Второе начало термодинамики и его различные формулировки. Второй закон термодинамики

На иллюстрации слева: протест христианских консерваторов против второго начала термодинамики. Надписи на плакатах: перечёркнутое слово «энтропия»; «Я не принимаю основных догматов науки и голосую».

ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ И ВОПРОСЫ СОТВОРЕНИЯ

В начале 2000-х годов группа христиан-консерваторов собралась на лестнице Капитолия (штат Канзас, США), чтобы потребовать отмены фундаментального научного принципа – второго начала термодинамики (см. фото слева). Причиной тому послужила их убеждённость в том, что этот физический закон противоречит их вере в Творца, так как предсказывает тепловую смерть Вселенной. Пикетчики заявили, что они не хотят жить в мире, идущем к такому будущему, и учить этому своих детей. Возглавлял кампанию против второго начала термодинамики не кто иной, как сенатор штата Канзас, который считает, что этот закон «угрожает пониманию нашими детьми Вселенной как мира, сотворенного благосклонным и любящим Богом».

Парадоксально, но в тех же самых США другое христианское направление – креационисты, во главе с Дуэйном Гишем, президентом Института креационных исследований – наоборот, не только считают второе начало термодинамики научным, но и рьяно апеллируют к нему, чтобы доказать, что мир был сотворён Богом. Один из их главных аргументов – жизнь не могла возникнуть самопроизвольно, поскольку всё вокруг склонно к самопроизвольному разрушению, а не созиданию.

Ввиду такого яркого противоречия между этими двумя христианскими направлениями возникает закономерный вопрос – кто же из них прав? И прав ли кто-то вообще?

В этой статье мы рассмотрим, где можно, а где нельзя применять второе начало термодинамики и как оно связано с вопросами веры в Творца.

Термодинамика – это раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. Оно базируется на нескольких основополагающих принципах, называемых началами (иногда – законами) термодинамики. Среди них наиболее известно, наверное, второе начало.

Второе начало термодинамики, помимо приведённой выше, имеет и другие формулировки. Вокруг одной из них и вращаются все упомянутые нами споры о сотворении. Эта формулировка связана с понятием энтропии, с которым нам придётся познакомиться.

Энтропия (по одному из определений) – это показатель неупорядоченности, или хаотичности, системы. Говоря простым языком, чем больший хаос царит в системе, тем выше её энтропия. Для термодинамических систем энтропия тем выше, чем более хаотично движение материальных частиц, составляющих систему (например, молекул).

Со временем учёным стало понятно, что энтропия – понятие более широкое и может применяться не только к термодинамическим системам. В общем-то, любая система имеет определённую долю хаоса, которая может изменяться – увеличиваться или уменьшаться. В таком случае уместно говорить и об энтропии. Приведём примеры:

· Стакан воды. Если вода замёрзла и превратилась в лёд, то её молекулы связаны в кристаллическую решётку. Это соответствует большему порядку (меньшей энтропии), чем состояние, когда вода растаяла и молекулы движутся произвольно. Однако, растаяв, вода всё же сохраняет некоторую форму – стакана, в котором она находится. Если же воду испарить, молекулы движутся ещё интенсивнее и занимают весь предоставленный им объём, двигаясь ещё более хаотично. Таким образом, энтропия возрастает ещё сильнее.

· Солнечная система. В ней тоже можно наблюдать и порядок, и беспорядок. Планеты движутся по своим орбитам с такой точностью, что их положение в любой момент времени астрономы могут предсказать на тысячелетия вперёд. Однако в солнечной системе есть несколько поясов астероидов, которые движутся более хаотично – сталкиваются, разбиваются, иногда падают на другие планеты. По предположениям космологов, первоначально вся солнечная система (кроме самого Солнца) была наполнена такими астероидами, из которых потом образовались твёрдые планеты, и двигались эти астероиды ещё более хаотично, чем сейчас. Если это верно, то энтропия солнечной системы (кроме самого Солнца) первоначально была выше.

· Галактика. Галактика состоит из звёзд, двигающихся вокруг её центра. Но и здесь присутствует определённая доля беспорядка: звёзды иногда сталкиваются, меняют направление движения, и из-за взаимного влияния их орбиты неидеальны, меняются в несколько хаотичном порядке. Так что и в этой системе энтропия не равна нулю.

· Детская комната. Тем, у кого есть маленькие дети, возрастание энтропии достаточно часто приходится наблюдать собственными глазами. После того как они сделали уборку, в квартире царит относительный порядок. Однако достаточно нескольких часов (а иногда и меньше) пребывания там одного-двух деток в состоянии бодрствования, чтобы энтропия этой квартиры существенно возросла...

Если последний пример заставил Вас улыбнуться, то, скорее всего, Вы поняли, что такое энтропия.

Возвращаясь ко второму началу термодинамики, вспомним, что, как мы сказали, у него есть ещё одна формулировка, которая связана с понятием энтропии. Она звучит так: в изолированной системе энтропия не может убывать . Другими словами, в любой системе, полностью отрезанной от окружающего мира, беспорядок не может самопроизвольно уменьшаться: он может только возрастать или, в крайнем случае, оставаться на прежнем уровне.

Если положить в тёплую запертую комнату кубик льда, то он через какое-то время растает. Однако образовавшаяся лужица воды этой комнате никогда сама не прерватится обратно в кубик льда. Откройте там же флакончик с духами, и запах распространится по комнате. Но ничто не заставит его вернуться обратно во флакон. Зажгите там свечу, и она сгорит, но ничто не заставит дым снова превратиться в свечу. Всем этим процессам свойственна направленность и необратимость. Причина такой необратимости процессов, происходящих не только в этой комнате, но и во всей Вселенной, как раз и кроется во втором начале термодинамики.

Однако этот закон при всей его кажущейся простоте является одним из самых трудных и часто неверно понимаемых законов классической физики. Дело в том, что в его формулировке есть одно слово, которому иногда уделяется недостаточно внимания – это слово «изолированной». Согласно второму началу термодинамики, энтропия (хаос) не может убывать только в изолированных системах. Это закон. Однако в других системах это уже не является законом, и энтропия в них может как возрастать, так и убывать.

