Законы термодинамики

Термодинамика – наука о тепловых явлениях, в которой не учитывается молекулярное строение тел. Значительный вклад в развитие теорий тепловых явлений внесли Р. Клаузиус (1822-1888), Дж. Максвелл (1831-1879), Л. Больцман (1844-1906), У. Томпсон (1824-1907) и др. Все тепловые процессы связаны с превращением энергии^[37], описание которых составляет одну из основных задач термодинамики. Для описания состояния тела в термодинамике используют следующие функции: температура, давление, объём, энтропия, а также термодинамические потенциалы. Фактор времени не интересует термодинамику, т.к. с её точки зрения молекулы самого разреженного газа когда-нибудь да столкнутся.

1. Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики), во-первых, утверждает существование качественных видов энергии (потенциальной^[38], кинетической^[39], механической, тепловой, электромагнитной и т.д.) и присущую им способность при определенных условиях превращаться друг в друга; во-вторых, указывает, что в любых процессах, происходящих в замкнутых системах (т.е. системе, не обменивающейся ни веществом, ни энергией с окружающим миром), численное значение энергии остается постоянным во времени, т.е. невозможность ее исчезновения или возникновения.

Количественная формулировка первого начала термодинамики: количество теплоты (Q), сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии DU и на совершение телом работы А (Q =DU+А).

Потенциальная и кинетическая энергия переходят друг в друга при движении тел в поле силы тяжести, в колебательном движении тел, например, при колебании маятника. В двигателе внутреннего сгорания химическая энергия превращается в тепловую и кинетическую энергию.

Закон сохранения механической энергии проявляется при движении тел в поле тяжести, падении тел в поле тяжести, при упругом соударении тел, в свободном колебательном движении тел (движение маятника), аннигиляции^[40].

Если закон сохранения энергии выполняется во всех химических процессах, во всех явлениях природы, то закон сохранения иногда выполняется точно, а иногда приблизительно. Например, в химии масса всех веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе всех продуктов реакции. Однако в физике, электрон и позитрон, каждый из которых обладает массой, могут аннигилировать в фотоны, не имеющие массы покоя.

В термоядерных реакциях выполняются закон сохранения электрического заряда, закон сохранения энергии, закон сохранения лептонного заряда, закон сохранения адронного заряда. Закон сохранения энергии и закон сохранения импульса регламентируют превращение вещества в поле и наоборот.

Первый закон термодинамики отрицает возможность вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода. Вечный двигатель первого рода предполагает работу без извлечения энергии из окружающей среды. Нельзя построить периодически действующую машину, которая бы совершала работу больше подводимой к ней извне энергии.

2. Закон рассеяния энергии. Всякая система стремится перейти к состоянию термодинамического равновесия, в котором тела обладают одинаковыми температурами и давлением. Все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы. Это приводит нас ко второму началу термодинамики: тепло не может само собой переходить от холодных тел к более нагретым; или тепловая энергия равномерно распределяется между всеми телами, и всякие тепловые процессы в любой системе полностью прекращаются. Эго приводит к тепловой смерти системы. Данное утверждение справедливо для замкнутых систем. Этот закон характеризует рост энтропии во времени.

Из-за наличия сил трения часть энергии всегда уходит в тепло (или внутреннюю энергию) и перевести эту энергию обратно в более удобные для практического использования формы оказывается очень трудно. Поэтому вечный двигатель второго рода, работающий за счет энергии находящихся в тепловом равновесии тел маловероятен, т.к. необратимые макроскопические процессы очень сложно повернуть вспять. Вечный двигатель второго рода – это своеобразный «холодильник, не потребляющий, а вырабатывающий электроэнергию». В настоящее время на практике пока доказана только возможность осуществления агрегатов, собирающих энергию из окружающей среды. Так, в космонавтике, широко используются тепловые насосы, использующие тепловую энергию окружающего пространства.

Существует еще вечный двигатель третьего рода – механизм, демонстрирующий вечное движение при отсутствии трения. Механизмы, приближающиеся к идеальным уже также созданы, например, это – сверхпроводящие агрегаты, сверхтекучие жидкости и т.д. Таким образом, только вечные двигатели 1-го рода не созданы и не используются в технике. Можно предположить, что заявленные «успешные» вечные двигатели 1-го рода на самом деле являются лишь скрытыми двигателями 2-го рода, источник получения, перекачки энергии которого – неизвестен. Хотя двигатели 2 и 3 рода успешно апробированы, сам термин «перпетуум мобиле» на практике до сих пор используется как «неосуществимый» или «бредовый», т.к., во-первых, ничего не берется ниоткуда, во вторых, все, что имеет начало – имеет конец, понятие «вечный» в данном контексте понимается весьма условно.

