Концепции современного естествознания

                         Термодинамика  - это наука о тепловых явлениях в которой не учитывается молекулярное строение тел. В ней тепловые явления описываются с помощью величин, регистрируемых приборами, не реагирующими на воздействие отдельных молекул ( термометр, манометр, калориметр). Все законы термодинамики относятся к телам, число молекул которых огромно. Такие тела называют макроскопическими. Они образуют макросистемы. Газ в баллоне, вода в стакане, песчинка, камень, стальная балка – все это примеры макросистем.  

                            Основа термодинамического метода – определение состояния термодинамической системы как совокупности макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией, как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Состояние системы задается ее термодинамическими параметрами, характеризующими ее свойства: температурой, давлением, удельным объемом (объемом единицы массы). Температура – это физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Сейчас применяются только две температурные шкалы – термодинамическая и Международная практическая, градуированные соответственно в Кельвинах (К) и градусах Цельсия (С). Теория показывает, что 0 К (абсолютный ноль) не достижим, хотя приближение к нему сколь угодно близко возможно. Он соответствует минимальной остаточной энергии, необходимой для существования структуры вещества

                       К концу 19 века была создана  теория поведения больших общностей  атомов и молекул -  молекулярно-кинетическая  теория, или статистическая механика, доказанная на опыте. Процессы, изучаемые молекулярной физикой, являются результатом совокупного действия огромного числа молекул, поведение которых анализируется статистическим методом, который основан на том, что свойства макросистемы в конечном результате определяется свойствами частиц систем, их движением и усредненными значениями кинетических и динамических характеристик этих частиц (скорости, энергии, давления и др.).  Например,   температура тела определяется скоростью беспорядочного движения его молекул, но так как в любой момент времени разные молекулы имеют различные скорости, то она может быть выражена только через среднее значение скорости движение молекул. Нельзя говорить о температуре одной молекулы. Макроскопические характеристики тел имеют физический смысл лишь в случае большого числа молекул.

                       После создания молекулярной  физики термодинамика не утратила  своего значения. Ее законы справедливы  для всех веществ независимо  от их внутреннего строения, а  более простые расчеты  оказываются незаменимыми.

                       В основе молекулярно-кинетических  представлений о строении и  свойствах макросистем лежат  три положения: 

• любое тело – твердое, жидкое или газообразное – состоит из большого числа весьма малых частиц – молекул (атом = одноатомная молекула);
• молекулы всякого вещества находятся в беспорядочном, хаотическом движении; интенсивность, определяемая скоростью движения молекул, зависит от температуры вещества.

                        Тепловые процессы связаны со  строением вещества и его внутренней структурой. Так, одинаковое количество тепла ведет к разным результатам  у льда, воска, металла. Поэтому, исследование тепловых явлений объясняет строение вещества  и наоборот. Количественным воплощением молекулярно-кинетических представлений служат  опытные газовые законы (Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Авогадро, Дальтона), уравнение Клапейрона-Менделеева, основное уравнение кинетической теории идеальных газов, закон Максвелла для распределения молекул и др.

                       Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории вытекает важный вывод: средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального газа  прямо пропорциональна его термодинамической температуре и зависит только от нее. Это значит, что при  Т = 0 средняя кинетическая энергия также равна 0 т.е., при абсолютном 0 прекращается поступательное движение молекул газа а, следовательно, его давление равно 0. Термодинамическая Т – это мера кинетической энергии поступательного движения идеального газа, а приведенная формула раскрывает молекулярно-кинетическое толкование температуры. Капля воды, содержащая  3 х 10 в 22степени молекул,  тоже является макросистемой, подчиняясь тем же законам термодинамики, как и вся Вселенная, состоящая из безмерного количества вещества.

2. Два начала термодинамики.

                       Всякая термодинамическая система   в любом состоянии обладает внутренней энергией – энергией, теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. Возможны два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними телами: путем совершения работы и путем теплообмена.

