веществом. В биологических, социальных и гуманитарных системах к этому добавляется еще обмен информацией. В открытых системах также производится энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но энтропия в этих системах не накапливается, как в закрытых системах, а выводится и рассеивается в окружающей среде. Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку можно утверждать, что открытые системы живут за счет заимствования порядка из внешней среды.

Важно также подчеркнуть, что сами понятия времени и эволюции по-разному интерпретировались в классической термодинамике, с одной стороны, и в биологии, социологии и истории — с другой. В са-

мом деле, так называемая стрела времени связывалась в термодинамике с возрастанием энтропии системы, с усилением ее беспорядка и дезорганизации, тогда как в биологии и социологии она характеризует, наоборот, становление и совершенствование системы, увеличение в ней порядка и организации.

В чем же заключаются причины такого противопоставления точек зрения на понятия времени и эволюции? Как можно было разрешить противоречие, возникшее между представлениями классической термодинамики и биологии, социологии и истории? Очевидно, что для этого необходимо было пересмотреть те исходные понятия и принципы, которых придерживалась классическая термодинамика, потому что они не соответствовали действительности, нашим наблюдениям, а также результатам исследований в биологических и социальных науках. Опыт и практическая деятельность свидетельствовали, что понятие закрытой, или изолированной, системы слишком упрощает, схематизирует и огрубляет действительность, поскольку в ней трудно или даже невозможно найти систему, которая бы не взаимодействовала с окружающей средой. Поэтому в новой термодинамике вместо закрытой, изолированной, системы ввели принципиально иное фундаментальное понятие открытой системы, которая в отличие от закрытой способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Одно из первых определений этого понятия принадлежит одному из создателей квантовой механики, австрийскому физику Э. Шрёдингеру (1887—1961), который сформулировал его в своей книге «Что такое жизнь? С точки зрения физика».

В ней он ясно указал, что законы физики лежат в основе образования биологических структур, и подчеркнул, что характерная особенность биологических систем состоит в обмене энергией и веществом с окружающей средой. Взаимодействуя с окружающей средой, открытая система (например, живой организм) не может оставаться замкнутой, ибо она вынуждена заимствовать извне либо новое вещество, либо свежую энергию и одновременно выводить в окружающую среду использованное вещество и отработанную энергию. В ходе своей эволюции система постоянно обменивается энергией и веществом с окружающей средой, а следовательно, производит энтропию. Но в отличие от закрытых систем эта энтропия не накапливается в ней, а удаляется в окружающую среду. Это означает, что использованная, отработанная энергия рассеивается в окружающей среде и взамен ее из среды извлекается новая, свежая энергия, способная производить полезную работу. Такого рода материальные структуры, способные дис-сипировать, или рассеивать, энергию, впоследствии стали называть

диссипативными. Отсюда становится ясным, что открытая система в своем развитии не может оставаться равновесной, потому что ее функционирование требует непрерывного поступления из внешней среды энергии или вещества, богатого энергией. В результате такого взаимодействия система, как указывает Шрёдингер, извлекает порядок из окружающей среды и тем самым вносит беспорядок в эту среду. Очевидно, что с поступлением новой энергии или вещества неравновесность в системе возрастает. Прежняя взаимосвязь между элементами системы, которая определяет ее структуру, со временем разрушается. Между элементами системы возникают новые связи, которые приводят к коллективному поведению элементов системы. Так схематически могут быть описаны процессы самоорганизации в открытых системах. Подробнее процессы самоорганизации мы рассмотрим в гл. 17.

Основные понятия и вопросы

Беспорядок	Организация
Вещество	Открытая система
Время	Порядок
Дезорганизация	Равновесие
Закрытая система	Термодинамика
Информация	Энергия
Негэнтропия	Энтропия
Неравновесная система

Беспорядок Организация

Вещество Открытая система

Время Порядок

Дезорганизация Равновесие

Закрытая система Термодинамика

Информация Энергия

Негэнтропия Энтропия
Неравновесная система

1. Какие процессы называются обратимыми?

2. Когда вошло понятие времени в физику и как оно истолковывалось в классической термодинамике?

3. Что выражает первый закон термодинамики?

4. Как наиболее просто формулируется второй закон термодинамики?

5. Как можно сформулировать этот же закон с помощью понятия энтропии?

6. Что характеризует энтропия?

7. Какие системы называют закрытыми или изолированными?

8. Насколько соответствует понятие закрытой системы действительности?

9. Как происходит эволюция в закрытых системах?

 

10. Что называют точкой термодинамического равновесия?

11. Может ли Вселенная прийти в состояние «тепловой смерти»?

12. Кто впервые выдвинул идею «тепловой смерти» Вселенной и в чем ее несостоятельность по современным представлениям?

13. Какие системы называются открытыми?

14. Как происходит самоорганизация в открытых системах?

15. Какие условия необходимы для того, чтобы самоорганизация началась в простейших системах неорганической природы?

Литература

Основная:

Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986. С. 153—200.

Фейнмановские лекции по физике. Вып. 4. Кинетика. Теплота. Звук. М.,

1967. С. 99-123. Философия науки. Современные философские проблемы областей научного

знания. М., 2005. Хакен Г. Синергетика. М., 1980.

Дополнительная:

Самоорганизация: кооперативные процессы в природе и обществе. М., 1990.

Фейнман Р. Характер физических законов. М., 1968.

Философия: энциклопедический словарь / Под ред. А.А. Ивина. М., 2004.

Шрёдингер Э. Что такое жизнь? С точки зрения физика. М., 1972.

Глава 10