Основные следствия термодинамики XIX в

Основные положения термодинамики Клаузиуса были теоретически обоснованы. Дж. Максвелл доказал с учетом кинетической энергии молекул идеального газа, что из равновесного состояния идеального газа невозможен выход в упорядоченную систему за счет энергии равновесного состояния. Это мог

бы сделать, как полагал Максвелл, демон, который бы сортировал молекулы газа относительно величины их скорости. С большей скоростью — в одну часть сосуда, а с меньшей — в другую.

Австрийский физик, основатель статической физики Л. Больцман (1864—1906) сформулировал закон, аналогичный доказательству Максвелла для идеального газа, но уже с учетом потенциальной энергии молекул газа.

Закон Л. Больцмана утверждал, что в равновесном состоянии идеального газа

происходит выравнивание значений величин плотности, температуры, скоростей

молекул, их энергии за счет возникновения внутренних термодинамических процессов переноса энергии (теплопроводность, диффузия и внутреннее трение).

Л. Больцману принадлежит вероятностная трактовка понятия энтропии: любая термодинамическая система является реализацией наиболее вероятной группировки составляющих ее элементов. Система может быть составлена различным образом из своих элементов, но реализуется составление с максимальной вероятностью.

В 1878 г. он предложил формулу для вычисления энтропии термодинамической системы: S = k (ln W), где W — термодинамическая вероятность (вероятность осуществления термодинамической системы из всех возможных состояний ее элементов), k — постоянная Больцмана (K = R/N A, где R

— газовая постоянная, равная 8,314 Дж/моль • градус; N A — число Авогадро, равное 6,024 • 1023 моль-1), ln — десятичный логарифм. Моль — это количество вещества, содержащего столько же структурных единиц (атомы, молекулы, электроны и т. п.), сколько содержится в 0,0012 кг изотопа углерода С12.

В формуле энтропии Л. Больцмана утверждается, что в любой замкнутой термодинамической системе наиболее вероятным из всех возможных составлений этой системы из ее элементов явля-

ется состояние с максимальной энтропией и что для уменьшения изменения энтропии в сторону ее роста необходима концентрация энергии, препятствующая этому росту.

Выводы классической термодинамики удивили ученых своим противоречием законам классической механики. Согласно классической механике в замкнутой механической системе все механические движения обратимы и движение является вечным. В то же время в изолированной, замкнутой термодинамической системе термодинамические процессы необратимы, поскольку растет энтропия системы. Иначе говоря, система переходит в состояние, из которого она произвольно выйти, без внешнего вмешательства, не может.

2.3.6. «Тепловая смерть» Вселенной

Немецкий астроном Г. Ольберс (1758—1840) сформулировал загадочный вопрос: почему звездное небо выглядит темным при бесконечно огромном скоплении звезд на небе? На современном уровне этот вопрос формулируется таким образом: какова природа несветящейся материи, темноты, окружающей звезды, галактики, и каков предел ее распространения?

У. Кельвин высказал предположение, что правильный ответ на этот вопрос зависит от того, является ли Вселенная бесконечной или конечной в пространстве. Второй закон термодинамики устанавливает направление изменения от упорядоченной системы к системе менее упорядоченной. Поэтому У. Кельвин высказал мысль, что со временем Земля не будет пригодной для жизни. Энтропия,

ее рост, является как бы стрелой времени. В обобщенном виде, согласно Кельвину, Вселенная погибнет или горячей смертью, если ее радиус в пространстве конечен (тепло всех звезд нагреет все космическое пространство), или холодной смертью, если энергия Вселенной будет рассеяна по ее безграничному пространству. Обсуждение этого вопроса общественностью конца XIX в. сделало известной точку зрения римского папы (Пий XII): физика доказывает конец тленного мира, предсказанного Библией.

В свою очередь Л. Больцман высказал идею флуктуационной гипотезы Вселенной. Термин «флуктуация» при переводе с латинского означает колебание, отклонение от средней величины. Л. Больцман полагал, что приблизительно каждые 70 млн земных лет во Вселенной происходят самопроизвольно возникающие термодинамические процессы, которые препятствуют росту энтро-

пии в отдельных местах Вселенной, поэтому ей не угрожает ни холодная, ни

горячая смерть.

Немецкий физик Вальтер Нернст (1864—1941) сформулировал в 1906 г.

теорему, которая получила название третьего закона термодинамики.

При стремлении температуры к абсолютному нулю все изменения состояния термодинамической системы не изменяют ее энтропию. Другая формулировка: при помощи конечной последовательности термодинамических процессов нельзя достичь температуры, равной абсолютному нулю.

Теорема Нернста интересна своим космологическим следствием: существует

ли во Вселенной механизм, который препятствует переходу энергии на такой структурный уровень, который делает невозможной энергетическую эволюцию Вселенной. Эта проблема является актуальной и в настоящее время для современных моделей эволюции Вселенной. С учетом теоремы Нернста об энтропии сегодня говорят как о критерии различения открытых и закрытых термодинамических систем, а также как о критерии различения обратимых и необратимых термодинамических процессов. Как уже отмечалось выше, в любой замкнутой механической системе все физические процессы обратимы: «маятник Фуко», однажды запущенный, должен качаться вечно. В замкнутой термодинамической системе дело обстоит иначе: рост энтропии приводит в ней к необратимым процессам. Замкнутые системы не являются, грубо говоря, идеализированными объектами. Например, чтобы выйти в космос, необходимо изолировать космонавта от воздействий на него космического пространства.

Открытые системы обмениваются энергией, веществом и информацией с окружающей средой. В открытых системах незначительное поступление энергии извне может увеличиваться за счет внутренней энергии системы, что невозможно

в закрытых, изолированных системах, как это требует второй закон термодинамики. Применение законов классической термодинамики к живой природе показало, что эти термодинамические системы имеют специфический механизм собственного воспроизводства, развития во времени. Например, у человека имеется иммунная система весом приблизительно в 1,5 кг, которая является системой защиты организма от неблагоприятных воздействий окружающей среды. В 1884 г. французский физик, химик, металловед Анри Луи Шаталье сформулировал закон или принцип: воздействие, выводящее

систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия. Этот закон называют принципом Шаталье. Данный принцип используется при исследовании живых систем.

ВЫВОДЫ

1. В этой теории делается попытка придать физический смысл понятию времени на основе понятия энтропии.

2. Данная теория основывается на принципе классического детерминизма. В ней вероятностная форма предсказания поведения элементов термодинамической системы

объясняется большим их числом, а не свойственным им физическим качеством.

3. Эта теория является феноменологической, в ней не учитывается строение элементов термодинамических систем.

4. Данная теория сыграла значительную роль в изучении процессов энергообмена в живых системах.

5. Космологические следствия этой теории убеждали ученых в необходимости

изучения атомов, из которых состоит вещество.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ И СЕМИНАРОВ

1. Термодинамические системы и их отличие от механических систем.

2. Законы классической термодинамики.

3. Энтропия и негэнтропия.

4. Концепция холодной и горячей смерти Вселенной.

5. Принцип Анри Луи Шаталье.

Раздел 3. КОНЦЕПЦИИ НЕКЛАССИЧЕСКОЙ НАУКИ

Глава 3.1. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ Основные понятия: время и пространство, масса и энергия, релятивистская механика, неевклидова геометрия,

неклассическая наука

Дата добавления: 2014-11-29