Концепция необратимости и термодинамика

 

Рассматривая законы движения в классической механике, мы не обращали внимания на характер времени, посредством которого описываются процессы изменения. Время в ней выступало в качестве особого параметра, знак которого можно менять на обратный. Действительно, если заданы начальное состояние системы, т.е. ее координаты и импульс, и известны уравнения движения, то в механике можно вполне однозначно определить любое ее состояние как в будущем, так и в прошлом. Следовательно, направление времени никак не учитывается в классической механике. То же самое следует сказать о квантовой механике, хотя в ней предсказания имеют лишь вероятностный характер.

Такое представление о времени противоречит как повседневной нашей практике, так и тем теоретическим воззрениям, которые сформировались в естественных науках, изучающих конкретные изменения процессов и явлений во времени (геология, палеонтология, биология и др.). Если классическая физика и особенно механика изучали обратимые процессы, то биологические, социальные и гуманитарные науки ясно показывали, что предметом их исследования служат процессы необратимые, изменяющиеся во времени и имеющие свою историю.

Наиболее резкое противоречие в XIX в. возникло между прежней физикой и эволюционной теорией биологии. Если в механике все процессы представляются обратимыми, лишенными своей истории и развития, то еще во второй половине XIX в. теория Дарвина убедительно доказала, что новые виды растений и животных не остаются неизменными, а возникают и развиваются в ходе эволюции в результате борьбы за существование. В этой борьбе выживают те организмы, которые оказываются лучше приспособленными к изменившимся условиям окружающей среды. Следовательно, в живой природе все процессы являются необратимыми. В еще большей мере это относится к

развитию экономических, культурно-исторических и гуманитарных систем, где изменения происходят значительно быстрее, чем эволюция в природе, которая совершается во много раз медленнее.

Физика приближалась к разрешению указанного выше противоречия через пересмотр и создание ряда промежуточных концепций, одной из которых является эволюция систем, но не в сторону усиления их организации и усложнения, а, напротив, в сторону дезорганизации и разрушения систем.

9.1. Два способа описания термодинамических систем

Термодинамические системы состоят из огромного числа частиц, например, одна капля воды содержит 10²³ молекул. Ясно, что полное описание таких систем связано с большими трудностями. Первый способ преодоления подобных трудностей заключается в использовании такого метода описания, который ориентирован не на индивидуальное описание элементов системы, а выявление тех макроскопических свойств и величин, которые отображают поведение системы в целом.

Термодинамический подход представляет одну из форм описания тепловых процессов, при котором они характеризуются макроскопическими величинами, регистрируемыми приборами, которые не влияют на поведение микрочастиц системы. Так, например, давление газа определяется манометром, его температура — термометром, влажность — гигрометром и т.д. Любая термодинамическая система описывается с помощью соответствующих параметров. Поэтому изменение любого параметра приводит к изменению поведения самой системы.

Термодинамический метод описания применим не только для тепловых, но и для физических, химических, биологических и других процессов, в которых рассматривается превращение различных форм энергии в теплоту. Поскольку, однако, этот метод абстрагируется от исследования внутреннего строения и структуры систем, то его выводы не отличаются той глубиной и точностью, какие характерны для статистического и молекулярно-кинетического методов исследования. Поэтому наряду с термодинамическим методом постепенно формировались понятия и принципы молекулярно-кинетического подхода, согласно которым макроскопические свойства вещества определяются совокупным взаимодействием большого числа составляющих его молекул. Так, например, температура тела рассматривается как средняя кинетическая энергия образующих его молекул.

10-925

Молекулярно-кинетическая теория вещества опирается на три основных принципа:

1) любое вещество — газообразное, жидкое или твердое — состоит из мельчайших частиц, называемых молекулами. Впервые ученые могли убедиться в существовании молекул, наблюдая под микроскопом броуновское движение взвешенных очень малых частиц, которые находились в беспорядочном непрестанном движении под воздействием молекул жидкости. В настоящее время стало возможным некоторые молекулы наблюдать в ионный микроскоп;

2) молекулы любого вещества находятся в постоянном хаотическом, беспорядочном движении. Именно на этом основании теплоту часто определяют как форму беспорядочного движения молекул вещества;

3) интенсивность движения молекул зависит от температуры вещества.

Основываясь на этих принципах и используя соответствующие идеализации и допущения, молекулярно-кинетическая теория строит свои модели для объяснения структур и свойств газов, жидкостей и твердых тел. Сопоставляя выводы теории с опытом, исследователи вносят коррективы и дополнения в свои модели и тем самым добиваются большей адекватности своих теоретических описаний. Однако теоретическое описание, несмотря на большую точность и глубину, представляет собой весьма трудоемкий процесс, требующий больших интеллектуальных усилий и громоздких вычислений. Поэтому там, где это возможно, в частности при описании простых систем и процессов, он может быть заменен термодинамическим методом.