Мировые технические корпорации борются с энтропией путем повышения КПД. Если для двигателя считается 70 % очень хорошим КПД, итальянский экономист Вильфредо Паретто в 1897 году сформулировал правило эффективности человека, согласно которому 20% усилий приносят 80% результата.

Второе начало термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии – теплоты (связанной с неупорядоченным движением) и работы (связанной с упорядоченным движением). Неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную форму энергии. Мерой неупорядоченности в термодинамике является энтропия. Энтропия (мера рассеяния энергии) – это функция состояния системы, характеризующая направление протекания самопроизвольных процессов в замкнутой системе. В замкнутой системе энтропия стремится к максимуму.

Направление тепловых процессов определяется законом возрастания энтропии: энтропия замкнутой системы может только возрастать; максимальное значение энтропии замкнутой системы достигается в равновесии: DS ≥ 0 (где S – энтропия). Приведенное утверждение считается количественной формулировкой второго закона термодинамики.

Второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии (однонаправленность всех самопроизвольных процессов).

Так в середине XIX в. закон сохранения и превращения энергии приобрел права всеоб­щего закона природы, объеди­няющего живую и неживую природу. Первое начало термоди­намики кратко формулируют так: «Энергия сохраняется», или: «Тепло, полученное систе­мой, идет на приращение ее внутренней энергии и на произ­водство внешней работы». То, что именно энергия сохраняет­ся, а не теплота, стало одним из основных научных достижений. Понятие энергии позволило рас­сматривать все явления природы и процессы с единой точки зре­ния, объединить все явления. Впервые в науке абстрактное по­нятие заняло центральное место, оно пришло вместо ньютоновой силы, соответствующе чему-то ося­заемому, конкретному, хотя и облаченному Ньютоном в математи­ческие одежды. Понятие энергии прочно вошло в нашу жизнь. Ему нет единого определения, но чаще всего под энергией понимают способность тела совершать работу. В середи­не прошлого века лорд Кельвин признал, что силы могут исчезать и возникать, а энергия не уничтожается. Это понятие соответствовало и религиозным взглядам Кельвина, он считал, что Творец в самый момент творения мира наделил его за­пасом энергии, и этот божественный дар будет существовать вечно, тогда как эфемерные силы подвержены многим превратностям, и с их помощью в мире ткет­ся ткань явлений преходящих. Современная наука не отвергает взгляды Кельви­на, но не отрицает и существования атомов как носителей энергии. Первое начало требует сохранения энергии изолированной систе­мы, но не указывает направления, в котором процессы могут про­исходить в природе. Это направление указывается вторым началом, вторым постулатом термодинамики. Совместно с первым они позво­ляют установить множество точных количественных соотношений между различными макроскопическими параметрами тел в состояни­ях термодинамического равновесия или около него. Кроме того, вто­рой постулат вводит определенность температурной шкалы, не свя­занную с рабочим веществом термометра и его устройством.

Из-за энтропии трагедия большой истории состоит не в том, что какие-то плохие, корыстные и глупые люди толкают человечество в нежелательном направлении, а в том, что оно двигается в этом направлении вопреки воле и желаниям хороших, бескорыстных и умных людей.

3. Третье начало термодинамики касается свойств веществ при низких температурах и утверждает невозможность охлаждения вещества до -273° С (температура абсолютного нуля).

Абсолютно низкую температуру, предсказал еще М. Ломоносов, первый исследователь низких температур. Северный ученый впервые сумел заморозить ртуть и искусственно получить очень низкую температуру (-65° С).

Закон в формулировке Планка гласит, что энтропия идеального кристалла при абсолютном нуле равна нулю. На самом деле невозможно непосредственно измерить абсолютную величину энтропии. В настоящее время с использованием лазерного охлаждения атомов добиваются охлаждения ~10 ^-7¸ 10^-9 К.

Термодинамика, основанная на трех началах и не требующая детального знания о строении вещества, дает представления об основных закономерностях бытия большого числа природных систем: к свойствам газов, жидкостей и твердых тел, к химическим реакциям, к магнитным и электрическим явлениям. Они приложимы к грандиозным космическим процессам и даже явлениям социальной жизни. Ее выводы неоспоримы и незыблемы.

Грядущий кризис энергоносителей заставляет уже сейчас искать новые способы получения и направления энергии. Коренным вопросом будущего является переход от энергии потребления к энергии дарения. Энергия потребления подчиняется законам термодинамики: ничто ниоткуда не берется, за все нужно платить. Поэтому отношения должны быть основаны на расчете. Так мы приходим к точке «замерзания» человеческих отношений. Энергетика будущего должна быть основана на заботе и любви. Ее парадоксальная характеристика такова, что чем больше мы отдаем, тем больше получаем.

