Класічная тэрмадынаміка

Такім чынам, н’ютанаўская касмалогія грунтуецца на ўяўленнях пра абсалютныя прастору і час, а таксама на законах механікі, найперш – на законе сусветнага прыцягнення. У ёй канчаткова знікла адрозненне паміж зямным і нябесным светам, на якім настойвалі касмалагічныя вучэнні, што распрацоўваліся ў папярэднія эпохі. Экстрапаляцыя законаў зямной механікі на Сусвет у цэлым прывяла, аднак, да істотных праблем, грунтоўнае вырашэнне якіх патрабавала перагляду найважнейшых палажэнняў н’ютанаўскай касмалогіі. Хоць сам Н’ютан ігнараваў касмаганічную праблематыку, яго паслядоўнікі і наступнікі зрабілі спробы стварыць механічныя касмаганічныя праекты, што мела істотнае значэнне ў кантэксце сцвярджэння ў культуры прынцыпаў навуковай рацыянальнасці.

ПЫТАННІ І ЗАДАННІ

1. Правядзіце параўнальны аналіз н’ютанаўскага і арыстоцелеўскага касмалагічных праектаў. Якое з іх адрозненняў падаецца Вам найважнейшым?

2. Якое месца н’ютанаўская касмалогія займала ў класічным прыродазнаўстве?

3. Як бы Вы ацанілі гістарычнае значэнне класічнага касмалагічнага праекта?

4. Якія аспекты н’ютанаўскай касмалогіі падаюцца Вам найважнейшымі і найцікавейшымі з філасофскага пункту гледжання?

Класічная тэмадынаміка (ад старажытнагр.θερμóϛ – цёплы і δύναμιϛ – сіла) – гэта раздзел фізікі, у якім вывучаюцца працэсы абмену і пераўтварэнняў энергіі ў макраскапічных сістэмах (пры істотным удзеле цеплыні), у выніку якіх выконваецца работа. Асновы тэрмадынамікі былі сфармуляваныя ў ХІХ ст. на аснове вывучэння цеплавых машын. У сярэдзіне ХІХ ст. быў уведзены і тэрмін, якім дадзеная галіна фізікі абазначаецца. У 1851 годзе У.Томсан (лорд Кельвін) у сваёй працы “Пра дынамічную тэорыю цеплыні” ўжыў прыметнік “тэрма-дынамічны” (у дачыненні да рухавіка), а з 1854 года замест выразу “тэорыя цеплыні” ён ужывае ўжо адпаведны назоўнік [46, т.10, c.1166].

Цеплыня заўжды падавалася фізікам чымсьці таямнічым [78, c.503], але эксперыментальны і матэматычны падыход, выкліканы да жыцця Вялікай навуковай рэвалюцыяй, няўхільна прабіваў сабе дарогу і ў вывучэнні цеплавых працэсаў. Грунтоўнае значэнне мела пры гэтым вынаходства тэрмометра, якое было зроблена амаль адначасова чатырма даследчыкамі (найперш – у 1600 годзе – Г.Галілеем) [46, т.10, c.1167]. Першыя тэрмометры былі, праўда, досыць прымітыўнымі, але ў XVIII cт. з’явіліся прыстасаванні, якія маглі ўжо эфектыўна ўжывацца ў навуковых даследаваннях [78, c.503-504]. Надзвычай важным, скіраваным у будучыню вынікам гэтых даследаванняў было выяўленне адрозненняў паміж колькасцю цеплыні і тэмпературай. Тэмпература – гэта інтэнсіўная велічыня, яна не змяняецца пры дзяленні на часткі сістэмы, якая ёй валодае, а колькасць цеплыні – велічыня экстэнсіўная, яна змяняецца пры змяненні памераў аб’екта яе вымярэння. (Варта адзначыць, што згаданае вымярэнне грунтуецца на пэўных фізічных дапушчэннях і найперш на ўяўленні пра скіраванасць усякай закрытай сітэмы да тэрмічнай раўнавагі [30, c.39-40].)