Что такое изолированная система? Давайте рассмотрим, какие типы систем с точки зрения термодинамики вообще существуют:

· Открытые. Это системы, которые обмениваются веществом (а также, возможно, и энергией) с окружающим миром. Пример: автомобиль (потребляет бензин, воздух, выделяет тепло).

· Закрытые. Это системы, которые не обмениваются веществом с окружающим миром, однако могут обмениваться с ним энергией. Пример: космический корабль (герметичен, но поглощает солнечную энергию с помощью солнечных батарей).

· Изолированные (замкнутые). Это системы, которые не обмениваются с окружающим миром ни веществом, ни энергией. Пример: термос (герметичен и сохраняет тепло).

Как мы отметили, второе начало термодинамики применимо только к третьему из перечисленных типов систем.

Для иллюстрации вспомним систему, состоящую из запертой тёплой комнаты и кусочка льда, который, находясь в ней, растаял. В идеальном случае это соответствовало изолированной системе, и её энтропия при этом возросла. Однако теперь представим, что на дворе сильный мороз, а мы открыли окно. Система стала открытой: в комнату стал поступать холодный воздух, температура в комнате опустилась ниже нуля, и наш кусочек льда, ранее превратившийся в лужицу, снова замёрз.

В реальной жизни и запертая комната не является изолированной системой, ведь на самом деле стёкла и даже кирпичи пропускают тепло. А теплота, как мы отметили выше, – это тоже форма энергии. Поэтому запертая комната на самом деле является не изолированной, а закрытой системой. Даже если мы плотно закупорим все окна и двери, тепло всё равно постепенно будет уходить из комнаты, она промёрзнет и наша лужица также превратится в лёд.

Другой похожий пример – комната с морозильником. Пока морозильник выключен, его температура равна температуре комнаты. Но стоит включить его в сеть, как он начнёт охлаждаться, и энтропия системы начнёт убывать. Это становится возможным, поскольку такая система стала закрытой, то есть потребляет энергию из окружающей среды (в данном случае электрическую).

Примечательно, что в первом случае (комната с кусочком льда) система отдавала энергию в окружающую среду, а во втором (комната с морозильником) – наоборот, получала. Однако энтропия обеих систем уменьшалась. Это означает, что для того чтобы второе начало термодинамики перестало действовать как непреложный закон, в общем случае важно не направление передачи энергии, а наличие самого факта такой передачи между системой и окружающим миром.

ПРИМЕРЫ УБЫВАНИЯ ЭНТРОПИИ В НЕЖИВОЙ ПРИРОДЕ. Рассмотренные выше примеры систем были созданы человеком. А присутствуют ли примеры убывания энтропии в неживой природе, без участия разума? Да, сколько угодно.

Если проявить смекалку и потратить немного времени, можно вспомнить и записать тысячи подобных примеров. Важно отметить, что во многих перечисленных случаях уменьшение энтропии является не единичной случайностью, а закономерностью – склонность к нему заложена в самом построении таких систем. Поэтому оно происходит каждый раз, когда возникают подходящие условия, и может продолжаться очень долго – всё то время, пока эти условия существуют. Все эти примеры не требуют ни наличия сложных механизмов, уменьшающих энтропию, ни вмешательства разума.

Конечно, если система не является изолированной, то совсем не обязательно, чтобы энтропия в ней уменьшалась. Скорее наоборот – самопроизвольно чаще происходит именно увеличение энтропии, то есть возрастание хаоса. Во всяком случае, мы привыкли к тому, что любая вещь, оставленная без присмотра или ухода, как правило, портится и приходит в негодность, а не улучшается. Можно даже сказать, что это есть некое фундаментальное свойство материального мира – стремление к самопроизвольной деградации, общая тенденция к возрастанию энтропии.

Тем не менее, в данном подзаголовке было показано, что эта общая тенденция является законом только в изолированных системах. В других системах возрастание энтропии не является законом – всё зависит от свойств конкретной системы и условий, в которых она находится. Второе начало термодинамики к ним нельзя применять по определению. Даже если в какой-то из открытых или закрытых систем энтропия увеличивается, то это является не выполнением второго закона термодинамики, а всего лишь проявлением общей тенденции к возрастанию энтропии, свойственной материальному миру в целом, но далеко не абсолютной.

Когда восторженный наблюдатель смотрит на звёздное небо, равно как и когда опытный астроном смотрит на него через телескоп, они оба могут наблюдать не только его красоту, но и удивительный порядок, царящий в этом макромире.

Можно ли, однако, использовать этот порядок, чтобы доказать, что Вселенную создал Бог? Было бы правильно использовать такую линию рассуждений: раз Вселенная не пришла в хаос в соответствии со вторым началом термодинамики, то это доказывает, что ей управляет Бог?

Возможно, Вы привыкли думать, что да. Но на самом деле, вопреки распространённому представлению, – нет. Точнее, в связи с этим можно и нужно использовать несколько иные доказательства, но не второе начало термодинамики.

Во-первых , пока не доказано, что Вселенная является изолированной системой. Хотя, конечно, не доказано и обратного, тем не менее, однозначно утверждать, что к ней в целом вообще можно применять второй закон термодинамики, пока нельзя.

Но, допустим, изолированность Вселенной как системы в будущем будет доказана (это вполне возможно). Что тогда?

Во-вторых , второе начало термодинамики не говорит, что именно будет царить в той или иной системе – порядок или хаос. Второе начало говорит, в какую сторону этот порядок или беспорядок будет изменяться – в изолированной системе хаос будет увеличиваться. А в какую сторону изменяется порядок во Вселенной? Если говорить о Вселенной в целом, то в ней возрастает хаос (равно как и энтропия). Здесь важно не путать Вселенную с отдельными звёздами, галактиками или их скоплениями. Отдельные галактики (подобные нашему Млечному пути) могут быть очень устойчивыми структурами и, как кажется, совершенно не деградировать в течение многих миллионов лет. Но они не являются изолированными системами: они постоянно излучают энергию (например, свет и тепло) в окружающее пространство. Звёзды выгорают и постоянно испускают материю («солнечный ветер») в межзвёздное пространство. Благодаря этому во Вселенной происходит непрерывный процесс преобразования структурированной материи звёзд и галактик в хаотично рассеянную энергию и газ. А что это, как не увеличение энтропии?

