ДИНАМИЧЕСКИЕ И СТАТИСТИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ. ЭНТРОПИЯ

    Все окружающие нас тела состоят из атомов и молекул. В твердых телах атомы и молекулы располагаются в строго определенном порядке. В газах молекулы движутся хаотически. Существуют также вещества, в которых порядок и беспорядок сосуществуют: жидкости, аморфные тела, жидкие кристаллы. Состояние любой термодинамической системы в целом определяется набором параметров: температурой, давлением, объемом. Однако эти параметры не описывают поведение атомов и молекул, из которых состоит система. Отчасти это затруднено большим числом компонент, их малыми размерами и невозможностью наблюдения.

    Вопросами поведения отдельных частей термодинамической системы занимается статистическая физика. Движение молекул в газе является случайным процессом, поэтому для описания таких систем пользуются двумя методами: статистическим и вероятностным. Каждый из них имеет свои преимущества, вместе они позволяют наиболее полно ответить на вопросы о распределении молекул по скоростям и энергиям, о вероятности нахождения системы в определенном состоянии и развитии термодинамической системы при изменении внешних параметров.

Введение в термодинамику понятия температуры иногда причисляют к нулевому началу термодинамики. Соотношение, связывающее внутреннюю энергию D U  с теплотой Q  и работой A, носит название первого начала термодинамики, или закона сохранения энергии:

Q= D U+A.

    Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможен вечный двигатель первого рода, т.е. такой, 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.

Всякая предоставленная самой себе система стремится пе­рейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела покоятся относительно друг 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 процесса эквивалентно приближению к состоянию равновесия, при котором движение 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, так как работа связана с механическим движением, т.е. с переходом тепловой энергии в кинетическую. Утверждение о невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии, составляет сущность второго начала термодинамики. Необратимость тепловых процессов имеет вероятностный характер.

Количественной характеристикой теплового состояния тела является число микроскопических способов, которыми данное состояние может быть осуществлено. Это число называется статистическим весом состояния, обозначим его буквой W . Тело, предоставленное самому себе, стремится перейти в состояние с большим статистическим весом. Принято пользоваться не самим числом W , а его логарифмом, который еще умножается на постоянную Больцмана k.Определенную таким образом величину S = klnW называют энтропией тела S . Второе начало термодинамики определяет возможное поведение термодинамической системы и устанавливает, что все процессы в природе протекают с возрастанием энтропии: D S ³ 0.

Из определения энтропии вытекает, что энтропия всякого тела стремится к нулю при стремлении к нулю температуры. Это утверждение носит название теоремы Нернста и иногда называется третьим началом термодинамики.

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

Все естественные процессы происходят так, что вероятность состояния возрастает. Это означает переход от порядка к хаосу. Значит, энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественных процессов возрастает.

В середине XIX в. активно обсуждалась проблема тепловой смерти Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней второе начало термодинамики, Р.Ю. Клаузиус свел его содержание к утверждению, что энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума. Это означает, что все формы движения со временем должны перейти в тепловые. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел во Вселенной будет одинаковой, т.е. наступит полное тепловое равновесие и все процессы во Вселенной прекратятся,  наступит тепловая смерть Вселенной. Ошибочность вывода о тепловой смерти заключается в том, что бессмысленно применять второе начало термодинамики к незамкнутым системам, например, к такой безграничной и бесконечно развивающейся системе, как Вселенная.

    В настоящее время понятие энтропии связывают не только с хаотическим движением молекул, но и с процессами мутации генов, ведущих к появлению новых биологических видов, и к творческому процессу, и к шумовым сигналам, специально подмешиваемым в эвристические программы компьютеров.

    «Стрела времени». При описании любых явлений, с которыми человеку приходится иметь дело, прошлое и будущее играют разные роли. Это справедливо для физики, изучающей макроскопические явления, биологии, геологии, гуманитарных наук. Для микромира на фундаментальном уровне описания этой направленности времени не существует. Почему это именно так и не иначе? Известный физик Эддингтон придумал яркое название «стрела времени». В настоящий момент имеется фактически три «стрелы времени»: 1) космологическая (расширение Вселенной); 2) психологическая (субъективное восприятие, опыт); 3) термодинамическая (рост энтропии). Тот факт, что эти «стрелы времени» в настоящее время в нашей Вселенной совпадают, является одной из загадок современной картины мира.

    Синергетика. Немецкий физик Герман Хакен (г. Штутгарт) ввел для процессов самоорганизации обобщающее название «синергетика» ( от греч. synergetike – сотрудничество, совместное действие). Самоорганизация, по определению Хакена, - спонтанное образование высокоупорядоченных структур из зародышей или даже из хаоса, спонтанный переход от неупорядоченного состояния к упорядоченному за счет совместного, кооперативного (синхронного) действия многих подсистем.

    Как смерть является необходимым условием обновления жизни, так и наличие энтропии, с одной стороны, угрожает всеобщей тепловой смертью, а с другой - служит источником зарождения нового, будоражит и стимулирует жизнь. В этом заключается ее двуединая сущность, столь же диалектически противоречивая, как и весь окружающий мир.

Контрольные вопросы

    1.Поясните понятие температуры и теплоты. Можно ли передать некоторое количество теплоты телу, не повышая его температуру? Приведите примеры.

    2.Какие шкалы температур вам известны? Какая температура имеет одинаковое значение по шкалам Фаренгейта и Цельсия?

    3.Упорядоченные и неупорядоченные системы. Макро- и микросостояния. Статистический вес.

    4.Энтропия как мера беспорядка системы.

5.Какими способами можно изменить состояние вещества любой системы?

    6.Закон возрастания энтропии. Различные формулировки второго начала термодинамики. Технические последствия второго начала термодинамики.

    7.Опишите стадии цикла Карно по диаграмме. Чем определяется совершенная работа? Как связана работа с получаемым и отдаваемым теплом?

    8.Назовите главное свойство времени. Поясните понятие «стрела времени». Что такое космологическая (термодинамическая, психологическая) стрела времени?

    9.Поясните гипотезу тепловой смерти мира. Каков современный взгляд на эту проблему?

    10.Энтропия и законы развития биологических систем. Как формируется последовательность аминокислот в белковых молекулах? Какие еще макромолекулы имеются в живых клетках?

    11.Что понимают под термином «самоорганизация»? Какие существуют способы описания «самоорганизации» на языке математики? Что означает термин «синергетика»?