Самоорганизация

Научному мировоззрению в XIX в. была присуща идея развития, которая в физике формировалась под влиянием статистической механики и равновесной термодинамики. Эти две классические физические теории описывают поведение замкнутых систем, т.е. таких систем, которые не обмениваются ни веществом, ни энергией с другими системами (средой).

В XX в. наука исходит из того, что все системы любого порядка являются открытыми. Такая система способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией, информацией и находиться, как правило, в состоянии далеком от термодинамического равновесия. В понятии самоорганизации отражается идея спонтанного перехода открытой неравновесной системы от простых и неупорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным. События глобального масштаба складываются не из гигантских проявлений како-то силы, но из реальных житейских ничтожностей, которые страшны множественностью и непрерывностью действия.

Синергетика

Синергетика – это наука о самоорганизации сложных систем, о превращении хаоса в порядок. Развитие синергетики идет по нескольким направлениям: синергетика (Г. Хакен), неравновесная термодинамика (И.Р. Пригожин) и др.

Синергетика как составляющая научной картины мира сформулировала основную тенденцию развития в Природе: создание более сложных систем из более простых; определила основные принципы эволюции материальных систем. Синергетика подтвердила положение теории относительности о взаимопревращении вещества и энергии; объясняет образование макросистем (вещества). Синергетика отражает процесс творчества Природы: создание новых структур в природных системах; образование новых систем и т.п. Идеи синергетики носят междисциплинарный характер. Они являются основой совершающегося в естествознании глобального эволюционного синтеза.

Основные идеи синергетики:

– Процессы эволюции и деградации, разрушения и созидания равноправны. Хаос не только разрушителен, но и созидателен. Развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность).

– Процессы созидания (упорядоченности) имеют единый алгоритм, независимо от природы, специфики и характера систем, в которых они осуществляются.

– Эволюция большинства сложных систем носит нелинейный характер, т.е. для такого типа систем всегда существует несколько возможных вариантов развития. Возникновение структур нарастающей сложности не случайность, а закономерность. Случайность встроена в механизм эволюции.

Неравновесная термодинамика И. Пригожина:

– Термодинамика XX в. изучает открытые системы в состояниях, далеких от равновесия. Основной задачей является доказательство того факта, что неравновесие может быть причиной порядка. Классическая (равновесная) термодинамика XIX в. изучала механическое действие теплоты, причем предметом ее исследований были процессы преобразования энергии, протекающие в замкнутых системах, стремящихся к состоянию равновесия. В подобных системах для самоорганизации нет места.

– Система в неравновесной термодинамике должна быть открытой и иметь приток вещества и энергии извне, а также создавать и поддерживать упорядоченность из хаоса. Такие системы названы диссипативными.

– Диссипативные структуры обладают способностью к запасанию незначительных энергетических импульсов, что потом приводит к резкому, вихреобразному изменению (напр. вихри Бенара в гидродинамике)

– Диссипативные структуры существуют потому, что система диссипирует (рассеивает) энергию. Из энергии возникает порядок с увеличением общей энтропии.

– Условия формирования новых структур: открытость системы; ее нахождение вдали от точки равновесия; наличие флуктуации.

– Неустойчивость и неравновесность определяют развитие систем, т.е. последние непрестанно флуктуируют. В особой точке бифуркации (критическое состояние) флуктуация достигает такой силы, что организация системы разрушается. Разрешением кризисной ситуации является быстрый переход диссипативной системы на новый и более высокий уровень упорядоченности, который получил название диссипативной структуры. Это и есть акт самоорганизации системы.

– Переход диссипативной системы из критического состояния в устойчивое неоднозначен. Поскольку флуктуации случайны, то и выбор конечного состояния системы является случайным. Процесс перехода одноразовый и необратимый.

– Самоорганизация проявляется в форме общей флуктуации, не имеющей ничего общего со статистическими законами физики. В процессе перехода все элементы системы ведут себя коррелированно, хотя до этого они находились в состоянии хаоса.

– Природа есть иерархия открытых систем. Развитие систем протекает по единому алгоритму. В основе последнего – самоорганизация, протекающая в критических точках системы.

Порядок и хаос

Порядок в мире, по мнению Анаксагора, есть результат того, что существуют гомеомерии, семена порядка. Хаос (греч. χάος) – это разрушение порядка, дезорганизация, путаница, неразбериха, нагромождение, смешенье всего. Синергетика привнесла идею прогрессивного порядка и новое понимание хаоса. Синергетический хаос – это творческая виртуальность, возможность порядка более высокого уровня.