Эти процессы деградации, конечно, происходят с очень малой скоростью, поэтому мы, как кажется, не ощущаем их. Но если бы нам удалось наблюдать их в очень сильно ускоренном темпе – скажем, в триллион раз быстрее, то у нас на глазах разворачивалась бы очень драматичная картина рождения и гибели звёзд. Стоит помнить, что первое поколение звёзд, существовавших с момента возникновения Вселенной, уже погибло. Как считают космологи, наша планета состоит из остатков существования и взрыва когда-то выгоревшей звезды; в результате таких взрывов образуются все тяжёлые химические элементы.

Поэтому, если считать Вселенную изолированной системой, то второе начало термодинамики в ней в целом выполняется, как в прошлом, так и сегодня. Это – один из законов, установленный Богом, и поэтому он работает во Вселенной также, как и другие физические законы.

Несмотря на сказанное выше, во Вселенной много удивительного, связанного с царящим в ней порядком, только обусловлено оно не вторым началом термодинамики, а иными причинами.

Так, в журнале «Ньюсуик» (выпуск от 09.11.98) рассматривалось, к каким выводам приводят нас открытия относительно создания Вселенной. Там говорилось, что факты «свидетельствуют о происхождении энергии и движения ex nihilo, то есть из ничего, путём колоссального взрыва света и энергии, что скорее соответствует описанию [библейской книги] Бытие». Обратите внимание, чем в журнале «Ньюсуик» объяснялось сходство рождения Вселенной с библейским описанием этого события.

Этот журнал пишет: «Высвободившиеся силы были – и остаются – удивительно (чудесно?) уравновешенны: если бы Большой взрыв был чуть менее сильным, расширение Вселенной шло бы медленнее, и вскоре (через несколько миллионов лет или через несколько минут – в любом случае вскоре) пошёл бы обратный процесс и наступил бы коллапс. Если бы взрыв был бы чуть сильнее, Вселенная могла бы превратиться в слишком разреженный "жидкий бульон" и образование звёзд было бы невозможно. Шансы на наше существование были буквально астрономически малы. Соотношение материи и энергии к объёму пространства при Большом взрыве должно было оставаться в рамках одной квадриллионной одного процента от идеального соотношения».

«Ньюсуик» выдвинул предположение, что существовал Некто, управляющий созданием Вселенной, кто знал: «убери хотя бы одну степень (как упоминалось выше, допущенной погрешностью была одна квадриллионная одного процента),... и в результате возникла бы не просто дисгармония, а вечная энтропия и лёд».

Астрофизик Алан Лайтман признал: «То, что Вселенная была создана настолько высокоорганизованной, – загадка [для учёных]». Он добавил, что «любой космологической теории, которая претендует на успех, придётся в конце концов объяснить эту загадку энтропии»: почему Вселенная не пришла в хаос. Очевидно, что столь низкая вероятность правильного развития событий не могла быть случайностью. (Цитируется по «Пробудитесь!», выпуск от 22.06.99, стр. 7.)

Как отмечалось выше, в кругу креационистов популярны теории о том, что второе начало термодинамики доказывает невозможность самопроизвольного возникновения жизни из неживой материи. Ещё в конце 1970-х – начале 1980-х годов Институт креационных исследований издал книгу на эту тему и даже пытался вести переписку с Академией наук СССР по данному вопросу (переписка успехом не увенчалась).

Тем не менее, как мы увидели выше, второе начало термодинамики действует только в изолированных системах. Однако Земля не является изолированной системой, так как постоянно получает энергию от Солнца и, наоборот, отдаёт её в космос. А живой организм (даже, например, живая клетка), помимо этого, обменивается с окружающей средой и веществом. Поэтому второе начало термодинамики неприменимо к этому вопросу по определению.

Выше также упоминалось, что материальному миру присуща некая общая тенденция к возрастанию энтропии, из-за которой вещи чаще разрушаются и приходят в хаос, чем созидаются. Однако, как мы отметили, она не является законом. Более того, если оторваться от привычного нам макромира и погрузиться в микромир – мир атомов и молекул (а именно с него, как предполагается, и началась жизнь), то мы увидим, что обратить процессы возрастания энтропии вспять в нём значительно проще. Порой в нём бывает достаточно одного слепого, неуправляемого воздействия, чтобы энтропия системы начала убывать. Наша планета, безусловно, полна примерами таких воздействий: солнечная радиация в атмосфере, вулканическое тепло на дне океана, ветер на поверхности земли и так далее. А в результате них многие процессы текут уже в противоположном, «невыгодном» для них направлении, либо «выгодным» для них становится противоположное направление (примеры смотрите выше в подзаголовке «Примеры убывания энтропии в неживой природе»). Поэтому даже нашу общую тенденцию к возрастанию энтропии нельзя применять к возникновению жизни как некое абсолютное правило: слишком уж много из него исключений.

Конечно, сказанное не означает, что раз второе начало термодинамики не запрещает самозарождение жизни, то жизнь могла зародиться сама собой. Есть много других вещей, которые делают такой процесс невозможным или крайне маловероятным, однако они уже не связаны с термодинамикой и её вторым законом.

Например, учёным в искусственных условиях удалось, имитируя предполагаемые условия первичной атмосферы Земли, получить несколько видов аминокислот. Аминокислоты являются своего рода строительными кирпичиками жизни: в живых организмах из них строятся протеины (белки). Однако необходимые для жизни белки состоят из сотен, а порой из тысяч аминокислот, соединённых в строгой последовательности и уложенных особым образом в специальную форму (см. рисунок справа). Если соединять аминокислоты в случайном порядке, то вероятность создания только одного сравнительно простого функционального белка будет ничтожно мала – настолько мала, что это событие никогда не произойдёт. Допускать их случайное возникновение – это примерно то же самое, что, найдя в горах несколько похожих на кирпичи камней, утверждать, что каменный дом, стоящий неподалёку, образовался из таких же камней случайным образом под действием естественных процессов.