У тэарэтычным плане, у плане разумення сутнасці цеплавых з’яў у гэты час (ХVII – першая палова ХІХ стст.) дамінавала ўяўленне пра цеплыню як адмысловае рэчыва (бязважкую вадкасць, цепларод), хоць пры канцы ХVIII cт. былі праведзеныя эксперыменты, вынікі якіх пярэчылі ёй [30, c.44-46]. Сярод альтэрнатыўных канцэпцый неабходна адзначыць прапанаваную П.Гасендзі [78, c.504] гіпотэзу “гарачых” і “халодных часцінак”, прысутнасць якіх у фізічным аб’екце вызначае адпаведныя яго якасці: яна нагадвала малекулярна-кінетычны падыход, што ўсталяваўся ў навуцы ў другой палове ХІХ ст.

У якасці даты нараджэння тэрмадынамікі І.Прыгожын і І.Стэнгерс прапаноўваюць лічыць 1811 год, калі адбылося адкрыццё Ж.Фур’е (1768-1830) закона, які вызначае распаўсюджанне цеплыні ў пэўным асяроддзі. Яны ўгледзелі ў гэтым законе і запачаткаваным ім даследчым кірунку альтэрнатыву класічнай механіцы. На іх думку, пошукі, што вяліся на ім, рэабілітавалі ў канчатковым выніку ў навуцы выгнаную з яе н’ютанаўскай дынамікай тэматыку, звязаную са складанасцю і незваротнасцю прыродных працэсаў (гэта тэмы, якім належыць грунтоўнае месца ў прыродазнаўчых даследаваннях самога І.Прыгожына і яго вучняў). У законе Фур’е фіксуецца той момант, што плыня цеплыні пры цеплаабмене паміж целамі прама прапарцыянальная рознасці іх тэмператур з каэфіцыентам прапарцыянальнасці, што залежыць ад асяроддзя, у якім цеплаабмен адбываецца. Гэты закон быў сфармуляваны ў элегантнай матэматычнай форме. Таму, як падкрэсліваюць І.Прыгожын і І.Стэнгерс, ён падарваў манаполію н’ютанаўскай механікі ў матэматычным прыродазнаўстве: ён не зводзіўся да грунтоўных механічных законаў і паказаў, што магчымыя і іншыя шляхі матэматычнага апісання прыроды [75, c.104].

Наступны значны крок у вывучэнні цеплавых працэсаў быў зроблены французскім фізікам С.Карно (1796-1832), які аналізаваў працэсы, што адбываюцца ў цеплавых машынах. Карно высветліў, што цеплыня не можа цалкам і поўнасцю ператварыцца ў механічную работу. Справа ў тым, што ва ўсякай цеплавой машыне павінны быць у наяўнасці складовыя часткі, якія маюць розную тэмпературу, – награвальнік і халадзільнік. Цеплыня перадаецца ад нагрэтага да халоднага цела і выконвае пры гэтым механічную работу. Пэўная яе частка, аднак, абавязкова аддаецца халоднаму целу. А вось механічная работа можа быць цалкам пераўтвораная ў цеплыню. Такая асіметрыя ўказвала на адмысловы статус апошняй сярод прыродных феноменаў.

Як неаднаразова ўказвалася вышэй, для фізікі сучаснага тыпу быў у найвышэйшай ступені характэрны пошук унутранага адзінства разнастайных працэсаў і з’яў. Да істотных яго кірункаў належыць памкненне да выяўлення велічынь, што захоўваюцца ва ўсіх магчымых пераўтварэннях. Дэкарт і Н’ютан, як вядома, засяроджваліся на захаванні колькасці руху (імпульсу). А вось Г.В.Лейбніц меркаваў, што ва ўсіх механічных працэсах найперш захоўваецца іншая велічыня, якую ён назваў vis viva (жывая сіла) і ў якой маса спалучаецца не з хуткасцю, а з яе квадратам. Крыху пазней ён далучыў да яе яшчэ і “патэнцыяльныя сілы”[60] [26, c.344]. У першай палове ХІХ ст. навукоўцы выявілі ўзаемасувязі паміж самымі рознымі працэсамі і з’явамі (цеплынёй і механічнай работай, цеплынёй і электрычнасцю, электрычнасцю і магнетызмам і г.д.). У такіх умовах паўставала пытанне пра тое, якая велічыня захоўваецца ва ўсіх гэтых працэсах (бо ў існаванні такой велічыні ці такіх велічынь ніхто з навукоўцаў не сумняваўся).