                           Известно, что в процессе превращения энергии выполняется закон сохранения энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то при всех превращениях должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но внутренних движений. В этом заключается качественная формулировка закона сохранения энергии для термодинамической системы  - первое начало термодинамики. Его формулировка такова: количество теплоты,  сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение телом работы.   

                        Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможен 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.

                        Опытным путем установлено, что тепловые процессы, в отличие от процессов механических необратимы, т.е. если происходит какой либо термодинамический процесс, то обратный процесс, при котором система проходила бы те же самые тепловые состояния в обратном порядке, практически невозможен. Так, при соприкосновении двух тел с различной температурой, более нагретое тело отдает тепло менее, нагретому. Обратный же процесс самопроизвольного перехода тепла не произойдет никогда, точнее, его вероятность исчезающе мала. Столь же необратимым является и другой процесс – расширения газа в пустоту. Газ, находящийся в части сосуда, отделенной от другой части перегородкой, заполняет весь сосуд после удаления перегородки. Газ никогда без постороннего вмешательства не соберется самопроизвольно в той же части сосуда, где он находился первоначально. 

                         Всякая предоставленная самой  себе система стремится перейти  в состояние  термодинамического равновесия, в котором тела покоятся друг относительно друга, обладая одинаковыми температурами и давлением. Достигнув этого состояния, система сама по себе из него не выходит. Значит, все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы.

                         Необратимы и все механические  процессы, сопровождающиеся трением между телами. Трение вызывает замедление движения тел, при котором кинетическая энергия переходит в тепло. Замедление эквивалентно приближению к состоянию равновесия, при котором движение тела отсутствует.

                           В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы. Следовательно, с помощью тел, находящихся в термодинамическом равновесии, невозможно совершить никакой работы т.к. работа связана с механическим движением, т.е. с переходом тепловой энергии в кинетическую.

                          Запрещая вечный двигатель первого  рода, первое начало термодинамики  не исключает возможности создания  такой тепловой машины непрерывного  действия, которая превращала бы  в полезную работу всю подводимую к ней теплоту ( вечный двигатель второго рода). Однако, опыт конструирования тепловых машин неизменно показывал, что часть подводимой теплоты всегда рассеивается в окружающую среду. Французский ученый Никола Карно в 1824 году первым показал, что это обстоятельство носит принципиальный характер, т.е. любая тепловая машина должна содержать помимо нагревателя ( источника теплоты) и рабочего тела (например, пара) так же и холодильник, в обязательном порядке имеющий более низкую температуру, чем нагреватель.

                        Обобщение вывода Карно применительно к произвольным термодинамическим процессам представляет собой второе начало термодинамики: невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от тел более холодных к телам более нагретым, или невозможно произвести работу за счет энергии тел, находящихся в состоянии  термодинамического равновесия.

                        Окружающая нас среда, обладает  значительными запасами тепловой  энергии. Двигатель, работающий только за счет энергии находящихся в тепловом равновесии тел, был бы на практике вечным двигателем. Второе начало термодинамики исключает возможность создания такого вечного двигателя второго рода.

3. Энтропия  и энергия, порядок и хаос, вероятность и информация в термодинамике.          

                        Необратимость   тепловых процессов имеет вероятностный характер. Самопроизвольный переход тела из равновесного состояния в неравновесное, не невозможен, а лишь подавляюще маловероятен. В конечном результате необратимость тепловых процессов обусловливается колоссальностью числа молекул, из которых состоит тело. Молекулы газа стремятся к наиболее вероятному состоянию,  т.е. к состоянию с беспорядочным распределением молекул, при котором примерно одинаковое число молекул движется вверх и вниз, вправо и влево, при котором в каждом объеме находятся примерно одинаковое число молекул, одинаковая доля быстрых и медленных молекул в верхней и нижней частях сосуда. Любое отклонение от такого беспорядка, хаоса,  т.е. от равномерного и беспорядочного перемешивания молекул по местам и скоростям, связано с уменьшением вероятности, или представляет собой менее вероятное событие. Напротив, явление, связанное с перемешиванием, с созданием хаоса из порядка, увеличивает вероятность состояния. Только при внешнем воздействии возможно рождение порядка из хаоса, при котором порядок вытесняет хаос, например: созданные природой минералы, построенные человеком сооружения или изваяния. 