С другой стороны, для существования жизни одних белков тоже недостаточно: требуются не менее сложные молекулы ДНК и РНК, случайное возникновение которых также невероятно. ДНК, по сути, представляет собой гигантское хранилище структурированной информации, которая требуется для производства протеинов. Её обслуживает целый комплекс протеинов и РНК, копирующий и корректирующий эту информацию и использующий её «в производственных целях». Всё это – единая система, компоненты которой по отдельности не имеют никакого смысла, и ни один из которых из неё нельзя удалить. Стоит только начать глубже вникать в устройство этой системы и в принципы её работы, чтобы понять, что над её созданием потрудился Гениальный Конструктор.

А совместимо ли второе начало термодинамики с верой в Творца вообще? Не просто с тем, что он существует, а с тем, что он создал Вселенную и жизнь на Земле (Бытие 1:1–27; Откровение 4:11) ; что он обещал, что Земля будет существовать вечно (Псалом 103:5 ) , а, значит, вечным будет и Солнце, и Вселенная в том или ином виде; что люди будут вечно жить в раю на земле и никогда не будут умирать (Псалом 36:29 ; Матфея 25:46; Откровение 21:3, 4) ?

Можно смело сказать, что вера во второе начало термодинамики полностью совместима с верой в Творца и его обещания. А причина тому кроется в формулировке самого этого закона: «в изолированной системе энтропия не может убывать». Любая изолированная система остаётся изолированной только до тех пор, пока в её работу никто не вмешивается, в том числе и Творец. Но как только он вмешается и направит на неё часть своей неисчерпаемой силы, система перестанет быть изолированной, и второе начало термодинамики прекратит своё действие в ней. То же можно сказать и о более общей тенденции к возрастанию энтропии, о которой мы говорили выше. Да, очевидно, что практически всё существующее вокруг нас – от атомов до Вселенной – имеет склонность к разрушению и деградации со временем. Но Творец имеет необходимые силу и мудрость, чтобы остановить любые процессы деградации и даже обратить их вспять, когда сочтёт это нужным.

Какие процессы обычно представляются людьми как делающие невозможной вечную жизнь?

· Через несколько миллиардов лет Солнце потухнет. Это случилось бы, если бы Творец никогда не стал вмешиваться в его работу. Однако он является Творцом Вселенной и обладает колоссальной энергией, достаточной, чтобы поддерживать горение Солнца вечно. Например, он может, затратив энергию, обратить в противоположную сторону ядерные реакции, идущие на Солнце, как бы заправив его топливом ещё на несколько миллиардов лет, а также восполнить объёмы вещества, которые Солнце теряет в виде солнечного ветра.

· Рано или поздно Земля столкнётся с астероидом или чёрной дырой. Как бы ни была мала вероятность этого, она существует, а, значит, на протяжении вечности она обязательно воплотилась бы в реальность. Однако Бог может, применив свою силу, заблаговременно защитить Землю от любого вреда, попросту не дав таким опасным объектам приблизиться к нашей планете.

· Луна улетит от Земли, и земля станет непригодной для жизни. Луна стабилизирует наклон земной оси, благодаря чему климат на ней поддерживается более-менее постоянным. Луна постепенно удаляется от Земли, из-за чего в будущем наклон оси мог бы измениться, а климат стать невыносимым. Но Бог, разумеется, имеет необходимую силу, чтобы не допустить таких губительных изменений и сохранить Луну на её орбите там, где сочтёт нужным.

Нет сомнений, что вещи в материальном мире имеют склонность к старению, деградации и разрушению. Но мы должны помнить, что мир таким создал сам Бог. А, значит, это было частью его замысла. Мир не был предназначен для того, чтобы существовать вечно отдельно от Бога. Наоборот, он был создан, чтобы существовать вечно под управлением Бога . И, поскольку у Бога были и мудрость, и сила, чтобы сотворить мир, у нас нет причин сомневаться, что у него есть те же сила и мудрость, чтобы вечно заботиться о своём творении, держа всё в нём под своим контролем.

Следующие библейские стихи заверяют нас, что Солнце, Луна, Земля и люди будут существовать вечно:
· «Будут бояться тебя, пока существуют солнце и луна – из поколения в поколение » (Псалом 72:5)
· «[Земля] не поколеблется вовеки, вечно » (Псалом 103:5 )
· «Праведные наследуют землю и будут жить на ней вечно » (Псалом 36:29 )

Поэтому ничто не мешает нам одновременно верить во второе начало термодинамики и считать его правильным научным принципом, и в то же время быть глубоко верующими людьми и ждать исполнения всех обещаний Бога, записанных в Библии.

Итак, если Вы – верующий человек, то к какой из религиозных групп, упомянутых в начале статьи, присоединили бы Вы свой голос? К участникам вышеописанной демонстрации христиан-консерваторов, требующих отмены второго начала термодинамики? Или к креационистам, использующим этот закон как доказательство сотворения жизни Богом? Я – ни к кому.

Большинству верующих людей свойственно так или иначе защищать свою веру, и некоторые пользуются для этого данными науки, которая во многом подтверждает существование Творца. Однако нам важно помнить один серьёзный библейский принцип: «мы... во всём хотим вести себя честно» (Евреям 13:18) . Поэтому, конечно, было бы неправильно для доказательства существования Бога использовать какие-либо некорректные аргументы.

Как мы увидели из этой статьи, второе начало термодинамики не может использоваться в качестве доказательства существования Бога, так же как и существование или не существование Бога не доказывает и не опровергает второе начало термодинамики. Второе начало попросту не связано напрямую с вопросом существования Творца, так же как и подавляющее большинство других физических законов (например, закон всемирного тяготения, закон сохранения импульса, закон Архимеда или все остальные начала термодинамики).

Творения Бога предоставляют нам большое число убедительных доказательств, а также косвенных свидетельств существования Творца. Поэтому если какое-то из утверждений, которое мы ранее использовали как доказательство, оказалось некорректным, не стоит бояться от него отказаться, чтобы использовать для защиты твоей веры только честные аргументы.

Второе начало термодинамики связано с именами Н. Карно, В. Томсона (Кельвина), Р. Клаузиуса, Л. Больцмана, В. Нернста.

Второе начало термодинамики вводит в рассмотрение новую функцию состояния – энтропию. Термин «энтропия», предложенный Р. Клаузиусом, образован от греч. entropia и означает «превращение».