Хвалявала дадзенае пытанне і С.Карно. Ён прытрымліваўся тэорыі цеплароду і меркаваў, што ў апісаных ім працэсах, якія адбываюцца ў ідэальнай цеплавой машыне, захоўваецца менавіта цепларод, што перашкодзіла яму, зрэшты, выразна і дакладна сфармуляваць грунтоўныя палажэнні тэрмадынамікі, да чаго заставаўся літаральна адзін крок [46, т.10, c.1169]. Тым не менш яго даследаванні і дасягнутыя ім вынікі падрыхтавалі глебу для перабудовы вучэння пра цеплыню ў другой палове ХІХ ст., фундаментальнай складовай часткай якой было адкрыццё энергіі як велічыні, што захоўваецца ў разнастайных працэсах і фармулёўка закона яе захавання і ператварэння як універсальнага закона прыроды.

Першы грунтоўны крок у гэтым кірунку быў зроблены нямецкім навукоўцам Р.Маерам (1814-1878), які ў 1842 годзе зрабіў выснову, што цеплыня ўяўляе сабой пэўную форму энергіі, якая існуе ў прыродзе разам з механічнай энергіяй (кінетычнай і патэнцыяльнай) [46, т.10, c.1169]. У 1847 г. англійскі фізік Д.Джоўль (1818-1889), які, зрэшты, не быў прафесійным навукоўцам[61], дакладна высветліў колькасны аспект узаемапераўтварэнняў розных відаў энергіі [75, c.108]. І затым было выяўлена, што дадзеная велічыня не ўзнікае з нічога і не пераўтвараецца ў нішто, што яе колькасць у ізаляванай сістэме застаецца канстантнай. Нямецкі навуковец Г.Гельмгольц (1821-1894) быў першым, хто здзейсніў грунтоўны матэматычны аналіз дадзенага закона і яго прынцыповай ролі ў галіне тэарэтычнай фізікі [46, т.10, c.1169].

Закон захавання энергіі выступае як падстава для фундаментальна важнага палажэння тэрмадынамікі, якое атрымала назву першага яе пачатку. У ім даводзіцца, што колькасць цеплыні, перададзеная сістэме, эквівалентная змяненню яе ўнутранай энергіі і рабоце, якую яна выконвае супраць вонкавых сіл [17, с.54-55]. Першы пачатак тэрмадынамікі можа быць сфармуляваны як забарона вечнага рухавіка першага роду. Гэта “такі рухавік, які за адзін перыяд выконваў бы большую работу ў параўнанні з колькасцю паглынутай ім звонку энергіі”, г. зн. “рухавік, які сам павінен параджаць энергію” [17, с.55].

Першы пачатак тэрмадынамікі ўпершыню ў выразнай форме быў сфармуляваны нямецкім фізікам Р.Клаўзіўсам (1822-1888), гэтаксама як і другое яе грунтоўнае палажэнне, названае адпаведна другім пачаткам. Пры гэтым ён грунтаваўся на працах С.Карно, які, як было згадана вышэй, надзвычай блізка падышоў да фармулёўкі асноў дадзенага раздзелу фізікі. Адкрытая С.Карно немагчымасць ператварыць усю перададзеную пэўнай сістэме цеплыню ў механічную работу змусіла да сур’ёзнага аналізу пытання пра суадносіны “карыснага” абмену энергіяй у цеплавых машынах і наяўнай у адпаведных працэсах “рассеянай” энергіяй, “якая незваротна губляецца” [75, c.117]. Р.Клаўзіўс увёў спецыяльную фізічную велічыню, якая выступае як мера згаданай “дэградацыі”[62] энергіі, і назваў яе энтрапіяй (ад старажытнагр. τροπή – змяненне). Навуковец падкрэсліў, што колькасць няздольнай да трансфармацыі ў карысную механічную работу цеплавой энергіі ў закрытай сістэме не можа паніжацца. У абарачальных працэсах яна роўная нулю, у неабарачальных – большая за ноль. У гэтым – сутнасць другога пачатку тэрмадынамікі, які вызначае напрамак пераўтварэнняў энергіі ў прыродзе. Улічыўшы, што ў рэальных рухавіках і рэальных з’явах увогуле неабарачальныя змены з неабходнасцю дапаўняюць абарачальныя [75, c.118], можна гаварыць пра другі пачатак тэрмадынамікі як пра закон узрастання энтрапіі ў ізаляваных сістэмах [63].

