Мировоззренческое значение и границы применимости

классической термодинамики

Термодинамикой был сделан первый шаг на пути установления направления протекания процессов в природе, на пути описания эволюции - движения в одном направлении. Согласно второму началу термодинамики, процессы в замкнутых системах идут в сторону возрастания энтропии. То есть изолированная система переходит из менее вероятного в более вероятное - равновесное - состояние.

В термодинамике установлен критерий эволюции изолированных систем. Абсолютно ли понятие изолированности? Иными словами, если систему в данный момент можно считать изолированной, значит ли это, что ее всегда было и будет возможно рассматривать как изолированную? Например, температура воды в исправном бытовом термосе в течение получаса не изменяется, то есть теплообменом со средой вполне можно пренебречь, а систему считать изолированной. Однако, наблюдение за температурой в течение нескольких часов покажет значительное изменение температуры воды, а значит невозможность рассмотрения данной системы в качестве изолированной. Аналогично, любая реальная система, пусть слабо, но взаимодействует с окружением и существует время t установления равновесия системы с окружающей средой. При изучении термодинамической системы в течение промежутка времени Dt много меньшего времени установления равновесия системы с окружением система может считаться изолированной. Когда время наблюдения сравнимо со временем установления равновесия, систему никак нельзя принять за изолированную. Термодинамические закономерности, описывающие поведение изолированных систем, правомерно использовать после установления равновесия с окружением, когда изучаемая система находится в равновесии с окружающей средой.

Итак, понятие изолированности, как и возможность или невозможность применения термодинамических законов, нельзя установить без ограничения времени наблюдения за системой. Единственным кандидатом на роль системы, которую всегда можно считать изолированной является Вселенная. Применение второго начала ко Вселенной приводит к выводу о тепловой смерти Вселенной, как отмечалось на прошлой лекции.

Сейчас вопрос о происхождении структур во вселенной будет рассмотрен более подробно. Известно, что параметры состояния системы, находящейся в равновесном состоянии, флуктуируют, то есть случайным образом увеличиваются и уменьшаются относительно среднего значения. Таким образом, уменьшение энтропии, сопровождающее образование структур, может наблюдаться и в изолированной системе в связи с флуктуациями. Этот путь объяснения образования структур во Вселенной был избран Больцманом. Во Вселенной могут возникать гигантские во времени и в пространстве флуктуации. Мы живем в пространстве и во время одной из таких флуктуаций. Однако, такое объяснение на устраивало многих, в том числе самого Больцмана, стремившегося, подобно Дарвину, создать эволюционную картину мира.

Действительно, приведенный выше сценарий структурирования Вселенной не выдерживает критики. В статистической физике доказано, что относительная флуктуация обратно пропорциональна квадратному корню из числа элементов системы:

. (5.10.1)

Число элементов в системе “Вселенная” огромно, следовательно, относительные флуктуации малы и не могут служить механизмом возникновения структур. Итак, происхождение упорядоченности во Вселенной остается неясным.

Рассматривая Вселенную как изолированную систему, можно вычислить максимальное значение энтропии, соответствующее состоянию тепловой смерти:

. (5.10.2)

На этом пути встречается непреодолимая трудность. Число элементов во Веленной бесконечно, значит, любое макросостояние может быть реализовано бесконечным числом микросостояний, то есть для любого микросостояния . Следовательно, вычисляемое значение энтропии Вселенной, в любом ее состоянии, равно бесконечности. Одну бесконечность от другой отличить невозможно. Таким образом, получено ограничение на системы, к которым можно применить второе начало термодинамики: число микросостояний такой системы должно быть счетным, что возможно лишь тогда, когда система ограничена.

Вывод неутешителен. Критерий эволюции Вселенной потерян, она, согласно классической термодинамике, рассматриваемой до сих пор, не стремится ни к какому состоянию. Но является ли Вселенная термодинамической системой? Ее энергия не пропорциональна объему, из-за дальнодействия гравитационного взаимодействия, играющего существенную роль во Вселенной. Итак, отыскание критерия эволюции Вселенной в рамках классической термодинамики невозможно. Ответить на вопрос о происхождении структур во Вселенной позволяют неравновесная нелинейная термодинамика, квантовая теория излучения и общая теория относительности.

Дата добавления: 2014-01-07