Уместно будет привести понятие «энтропия» в формулировке А. Зоммерфельда: «Каждая термодинамическая система обладает функцией состояния, называемой энтропией. Энтропия вычисляется следующим образом. Система переводится из произвольно выбранного начального состояния в соответствующее конечное состояние через последовательность состояний равновесия; вычисляются все проводимые при этом к системе порции тепла dQ, делятся каждая на соответствующую ей абсолютную температуру Т, и все полученные таким образом значения суммируются (первая часть второго начала термодинамики). При реальных (неидеальных) процессах энтропия изолированной системы возрастает (вторая часть второго начала термодинамики)».

Учета и сохранения количества энергии еще недостаточно для того, чтобы судить о возможности того или иного процесса. Энергию следует характеризовать не только количеством, но и качеством. При этом существенно, что энергия определенного качества самопроизвольно может превращаться только в энергию более низкого качества. Величиной, определяющей качество энергии, и является энтропия.

Процессы в живой и неживой материи в целом протекают так, что энтропия в замкнутых изолированных системах возрастает, а качество энергии понижается. В этом и есть смысл второго начала термодинамики.

Если обозначить энтропию через S,то

что и соответствует первой части второго начала по Зоммерфельду.

Можно подставить выражение для энтропии в уравнение первого начала термодинамики:

dU =T × dS – dU.

Эта формула известна в литературе как соотношение Гиббса. Это фундаментальное уравнение объединяет первое и второе начала термодинамики и определяет, по существу, всю равновесную термодинамику.

Второе начало устанавливает определенное направление течения процессов в природе, то есть «стрелу времени».

Наиболее глубоко смысл энтропии вскрывается при статической оценке энтропии. В соответствии с принципом Больцмана энтропия связана с вероятностью состояния системы известным соотношением

S =K × LnW,

где W – термодинамическая вероятность, аК – постоянная Больцмана.

Под термодинамической вероятностью, или статическим весом, понимается число различных распределений частиц по координатам и скоростям, соответствующих данному термодинамическому состоянию. При любом процессе, который протекает в изолированной системе и переводит ее из состояния 1 в состояние 2, изменение ΔW термодинамической вероятности положительно или равно нулю:

ΔW = W 2 – W 1 ≥ 0

В случае обратимого процесса ΔW = 0, то есть термодинамическая вероятность, постоянна. Если происходит необратимый процесс, то ΔW > 0 иW возрастает. Это означает, что необратимый процесс переводит систему из менее вероятного состояния в более вероятное. Второе начало термодинамики является статистическим законом, оно описывает закономерности хаотического движения большого числа частиц, составляющих замкнутую систему, то есть энтропия характеризует меру беспорядочности, хаотичности частиц в системе.

Р. Клаузиус определил второе начало термодинамики так:

Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является передача теплоты от менее нагретого тела к более нагретому (1850).

В связи с этой формулировкой в середине XIX в. была определена проблема так называемой тепловой смерти Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему, Р. Клаузиус, опираясь на второе начало термодинамики, утверждал, что рано или поздно энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума. Переход теплоты от более нагретых тел к менее нагретым приведет к тому, что температура всех тел Вселенной будет одинаковой, наступит полное тепловое равновесие и все процессы во Вселенной прекратятся – наступит тепловая смерть Вселенной.

Ошибочность вывода о тепловой смерти Вселенной заключается в том, что нельзя применять второе начало термодинамики к системе, которая является не замкнутой, а бесконечно развивающей системой. Вселенная расширяется, галактики разбегаются со скоростями, которые нарастают. Вселенная нестационарна.

В основу формулировок второго начала термодинамики положены постулаты, являющиеся результатом многовекового человеческого опыта. Кроме указанного постулата Клаузиуса наибольшую известность получил постулат Томсона (Кельвина), который говорит о невозможности построения вечного теплового двигателя второго рода (perpetuum mobile), то есть двигателя, полностью превращающего теплоту в работу. Согласно этому постулату, из всей теплоты, полученной от источника тепла с высокой температурой – теплоотдатчика, только часть может быть превращена в работу. Остальная часть должна быть отведена в теплоприемник с относительно низкой температурой, то есть для работы теплового двигателя необходимы по крайней мере два тепловых источника различной температуры.

Этим и объясняется причина, по которой нельзя перевести в работу теплоту окружающей нас атмосферы или теплоту морей и океанов при отсутствии таких же масштабных источников теплоты с более низкой температурой.

Второе начало термодинамики

Исторически второе начало термодинамики возникло из анализа работы тепловых машин (С. Карно, 1824). Существует несколько его эквивалентных формулировок. Само название «второе начало термодинамики» и исторически первая его формулировка (1850) принадлежат Р. Клаузиусу.

Первое начало термодинамики, выражая закон сохранения и превращения энергии, не позволяет установить направление протекания термодинамических процессов. Кроме того, можно представить множество процессов, не противоречащих первому началу, в которых энергия сохраняется, а в природе они не осуществляются.

Опыт показывает, что разные виды энергии неравноценны в отношении способности превращаться в другие виды энергии. Механическую энергию можно целиком превратить во внутреннюю энергию любого тела. Для обратных превращений внутренней энергии в другие виды существуют определённые ограничения: запас внутренней энергии, ни при каких условиях, не может превратиться целиком в другие виды энергии. С отмеченными особенностями энергетических превращений связано направление протекания процессов в природе.

Второе начало термодинамики – принцип, устанавливающий необратимость макроскопических процессов, протекающих с конечной скоростью.

В отличие от чисто механических (без трения) или электродинамических (без выделения джоулевой теплоты) обратимых процессов, процессы, связанные с теплообменом при конечной разности температур (т. е. текущие с конечной скоростью), с трением, диффузией газов, расширением газов в пустоту, выделением джоулевой теплоты и т.д., необратимы, т. е. могут самопроизвольно протекать только в одном направлении.

Второе начало термодинамики отражает направленность естественных процессов и налагает ограничения на возможные направления энергетических превращений в макроскопических системах, указывая, какие процессы в природе возможны, а какие – нет.

Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

Формулировки второго закона термодинамики

1). Формулировка Карно : наибольший КПД тепловой машины не зависит от рода рабочего тела и вполне определяется предельными температурами , между которыми машина работает.

2). Формулировка Клаузиуса : невозможен процесс единственным результатом которого является передача энергии в форме теплоты от тела менее нагретого , к телу более нагретому.

Второе начало термодинамики не запрещает переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. Такой переход осуществляется в холодильной машине, но при этом внешние силы осуществляют работу над системой, т.е. этот переход не является единственным результатом процесса.

3). Формулировка Кельвина : невозможен круговой процесс , единственным результатом которого является превращение теплоты , полученной от нагревателя , в эквивалентную ей работу.

На первый взгляд может показаться, что такой формулировке противоречит изотермического расширения идеального газа. Действительно, всё полученное идеальным газом от какого-то тела тепло превращается полностью в работу. Однако получение тепла и превращение его в работу не единственный конечный результат процесса; кроме того, в результате процесса происходит изменение объёма газа.

P.S. : необходимо обратить внимание на слова «единственным результатом»; запреты второго начала снимаются, если процессы, о которых идёт речь, не являются единственными.

4). Формулировка Оствальда : осуществление вечного двигателя второго рода невозможно.

Вечным двигателем второго рода называется периодически действующее устройство , которое совершает работу за счёт охлаждения одного источника теплоты.

Примером такого двигателя мог бы служить судовой двигатель, получающий тепло из моря и использующий его для движения судна. Такой двигатель был бы практически вечным, т.к. запас энергии в окружающей среде практически безграничен.

С точки зрения статистической физики второе начало термодинамики имеет статистический характер: оно справедливо для наиболее вероятного поведения системы. Существование флуктуаций препятствует точному его выполнению, однако вероятность сколь-нибудь значительного нарушения крайне мала.

Энтропия

Понятие «энтропия» введено в науку Р.Клаузиусом в 1862 г. и образовано из двух слов: «эн » - энергия, «тропэ » - превращаю.

Согласно нулевому началу термодинамики изолированная термодинамическая система с течением времени самопроизвольно переходит в состояние термодинамического равновесия и остаётся в нём сколь угодно долго, если внешние условия сохраняются неизменными.

В равновесном состоянии все виды энергии системы переходят в тепловую энергию хаотического движения атомов и молекул, составляющих систему. Никакие макроскопические процессы в такой системе невозможны.

Количественной мерой перехода изолированной системы в равновесное состояние служит энтропия. По мере перехода системы в равновесное состояние её энтропия возрастает и достигает максимума при достижении равновесного состояния.

Энтропия является функцией состояния термодинамической системы, обозначается: .

Теоретическое обоснование : приведённая теплота , энтропия

Из выражения для КПД цикла Карно: следует, что или , где – количество теплоты, отдаваемое рабочим телом холодильнику, принимаем: .

Тогда последнее соотношение можно записать в виде:

Отношение теплоты, полученной телом в изотермическом процессе, к температуре теплоотдающего тела называется приведённым количеством теплоты :

С учётом формулы (2) формулу (1) представим в виде:

т.е. для цикла Карно алгебраическая сумма приведённых количеств теплоты равна нулю.

Приведённое количество теплоты, сообщаемое телу на бесконечно малом участке процесса: .

Приведённое количество теплоты для произвольного участка:

Строгий теоретический анализ показывает, что для любого обратимого кругового процесса сумма приведённых количеств теплоты равна нулю:

Из равенства нулю интеграла (4) следует, что подынтегральная функция есть полный дифференциал некоторой функции, которая определяется только состоянием системы и не зависит от пути, каким система пришла в это состояние:

Однозначная функция состояния , полным дифференциалом которой является ,называется энтропией .

Формула (5) справедлива лишь для обратимых процессов, в случае неравновесных необратимых процессов такое представление несправедливо.

Свойства энтропии

1). Энтропия определяется с точностью до произвольной постоянной. Физический смысл имеет не сама энтропия, а разность энтропий двух состояний:

. (6)

Пример : если система (идеальный газ) совершает равновесный переход из состояния 1 в состояние 2, то изменение энтропии равно:

,

где ; .

т.е. изменение энтропии идеального газа при переходе его из состояния 1 в состояние 2 не зависит от вида процесса перехода.

В общем случае в формуле (6) приращение энтропии не зависит от пути интегрирования.

2).Абсолютное значение энтропии можно установить с помощью третьего начала термодинамики (теоремы Нернста):

Энтропия любого тела стремиться к нулю при стремлении к абсолютному нулю его температуры : .

Таким образом, за начальную точку отсчёта энтропии принимают при .

3). Энтропия величина аддитивная, т.е. энтропия системы из нескольких тел является суммой энтропий каждого тела: .

4). Как и внутренняя энергия, энтропия есть функция параметров термодинамической системы .

5), Процесс, протекающий при постоянной энтропии называетсяизоэнтропийным.

В равновесных процессах без передачи тепла энтропия не меняется.

В частности, изоэнтропийным является обратимый адиабатный процесс: для него ; , т.е. .

6). При постоянном объёме энтропия является монотонно возрастающей функцией внутренней энергии тела.

Действительно, из первого закона термодинамики следует, что при имеем: , тогда . Но температура всегда. Поэтому приращения и имеют один и тот же знак, что и требовалось доказать.

Примеры изменения энтропии в различных процессах

1). При изобарном расширении идеального газа

2). При изохорном расширении идеального газа

3). При изотермическом расширении идеального газа

.

4). При фазовых переходах

Пример : найти изменение энтропии при превращении массы льда при температуре в пар .

Решение

Первый закон термодинамики: .

Из уравнения Менделеева – Клапейрона следует: .

Тогда выражения для первого закона термодинамики примет вид:

.

При переходе из одного агрегатного состояния в другое, общее изменение энтропии складывается из изменений в отдельных процессах:

A). Нагревание льда от температуры до температуры плавления :

,где –удельная теплоёмкость льда.

Б). Плавление льда: ,где – удельная теплота плавления льда.

В). Нагревание воды от температуры до температуры кипения :

, где –удельная теплоёмкость воды.

Г). Испарение воды: ,где –удельная теплота парообразования воды.