Такім чынам, закрытыя сістэмы змяняюцца ў пэўным кірунку, знаходзяцца ў стане “спантаннай эвалюцыі”. Энтрапія выступае ў такіх умовах як “індыкатар” гэтай эвалюцыі, а таму і як “страла часу”, гэта значыць як падстава яго неабарачальнасці [75, c.119]. У дадзеным кантэксце, аднак, у кантэксце аналізу тэрмадынамічных працэсаў, блізкіх да стану раўнавагі, паўстае праблема завяршэння і спынення згаданай эвалюцыі праз дасягненне максімальнага значэння энтрапіі. Цеплыня ў спантанных абменах энергіяй не можа перадавацца ад менш нагрэтага да больш нагрэтага цела: больш нагрэтае аддае яе менш нагрэтаму, пакуль яны не дасягнуць аднолькавай тэмпературы. Таму пакуль “атрактар” (у дадзеным выпадку стан цеплавой раўнавагі) дзейнічае, адбываецца пэўным чынам скіраваны, упарадкаваны працэс. Калі ён дасягаецца, згаданы працэс робіцца немагчымым (энтрапія вызначаецца ў дадзенай сувязі таксама як мера неўпарадкаванасці сістэмы).

Неабходна адзначыць, што найважнейшыя палажэнні тэрмадынамікі змяшчаюць у сабе пэўныя касмалагічныя імплікацыі. Першы яе пачатак (дакладней закон захавання энергіі, на якім ён грунтуецца) фігураваў як важкі аргумент на карысць матэрыялістычнага бачання свету (свету, у якім энергія, а значыць і рух, не можа быць створанай з нічога і пераўтворанай у нішто, г. зн. вечнага і бясконцага). З закону ўзрастання энтрапіі, аднак, пры ўмове разгляду Сусвету як закрытай сістэмы, вынікала тэза пра яго няўхільнае набліжэнне да канчатковага, абсалютна неўпарадкаванага, хаатычнага стану. Розныя формы энергіі мусяць ператварыцца ў цеплыню, якой наканавана рассеяцца ва ўніверсуме, аддадзеным ва ўладу тэрмадынамічнай раўнавагі.

Упершыню такая змрочная перспектыва для яго была намаляваная лордам Кельвінам у 1850 г. [26, c.416]. Пазней да яго далучыўся Р.Клаўзіўс са сваёй знакамітай формулай: “Энергія свету з’яўляецца канстантнай; энтрапія свету імкнецца да максімальнага значэння” [26, c.417]. У адпаведных развагах аднак, праблематычнай з’яўляецца іх галоўная пасылка (Сусвет – гэта сапраўды закрытая сістэма?). Акрамя таго, класічная тэрмадынаміка апісвае працэсы, што адбываюцца на ўзроўні, блізкім да раўнаважнага, што абмяжоўвае іх статус і значэнне. І сапраўды, на ўзроўні, далёкім ад раўнавагі, маюць моц прынцыпова іншыя заканамернасці і адбываюцца працэсы, скіраваныя да самаарганізацыі, да ўзрастання парадку ў адпаведных сістэмах, пра што гаворка пойдзе ніжэй (4.17). У дадзеным выпадку мы яшчэ раз можам пераканацца, што экстрапаляцыя прыродазнаўчых законаў, адкрытых зямным назіральнікам у зямных умовах, на Сусвет у цэлым – рэч досыць рызыкоўная. У гэтай сувязі варта адзначыць таксама, што І.Прыгожын і І.Стэнгерс указваюць на глыбокія агульнакультурныя падставы эсхаталагічных медытацый творцаў класічнай тэрмадынамікі (і не толькі іх) [75, с.116]. І з імі нельга не пагадзіцца.