Мы привыкли к стабильности и постоянству, не считаем, что мир вокруг нас может внезапно измениться без явных на то причин. Однако есть много примеров скачкообразного поведения системы: маленький камешек вызывает лавину, легкий удар по детонатору вызывает взрыв. Для определения поведения системы полезно умение понимать, далеко ли она находится от критической точки. Особенности поведения системы, по которым можно судить о приближении критической точки: 1) наличие нескольких различных устойчивых состояний; 2) существование неустойчивых состояний, из которых система выводится слабыми толчками; 3) возможность быстрого изменения системы при малых изменениях внешних условий; 4) необратимость системы; 5) скачок, катастрофа.

Синергетика приобретает все большое объясняющее значение в современной научной картине мира. Мир предстает огромной открытой системой, где человек взаимодействует лишь с ограниченной частью реальности. Реальность, поэтому, это всегда возможность чего-то иного, иногда очень неожиданного и парадоксального. Поведение мира как открытой системы характеризуется нелинейными зависимостями. Самые незначительные факты могут играть решающее значение в становлении другого мира.

На основании синергетических нелинейных зависимостей В.В. Чепенко была предложена альтернатива феномена внезапной смерти. До сих пор внезапная смерть объяснялась как критическое летальное состояние организма, наступившее спустя 6 часов наблюдения изменения патологии. Под этим подразумевают не только полную механическую остановку сердца, но и такой вид сердечной деятельности, который не обеспечивает минимально необходимого уровня кровообращения. Такое состояние может развиться при различных опасных для жизни нарушениях сердечного ритма: фибрилляции желудочков, полной поперечной (предсердно-желудочковой) блокаде, сопровождающейся приступами Морганьи Эдемса-Стокса, пароксизмальной желудочковой тахикардии и др. Наиболее частой кардиогенной причиной прекращения кровообращения признается инфаркт миокарда. Таким образом, внезапная смерть связывается с морфологией организма.

Вместе с тем известно, что огромное количество людей переживают инфаркт и даже не знают об этом. Они остаются жизнеспособны. В.В. Чепенко предложил другую зависимость: внезапная смерть наступает после того, как система начинает вести себя упорядоченно, о чем можно судить по это изменчивости R-R интервалов последовательных циклов сердечных сокращений. Нелинейный математический анализ изменчивости интервалов работы сердца дает возможность предсказывать внезапную смерть: если флуктуации сигналов ритма сердца принимают упорядоченный характер, это означает, что система закрывается и готовится к остановке жизнедеятельности. Хаотическая вариабельность сигналов свидетельствует о жизнеспособности организма. При этом морфологические признаки зачастую свидетельствуют об обратном. С другой стороны, чрезмерное количество хаоса также может свидетельствовать о кризисном состоянии организма.

С помощью синергетики очень своеобразно анализируется состояние современной культуры. Процессы глобализации привели к смещению границ, перемежению ценностей. Многие процессы в ходе цивилизационного развития свидетельствуют, что культура вступила в активную фазу бифуркации – глобального перехода (скачка?) от нынешнего состояния к чему-то принципиально иному, чего еще не наблюдалось в истории человечества (во всяком случае в истории европейско-средиземноморского ареала). «Используя язык синергетики, ПОСТ-культура – это та «нелинейная среда» культуры, возникшая в момент глобальной цивилизационной бифуркации, в которой «варится» бесчисленное множество виртуальных структур будущего становления, и которая с позиции любой уже ставшей структуры представляется неким уплотненным потенциальным хаосом, или полем бесконечных возможностей»^[43].

Через художественную литературу идеи синергетического скачка, преодоления своих обычных возможностей, завладели умами миллионов людей. В книгах бразильского писателя Пауло Коэльо «Вероника решает умереть», «Пятая гора», «Алхимик» отразилась идея опасности стабильности: как только ты самоуспокаиваешься, ты умираешь. Жизнь – это всегда ходьба на грани, самопреодоление. Осознание смерти дает нам силы жить дальше.

План семинарского занятия по теме № 5.

1. Первое начало термодинамики.

2. Закон энтропии.

3. Виды вечных двигателей.

4. Синергетика и теория неравновесных систем.

Задания

1. Определите, формулировки каких законов термодинамики содержатся в следующем тексте: «Жизнь – это азартная игра, в которой нельзя выиграть больше того, что у Вас было; а всё, что было, можно только потерять».

2. Приведите примеры физических, биологических, социальных систем, которые находятся в неравновесном состоянии.

3. Как повысить КПД учащихся в получении образования?

4. Как разрешить кризис энергоносителей?