Тогда общее изменение энтропии:

Принцип возрастания энтропии

Энтропия замкнутой системы при любых, происходящих в ней процессах не убывает:

или для конечного процесса: , следовательно: .

Знак равенства относится к обратимому процессу, знак неравенства – к необратимому. Последние две формулы – математическое выражение второго закона термодинамики. Таким образом, введение понятия «энтропия» позволило строго математически сформулировать второе начало термодинамики.

Необратимые процессы приводят к установлению равновесного состояния. В этом состоянии энтропия изолированной системы достигает максимума. Никакие макроскопические процессы в такой системе невозможны.

Величина изменения энтропии является качественной характеристикой степени необратимости процесса.

Принцип возрастания энтропии относится к изолированным системам. Если система неизолированная, то её энтропия может и убывать.

Вывод : т.к. все реальные процессы необратимые, то все процессы в замкнутой системе ведут к увеличению её энтропии.

Теоретическое обоснование принципа

Рассмотрим замкнутую систему, состоящую из нагревателя, холодильника, рабочего тела и «потребителя» совершаемой работы (тело, обменивающееся с рабочим телом энергией только в форме работы), совершающую цикл Карно. Это обратимый процесс, изменение энтропии которого равно:

,

где – изменение энтропии рабочего тела; – изменение энтропии нагревателя; – изменение энтропии холодильника; – изменение энтропии «потребителя» работы.

Второе начало термодинамики (второй закон термодинамики) устанавливает существование энтропии как функции состояния термодинамической системы и вводит понятие абсолютной термодинамической температуры , то есть «второе начало представляет собой закон об энтропии» и её свойствах . В изолированной системе энтропия остаётся либо неизменной, либо возрастает (в неравновесных процессах ), достигая максимума при достижении термодинамического равновесия (закон возрастания энтропии ) . Встречающиеся в литературе различные формулировки второго начала термодинамики представляют собой частные выражения общего закона возрастания энтропии .

Второе начало термодинамики позволяет построить рациональную температурную шкалу , не зависящую от произвола в выборе термометрического свойства и способа его измерения .

Вместе первое и второе начала составляют основу феноменологической термодинамики , которую можно рассматривать как развитую систему следствий этих двух начал. При этом из всех допускаемых первым началом процессов в термодинамической системе второе начало позволяет выделить фактически возможные и установить направление протекания самопроизвольных процессов, а также критерии равновесия в термодинамической системах

Энциклопедичный YouTube

1 / 5

✪ Основы теплотехники. Второй закон термодинамики. Энтропия. Теорема Нернста.

✪ ПЕРВЫЙ И ВТОРОЙ ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

✪ Физика. Термодинамика: Первое начало термодинамики. Центр онлайн-обучения «Фоксфорд»

✪ Лекция 5. II закон термодинамики. Энтропия. Химическое равновесие

✪ Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия

Субтитры

История

Второе начало термодинамики возникло как рабочая теория тепловых двигателей, которая устанавливает условия, при которых превращение тепла в работу достигает максимального эффекта. Анализ второго начала термодинамики показывает, что малая величина этого эффекта ─ коэффициента полезного действия (КПД) ─ обуславливается не техническим несовершенством тепловых двигателей, а особенностью теплоты как способа передачи энергии, которая накладывает ограничения на его величину. Впервые теоретические исследования работы тепловых двигателей были проведены французским инженером Сади Карно. Он пришёл к выводу, что КПД тепловых машин не зависит от термодинамического цикла и природы рабочего тела, а целиком определяется в зависимости от внешних источников ─ нагревателя и холодильника. Работа Карно была написана до открытия принципа эквивалентности теплоты и работы и всеобщего признания закона сохранения энергии. Свои выводы Карно основывал на двух противоречивых основаниях: теплородной теории, которая была вскоре отброшена, и гидравлической аналогии. Несколько позднее Р. Клаузиус и В. Томсон- Кельвин согласовали теорему Карно с законом сохранения энергии и заложили основу того, что сейчас составляет содержание второго начала термодинамики.

Для обоснования теоремы Карно и дальнейшего построения второго начала необходимо было ввести новый постулат.

Наиболее распространённые формулировки постулата второго начала термодинамики

Постулат Клаузиуса (1850 г.):

Теплота не может переходить самопроизвольно от более холодного тела к более тёплому .

Постулат Томсона-Кельвина (1852 г.) в формулировке М. Планка:

Невозможно построить периодически действующую машину, вся деятельность которой сводится к поднятию тяжести и к охлаждению теплового резервуара .

Указание на периодичность действия машины является существенным, так как возможен некруговой процесс , единственным результатом которого было бы получение работы за счёт внутренней энергии, полученной от теплового резервуара. Этот процесс не противоречит постулату Томсона – Кельвина, так как процесс некруговой и, следовательно, машина не является периодически действующей. По существу постулат Томсона говорит о невозможности создания вечного двигателя второго рода, который способен непрерывно совершать работу, отбирая тепло от неисчерпаемого источника. Иными словами, невозможно осуществить тепловой двигатель, единственным результатом работы которого было бы превращение тепла в работу без компенсации, то есть без того, чтобы часть тепла была передана другим телам и, таким образом, безвозвратно утрачена для получения работы.

Несложно доказать, что постулаты Клаузиуса и Томсона эквивалентны. Доказательство идет от противного.

Допустим, что не выполняется постулат Клаузиуса. Рассмотрим тепловую машину , рабочее вещество которой за цикл получило от горячего источника количество тепла Q 1 {\displaystyle Q_{1}} , отдало холодному источнику количество тепла и произвело при этом работу . Поскольку, по допущению, постулат Клаузиуса не верен, то можно тепло Q 2 {\displaystyle Q_{2}} вернуть горячему источнику без изменений в окружающей среде. В результате состояние холодного источника не изменилось, горячий источник отдал рабочему веществу количество тепла Q 2 − Q 1 {\displaystyle Q_{2}-Q_{1}} и за счёт этого тепла машина совершила работу A = Q 1 − Q 2 {\displaystyle A=Q_{1}-Q_{2}} , что противоречит постулату Томсона.