У другой палове ХІХ стагоддзя даследаванне цеплавых працэсаў было выведзена на прынцыпова больш высокі ўзровень. Гэты скачок у развіцці тэрмадынамікі адбыўся дзякуючы творчым высілкам выдатных фізікаў – амерыканца Д.Гібса (1839-1903), шатландца Д.Максвела (1831-1879) і аўстрыйца Л.Больцмана (1844-1906). Неабходна адзначыць, што ў некаторых рэканструкцыях тэорыі і гісторыі класічнай тэрмадынамікі ўказваецца, што асаблівае, нават выключнае значэнне для яе мелі працы Д.Гібса, надрукаваныя ў 70-х гг. ХІХ ст. К.У.Мулінэс, напрыклад, даводзіць, што яны ўтвараюць “самадастатковую, кагерэнтную ў канцэптуальным плане і элегантную ў фармальным тэарэтычную структуру вельмі шырокага маштабу, якая запачаткоўвае шматлікія актуальныя і патэнцыяльныя даследчыя кірункі” [65, c.309-310]. Навуковец надае ім парадыгматычнае значэнне, аналагічнае таму, якое дасягнутыя Н’ютанам вынікі мелі для абгрунтавання класічнай механікі [65, c.310]. У большасці прац, прысвечаных гісторыі тэрмадынамікі, аднак, творчасць Гібса ацэньваецца больш сціпла (больш за тое, часам яна ўвогуле ігнаруецца). Усё гэта сведчыць пра наяўнасць у дадзеным выпадку істотнай і цікавай навукова-гістарычнай праблемы, якая патрабуе спецыяльнага аналізу.

У агульным і цэлым, аднак, правамерна сцвярджаць, што дзякуючы даследаванням Гібса, Максвела і Больцмана была створаная малекулярна-кінетычная інтэрпрэтацыя класічнай тэрмадынамікі. Неабходнасць пэўнай яе інтэрпрэтацыі вынікае з таго, што цеплавыя з’явы разглядаюцца ў яе рамках на макраўзроўні. Макраскапічныя сістэмы і іх паводзіны, г. зн. змены іх станаў, апіваюцца тут пры дапамозе параметраў, якія характарызуюць згаданыя станы ў цэлым, – ціску, аб’ёму, тэмпературы. Узаемасувязі гэтых велічыняў выяўляюцца эксперыментальным шляхам. Тэорыя тлумачыць вынікі эксперыментальных даследаванняў на аснове пэўных універсальных палажэнняў (пачаткаў тэрмадынамікі). У сувязі з гэтым тэрмадынамічнай тэорыі можа быць нададзены эпітэт “фенаменалагічная”: яна не звяртаецца да ўнутранай структуры сістэм, што вывучаюцца ёю, да глыбокіх пластоў рэчаіснасці, дзе задзейнічаныя прычыны цеплавых з’яў.

Малекулярна-кінетычная тэорыя, ужытая да фенаменалагічнай тэрмадынамікі (дадзенае ўжыванне і выступае, зрэшты, як яе малекулярна-кінетычная інтэрпрэтацыя), дазваляе пераадолець згаданыя абмежаванні. Цэнтральная тэза гэтай тэорыі даводзіць, што матэрыя складаецца з часцінак (малекул), якія бесперапынна рухаюцца. Гэты рух найбольш выразна выяўляецца ў яе газападобным стане, калі малекулы валодаюць значнай кінетычнай энергіяй. Праўда, энергія кожнай з іх мае пэўнае, адмысловае значэнне, якое змяняецца пры кожным яе сутыкненні з іншай малекулай (ці сценкай сасуда, у якім газ знаходзіцца). Кожная макраскапічная сістэма складаецца з велізарнага мноства часцінак. Апісаць рух кожнай з іх і стварыць дакладную сумарную карціну таго, што ў сістэме адбываецца, проста немагчыма. Таму ў малекулярна-кінетычнай тэорыі выкарыстоўваецца статыстычны метад апісання тых з’яў, што даследуюцца ёю. Яго выкарыстанне грунтуецца на ўяўленні, згодна з якім “дынаміка тэрмадынамічных макрастанаў па сутнасці вызначаецца імавернасцю мікрастанаў, у якіх яна здзяйсняецца” [46, т.10, c.1171]. Тэрмадынамічныя параметры выяўляюцца ў адпаведнасці з гэтым як сярэднястатыстычныя велічыні: у іх адлюстроўваецца сярэдняе значэнне параметраў, якія характарызуюць паводзіны часцінак, з якіх тая ці іншая сістэма складаецца.

У статыстычным рэчышчы былі пераасэнсаваныя і асновы тэрмадынамікі. Л.Больцман інтэрпрэтаваў энтрапію як меру імавернасці пэўнага стану сістэмы (беспарадку ў руху яе часцінак). Такім чынам, згодна з пераасэнаваным у кантэксце малекулярна-кінетычнай тэорыі другім пачаткам тэрмадынамікі закрытая сістэма спантанна пераходзіць ад менш імаверных да больш імаверных мікрастанаў. Найбольш імаверны – раўнаважны – стан характарызуецца максімальным значэннем энтрапіі, г. зн. максімальна неўпарадкаваным рухам малекул.

На аснове статыстычнай інтэрпрэтацыі другога пачатку тэрмадынамікі Л.Больцман пераасэнсаваў і яго касмалагічныя імплікацыі – праблему цеплавой смерці Сусвету. Выступаючы як “статыстычная тэндэнцыя, што дапускае выключэнні” [26, c.417], узрастанне энтрапіі, г. зн. малекулярнага беспарадку, даводзіў фізік, зусім не азначае фатальна неабходнага і татальнага канца свету. У ім заўжды застанецца магчымасць флуктуацый, адхіленняў да менш імаверных станаў [26, c.418]. Падыход Больцмана не выглядаў у дадзеным выпадку ў вачах навуковай супольнасці абсалютна пераканаўчым, выклікаў пярэчанні і стымуляваў далейшае абмеркаванне адпаведных пытанняў. І з гэтага боку, і ва ўсіх іншых адносінах ён заслугоўвае, аднак, высокай ацэнкі, якая ў шмат якіх выпадках і даецца яму ў навуковай літаратуры [26, c.418].

Неабходна адзначыць, што ўлучаная ў кантэкст статыстычнай механікі класічная тэрмадынаміка зусім не ўспрымаецца як антытэза механістычнаму навуковаму светабачанню, пра што даводзілі І.Прыгожын і І.Стэнгерс. Зусім наадварот, бо кінетычная тэорыя матэрыі і адпаведная ёй малекулярна-кінетычная інтэрпрэтацыя тэрмадынамічных уяўленняў выглядае паспяховым увасабленнем механічных прынцыпаў у тлумачэнні прыродных з’яў (напрыклад, броўнаўскага руху, што звычайна разглядаецца як яскравае яе эмпірычнае пацвярджэнне [30, c.63; 17, с.12]).

Праўда, пэўны дысананс у яе ўзаемадачыненнях з класічнай механікай, якая засяроджвалася на адназначных і пэўных прычынна-выніковых сувязях у прыродзе, стварала актыўнае ўжыванне ў яе абсягу статыстычнага апісання прыродных працэсаў. Тым не менш у фізікаў дадзены момант не выклікаў такіх змрочных адчуванняў, як статыстычная метадалогія квантавай механікі, ў абсягу якой у асноўным прабіла сабе дарогу ўяўленне пра прынцыповую немагчымасць іншага падыходу да апісання падзей, што адбываюцца ў мікрасвеце, звязаную з прынцыповай няпэўнасцю гэтых падзей. У адрозненне ад яе класічная статыстычная фізіка не ставіла пад пытанне адназначны характар законаў, што кіруюць прыроднымі з’явамі і працэсамі.

Дата добавления: 2014-10-31