                        Необратимость термодинамических процессов обусловлена огромным количеством молекул, из которых состоят природные тела. При таком колоссальном количестве молекул их распределение в объеме носит беспорядочный, случайный характер, который принято называть хаотичным. Равновесное состояние является наиболее вероятным состоянием, к которому система стремится естественным образом. Иными словами, переходя в наиболее вероятное равновесное состояние, система, стремится к устранению какой – либо упорядоченности, т.е. хаосу.  Мерой хаотичности (необратимого рассеяния энергии) служит понятие энтропии,  введенное немецким физиком Рудольфом Клазиусом, для количественной формулировки второго начала  термодинамики. Количественной характеристикой теплового состояния тела является число микроскопических способов, которыми это состояние может быть осуществлено. Это число называется статистическим весом состояния. Тело, предоставленное самому себе, стремится с большим статистическим весом. Энтропия сложной системы равна сумме энтропий ее частей.

                         Австрийский физик Людвиг Больцман  интерпретировал понятие энтропии  в терминах изменения порядка в системе. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе, и наоборот. Глубокое понимание сущности энтропии невозможно без выяснения того, что же она представляет собой с точки зрения движения и взаимодействия молекул. Главный результат этого исследования Больцманом заключается в короткой формуле, которую он завещал выбить на своем надгробии: S = k ln W , где S – энтропия системы,  k -  коэффициент пропорциональности (постоянная Больцмана),  l n – натуральный логарифм,  W – статистический вес данного макроскопического состояния системы (это число способов, которым можно реализовать данное макроскопическое состояние системы). Чем больше W, тем больше   lnW  и тем больше энтропия  S. Таким образом, энтропия является мерой вероятности обнаружить систему в данном состоянии. Вероятностный характер понятия энтропии  обусловливает и вероятностный статистический закон второго начала термодинамики.

                          По  Больцману энтропия системы есть мера  неупорядоченности ее состояния. Понятие упорядоченности тесно связано с понятием структуры, а структура требует неоднородности. Более однородное состояние является менее упорядоченным. Но энтропия системы максимальна именно для ее однородного состояния. Так, армия, лишенная своей структуры, превращается в толпу.

                         Информационный аспект понятия  энтропии определился  с появлением важнейшей науки – теории информации, основой которой стали работы К. Шеннона, опубликованные в 1948 – 1949 гг., где он дал четкое определение понятия о «количестве информации». Исходным для него было понятие энтропии распределения вероятностей некоторых событий (например, вероятность появления определенной буквы алфавита в тексте, передаваемом по каналу связи). Отсюда следовало, что энтропия системы, есть мера отсутствия информации о ее внутреннем устройстве. Это определение стало теоретической основой всех современных технологий передачи, хранения и обработки информации.

                         Наконец,  еще один аспект понятия  энтропии связан с качеством  энергии, т.е. ее способности  превращения в другие формы  энергии, иного качества. Можно  выстроить иерархию разных форм энергии по ее качеству. На верхних ступенях  находится электрическая энергия. Например, превращение энергии электрического тока в тепловую проходит со стопроцентной эффективностью  (утюг, кипятильник). Обратная же задача требует построения сложной многоступенчатой тепловой электростанции (сжигание топлива – нагревание воды в пар – вращение турбины – вырабатывание генератором электротока),  КПД  которой не больше 40% тепловой энергии сгорания топлива. Тепловая энергия – это энергия менее качественная  и  «ликвидная», чем электрическая. Высокое качество у механической энергии. Поэтому КПД у ГЭС , использующих механическую энергию падающей воды, гораздо выше, чем у тепловых – до 98%. Чуть ниже по качеству химическая энергия, заключенная, например, в бензине или аккумуляторах. Самым низким качеством обладает энергия тепловая, причем качество ее тем ниже, чем ниже температура тела.