9.2. Классическая термодинамика и ее основные понятия и законы

Самые первые представления о теплоте были связаны с огнем, который в античной натурфилософии рассматривался даже как одна из стихий, участвующих вместе с воздухом, водой и землей в образовании всех тел. Научные взгляды о теплоте появились вместе с развитием экспериментального естествознания и изобретением прибора для измерения температуры тел — термометра.

По вопросу о природе самой теплоты существовали две противоположные точки зрения. Сторонники одной из них рассматривали теплоту как особую субстанцию, подобную жидкости, которая может передавать тепло от одного тела к другому. Эту субстанцию называли теплородом, поскольку именно он якобы рождает теплоту в телах. Как мы знаем, в эпоху господства механистического мировоззрения и эле-

ктричество, и магнетизм тоже рассматривали как особого рода невесомые жидкости, механическими свойствами которых пытались объяснить эти новые явления. Защитники другой точки зрения считали, что теплота является результатом внутреннего движения частиц тела — его корпускул. Однако эта точка зрения не могла объяснить такие очевидные явления, как сохранение тепла при теплообмене, теплоемкость и некоторые другие. Это было связано с тем, что в то время не была ясна внутренняя структура тел, зависимость их температуры от кинетической энергии движущихся корпускул и другие количественные закономерности, не говоря уже о природе и строении самих корпускул. Поэтому в XVIII в. доминирующее положение заняла более простая и наглядная теория теплорода, которая давала видимое объяснение экспериментально установленному факту сохранения тепла при теплообмене ссылкой на неуничтожимость теплорода. С помощью теплорода удалось установить некоторые количественные связи между тепловыми процессами и ввести в научный оборот ряд понятий, которые до сих пор употребляются в физике.

Однако к концу XVIII в. все большее количество фактов убеждало ученых, что никакого теплорода не существует и нагревание тел более убедительно объясняется не увеличением в них теплорода, а увеличением их внутренней энергии. Примечательно, что попытка объяснения тепловых процессов с помощью понятий и принципов механики также потерпела неудачу. После того как французский ученый Ж.-Б. Фурье сформулировал математический закон теплопроводности, согласно которому поток тепла пропорционален градиенту температуры, стало ясным, что теория теплоты имеет дело с исследованием качественно новых явлений, несводимых к механическим процессам. В результате этого был нанесен сильный удар по концепции механистического мировоззрения, которая стремилась объяснить все явления природы с помощью понятий и принципов механики.

Если классическая динамика описывала законы движения тел под воздействием внешних сил, сознательно отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в системах, то термодинамика вынуждена была исследовать физические процессы при различных преобразованиях тепловой энергии. Однако она не анализирует внутреннего строения термодинамических систем, как это делает статистическая физика, рассматривающая теплоту как беспорядочное движение огромного числа молекул.

Классическая термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла. Самым очевидным является тот факт, что распро-

10*

странение тепла представляет собой необратимый процесс. Хорошо известно, например, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот.

Вместе с тем путем точных экспериментов было доказано, что тепловая энергия превращается в механическую энергию в строго определенных количествах. Существование такого механического эквивалента теплоты впервые установил английский ученый Дж.П. Джоуль, который высказал предположение, что соответствующие эквивалентные отношения должны существовать при превращении других форм энергии в теплоту. В первой половине XIX в. были открыты явления превращения энергии химических реакций в электричество, а позднее — электромагнитной энергии в теплоту. При этом оказывалось, что во всех этих превращениях одна форма энергии переходила в другую в строго определенных количествах.

Все многочисленные эмпирические факты передачи и превращения тепловой энергии нашли свое обобщение и теоретическое объяснение в законах классической термодинамики.

Первый закон термодинамики, который называют также первым ее началом, утверждает, что во всех тепловых превращениях энергия не возникает из ничего и не исчезает никуда, а остается постоянной. Этот принцип сохранения энергии имеет важнейшее значение для объяснения многочисленных конкретных случаев передачи и преобразования тепловых процессов. В более точном виде его можно сформулировать так:

Если к системе подводится тепло то оно идет на приращение ее внутренней энергии и на совершение работы системой :

В этой формуле обозначает приращение внутренней энергии системы, а — тепловую энергию, затраченную на совершение работы. В целом формула показывает, что тепло, полученное системой, не исчезает, а затрачивается на увеличение внутренней энергии и производство работы. Из закона сохранения энергии следует невозможность существования вечного двигателя первого рода, который мог бы совершать работу без внешнего источника энергии. Поскольку часть энергии внешнего источника расходуется на тепловые потери, постольку невозможно полностью затратить его энергию на получение работы. Точно так же в природе невозможен процесс, единственным результатом которого было бы изъятие тепла из резервуара при постоянной температуре. Этот факт является иллюстрацией второго закона, или начала, термодинамики: