Термодинамическая картина мира

Второй составляющей классической физики является термодинамика. Термодинамика описывает тепловые явления в макромире и опирается на положения молекулярно-кинетической теории строения вещества. Основные положения молекулярно-кинетической теории:

· любое вещество состоит из большого числа молекул;

· молекулы вещества находятся в состоянии непрерывного хаотического движения;

· скорость движения молекул зависит от температуры тела;

· между молекулами действуют силы притяжения и отталкивания.

Согласно положениям молекулярно-кинетической теории теплота рассматривается как характеристика внутреннего движения частиц: чем больше скорость движения частиц, тем выше температура тела. Таким образом, теплота есть мера изменения энергии тела.

Классическая термодинамика сформулировала несколько принципов (начал). Всякая термодинамическая система обладает внутренней энергией – энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. Возможны два способа изменения внутренней энергии системы при ее взаимодействии с внешними телами: путем совершения работы и путем теплообмена. Известно, что в процессе превращения энергии действует закон сохранения энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то для всех тепловых явлений должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. Из этого вытекает первое начало термодинамики.

Первое начало термодинамики: количество теплоты ΔQ, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии ΔU и на совершение телом работы А:

Δ Q= ΔU+ A

Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможно создать вечный двигатель первого рода, т. е. 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, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу.

Термодинамические процессы необратимы. Приведем пример необратимого процесса. 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 произойдет.

Любая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела находятся в состоянии покоя, обладая одинаковыми температурами и давлением. Достигнув этого состояния, система сама по себе из него не выходит. Следовательно, с помощью тел, находящихся в термодинамическом равновесии, невозможно совершить никакую работу.

Второе начало термодинамики: нельзя осуществить работу за счет энергии тел, находящихся в состоянии термодинамического равновесия.Второе начало термодинамики часто формулируют иначе: в закрытой системе тепло не может самопроизвольно перейти от холодного тела к горячему.

Для отражения однонаправленности процесса передачи энергии было введено понятие энтропия (от греч. entropia — поворот, превращение). Энтропия (S) – величина, которая характеризует состояние системы и является мерой ее неупорядоченности (беспорядка, хаоса). Когда к системе подводится некоторое количество теплоты, ΔQ, то энтропия системы S возрастает на величину, равную ΔS = ΔQ/T.

Второе начало термодинамики называют также законом возрастания энтропии (немецкий физик Р.Ю. Клаузиус): для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает; максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии.

Физический смысл закона возрастания энтропии сводится к тому, что изолированная система самопроизвольно стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью, т.е. в состояние с наибольшим беспорядком. Это наиболее простое состояние системы (или состояние термодинамического равновесия). Следовательно, максимального значения энтропия достигает в состоянии полного термодинамического равновесия, что эквивалентно макимальному хаосу.

Таким образом, замкнутая система, находящаяся в состоянии равновесия, обладает максимальной неупорядоченностью и минимальной энергией.

В середине XIX в. активно обсуждалась проблема тепловой смерти Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней второе начало термодинамики, В.Томпсон и Р.Ю. Клаузиус утверждали, что энтропия Вселенной в процессе ее эволюции должна достигнуть своего максимума. Это означает, что все формы движения во Вселенной со временем перейдут в тепловые. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел сравняется, т. е. наступит полное тепловое равновесие, и все процессы прекратятся – наступит тепловая смерть Вселенной.

Ошибочность вывода о тепловой смерти заключается в том, что Вселенная является безграничной, бесконечно развивающейся незамкнутой системой, и к ней нельзя применять второе начало термодинамики, которое описывает замкнутые системы.

Классическая термодинамика находиться в противоречии с теорией эволюции Ч.Дарвина, согласно которой процесс развития растительного и животного мира характеризуется непрерывным усложнением, нарастанием организованности и порядка. Живая природа стремится уйти от термодинамического равновесия и хаоса, т.е. наблюдается явное несоответствие законов развития неживой и живой природы. Эти противоречия объясняет синергетика - междисциплинарное направление научных исследований, задачей которого является изучение природных явлений и процессов на основе принципов самоорганизации систем. Стоит отметить, что в философию постулат о способности материи к саморазвитию, самоорганизации был введен достаточно давно. А вот необходимость его рассмотрения в естественных науках начинает осознаваться только сейчас. Общий смысл положений синергетики будет рассмотрен в следующих главах пособия (см.п. 8.4).