Первое и второе начала термодинамики.

В классической науке 19 века господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к исходному равновесию. Такой взгляд на вещи сформировался под воздействием равновесной термодинамики.

Эта наука занимается изучением процессов взаимопревращения различных видов энергии. Термодинамика основана на трёх феноменологических началах (постулатах, аксиомах), иногда к ним добавляют ещё и нулевое начало: о существовании температуры.

Первое начало термодинамики — это закон сохранения и превращения энергии: в изолированной системе энергия может переходить из одной формы в другую, но её количество остаётся постоянным.

Т.е. предполагается, что возможен полный переход тепловой энергии в механическую и обратно. Однако в начале XIX века опыт конструирования тепловых машин показал, что в данном случае это невозможно. Коэффициент полезного действия тепловых машин всегда меньше единицы, т.к. часть теплоты неизбежно рассеивается в окружающую среду. Для любой тепловой машины всегда необходимы три элемента — нагреватель, рабочее тело, холодильник. Второй закон термодинамики обобщает этот факт.

В 1850 г. немецкий физик Р. Клаузиус (1822 – 1888) сформулировал второе начало термодинамики: «теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему».

Независимо от Клаузиуса в 1851 г. У. Томсон (лорд Кельвин) (1824 – 1907) дал второму началу термодинамики следующую формулировку: невозможно построить периодически действующую тепловую машину, вся деятельность которой сводилась бы к совершению механической работы и охлаждению теплового резервуара.

На кухне работает холодильник. Это обычная тепловая машина. Нагревателем в ней являются охлаждаемые продукты, рабочим телом — фреон, холодильником — окружающий воздух. Тепловая энергия отнимается от продуктов и передаётся окружающей среде за счёт работы компрессора. Т.е. циклические процессы конденсации и испарения рабочего тела обеспечиваются внешним по отношению к системе источником энергии.

В 1854 г Клаузиус ввёл в термодинамику новое понятие — «энтропия». Под энтропией стали понимать меру беспорядка изолированной системы. Чем больше беспорядок в системе, тем больше энтропия.

В 1872 г. Л. Больцман (1844 – 1906) связал величину энтропии S с термодинамической вероятностью состояния W системы соотношением:

,

где К - постоянная Больцмана;

Из соотношения видно, что чем более вероятно состояние системы (т.е. чем ближе W к единице), тем больше энтропия. Пример перехода системы к наиболее вероятному состоянию — растекание капли чернил в стакане с водой.

При температуре T изменение энтропии ∆S изолированной системы при сообщении последней теплоты ∆Q определяется соотношением: ∆S = ∆Q/T. При обратимых процессах полное изменение энтропии системы ∆S=0. Однако, если процесс необратим, то ∆S > 0, т.е. энтропия замкнутой системы при необратимых процессах возрастает — принцип возрастания энтропии.

Принцип возрастания энтропии указывает направление самопроизвольных процессов в изолированных системах — они стремятся к максимуму энтропии.

Действием принципа возрастания энтропии объясняется невечность всего, что сделано человеком. Всё что изготовлено, имеет большую упорядоченность, чем исходный материал. Упорядоченность глины в стенах дома больше, чем в рядом лежащей куче, откуда её извлекли. Глина стремится занять менее упорядоченное состояние, т.е. отвалиться от стены, что со временем и происходит.

Или другой пример, любая организационная структура, сделанная человеком, также стремиться развалиться. Поэтому возникает насущная необходимость в управлении организацией. Руководитель любой организации должен контролировать соблюдение работниками трудовой дисциплины, направленности и качества работы, полной отдачи на рабочем месте и.т.д. Невнимание к указанным вопросам ведёт к развалу организации или низкой эффективности её действия.

Энтропия и информация

В отличие от термодинамики, где под энтропией понимают меру беспорядка изолированной системы, в ОТС энтропия означает величину разнообразия системы. Под разнообразием понимается степень неопределённости, возникающей при выборе из большого числа вариантов. Системы обладают высокой или низкой энтропией (разнообразием, неопределённостью, неупорядоченностью). Для уменьшения энтропии необходимо уменьшить существующую неопределённость, что достигается путём получения информации. Информация характеризуется специальной величиной, связанной с числом возможных вариантов выбора в системе. Например, при случайном выборе информации тем больше, чем меньше вероятность выпавшего варианта. Бросание шестигранного кубика даёт шесть битов информации, а бросание монеты — два бита. Количество получаемой информации равно величине, на которую уменьшилась энтропия. Эквивалентность энтропии и количества информации была установлена Винером и Шенноном.

Рассмотрим термодинамический парадокс, известный под названием парадокс Максвелла. Смысл его заключается в следующем. Изолированная система, состоящая из разделённого на две части резервуара с газом и дверцей в перегородке, содержит также «демона» (существо или автомат), наделённого способностью отличать быстрые молекулы от медленных. Демон открывает дверцу только в том случае, если к ней справа подлетает быстрая молекула. Поэтому газ в левой части резервуара будет нагреваться, а в правой — остывать. Т.о., в изолированной системе тепло будет переходить от холодого тела к горячему с понижением энтропии системы в противоречии со вторым законом термодинамики. Решение этого парадокса было предложено многими авторами. Смысл всех решений заключается в следующем: для определения, какая молекула — холодная или горячая, необходимо получить информацию. А информацию нельзя получить бесплатно. За неё приходится платить энергией, в результате чего энтропия системы повышается на величину, равную её понижению за счёт получения информации.

Понятия энтропии и количества информации можно использовать для того, чтобы дать характеристику живым и неживым системам. Неживые системы (рассматриваемые обычно как замкнутые) имеют тенденцию развиваться по направлению к состоянию максимальной неупорядоченности и энтропии. Отличительной чертой живых (а значит открытых) систем является их сопротивляемость процессу разупорядочивания и их развитие по направлению к состояниям более высокой организации. Эту тенденцию можно объяснить, основываясь на следующих фактах:

1. получение информации приводит к соответствующему уменьшению энтропии;

2. получение энергии из внешней среды противодействует естественному процессу разупорядочивания.

Таким образом, необходимо постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции:

Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.