Постулаты Клаузиуса и Томсона-Кельвина формулируются как отрицание возможности какого - либо явления, т.е. как постулаты запрещения. Постулаты запрещения совершенно не соответствуют содержанию и современным требованиям, предъявляемым к обоснованию принципа существования энтропии и не вполне удовлетворяют задаче обоснования принципа возрастания энтропии, так как должны содержать указание об определённой направленности наблюдаемых в природе необратимых явлений, а не отрицание возможности противоположного течения их.

• Постулат Планка (1926 г.):

Образование тепла путем трения необратимо.

В постулате Планка, наряду с отрицанием возможности полного превращения тепла в работу, содержится утверждение о возможности полного превращения работы в тепло.

Современная формулировка второго начала классической термодинамики.

Второе начало термодинамики это утверждение о существовании у всякой равновесной системы некоторой функции состояния ─ энтропии и неубывании её при любых процессах в изолированных и адиабатно изолированных системах.

Иными словами, второе начало термодинамики представляет собой объединённый принцип существования и возрастания энтропии .

Принцип существования энтропии есть утверждение второго начала классической термодинамики о существовании некоторой функции состояния тел (термодинамических систем) ─ энтропии S {\displaystyle S} , дифференциал которой является полным дифференциалом d S {\displaystyle dS} , и определяется в обратимых процессах как отношение подведённого извне элементарного количества тепла δ Q обр ∗ {\displaystyle \delta Q_{\text{обр}}^{*}} к абсолютной температуре тела (системы) T {\displaystyle T} :

D S обр = δ Q обр ∗ T {\displaystyle dS_{\text{обр}}={\frac {\delta Q_{\text{обр}}^{*}}{T}}}

Принцип возрастания энтропии есть утверждение второго начала классической термодинамики о неизменном возрастании энтропии изолированных систем во всех реальных процессах изменения их состояния. (В обратимых процессах изменения состояния изолированных систем энтропия их не изменяется).

D S изолир ≥ 0 {\displaystyle dS_{\text{изолир}}\geq 0}

Математическое выражение второго начала классической термодинамики:

D S = δ Q ∗ T ≥ 0 {\displaystyle dS={\frac {\delta Q^{*}}{T}}\geq 0}

Статистическое определение энтропии

В статистической физике энтропия (S) {\displaystyle (S)} термодинамической системы рассматривается как функция вероятности (W) {\displaystyle (W)} её состояния («принцип Больцмана»).

S = k l n W , {\displaystyle S=klnW,}

Где k {\displaystyle k} ─ постоянная Больцмана, W {\displaystyle W} ─ термодинамическая вероятность состояния, которая определяется количеством микросостояний реализующих данное макросостояние.

Методы обоснования второго начала термодинамики.

Метод Р. Клаузиуса

В своём обосновании второго начала Клаузиус исследует круговые процессы двух механически сопряжённых обратимых тепловых машин, использующих в качестве рабочего тела идеальный газ, доказывает теорему Карно выражение КПД обратимого цикла Карно) для идеальных газов η = 1 − T 2 T 1 {\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{2}}{T_{1}}}} , а затем формулирует теорему, называемую интегралом Клаузиуса:

∮ ⁡ δ Q T = 0 {\displaystyle \oint {\frac {\delta Q}{T}}=0}

Из равенства нулю кругового интеграла следует, что его подынтегральное выражение является полным дифференциалом некоторой функции состояния ─ S {\displaystyle S} , а нижеследующее равенство представляет собой математическое выражение принципа существования энтропии для обратимых процессов:

D S = δ Q T {\displaystyle dS={\frac {\delta Q}{T}}}

Далее Клаузиус доказывает неравенство КПД обратимых и необратимых машин и, в конечном счёте, приходит к выводу о неубывании энтропии изолированных систем: В отношении построения второго начала термодинамики по методу Клаузиуса было высказано немало возражений и замечаний. Вот некоторые из них:

1. Построение принципа существования энтропии Клаузиус начинает с выражения КПД обратимого цикла Карно для идеальных газов , а затем распространяет его на все обратимые циклы. Таким образом Клаузиус неявно постулирует возможность существования идеальных газов, подчиняющихся уравнению Клапейрона P v = R T {\displaystyle Pv=RT} и закону Джоуля u = u (t) {\displaystyle u=u(t)} .

2. Обоснование теоремы Карно является ошибочным, так как в схему доказательства внесено лишнее условие ─ более совершенной обратимой машине неизменно приписывается роль теплового двигателя. Однако, если принять, что более совершенной машиной является холодильная, а вместо постулата Клаузиуса принять противоположное утверждение, что тепло не может самопроизвольно переходить от более нагретого тела к более холодному, то теорема Карно тем же самым способом также будет доказана. Таким образом напрашивается вывод, что принцип существования энтропии не зависит от направления протекания самопроизвольных процессов, а постулат необратимости не может быть основанием для доказательства существования энтропии.

3. Постулат Клаузиуса как постулат запрещения не является явным утверждением, характеризующим направление протекания наблюдаемых в природе необратимых явлений, в частности, утверждением о самопроизвольном переходе тепла от более нагретого тела к более холодному, так как выражение ─ не может переходить неэквивалентно выражению переходит .

4. Выводы статфизики о вероятностном характере принципа необратимости и открытие в 1951г. необычных (квантовых) систем с отрицательными абсолютными температурами, в которых самопроизвольный теплообмен имеет противоположное направление, теплота может полностью превращается в работу, а работа не может полностью (без компенсации) перейти в тепло, пошатнули базовые постулаты Клаузиуса, Томсона - Кельвина и Планка, полностью отвергнув одни, и наложив серьёзные ограничения на другие.

Метод Шиллера – Каратеодори

В XX веке благодаря работам Н. Шиллера, К. Каратеодори, Т. Афанасьевой – Эренфест, А. Гухмана и Н.И. Белоконя появилось новое аксиоматическое направление в обосновании второго начала термодинамики. Выяснилось, что принцип существования энтропии может быть обоснован независимо от направления наблюдаемых в природе реальных процессов, т.е. от принципа необратимости, и для определения абсолютной температуры и энтропии не требуется, как заметил Гельмгольц, ни рассмотрения круговых процессов, ни допущения о существовании идеальных газов. В 1909 г. Константин Каратеодори - крупный немецкий математик - опубликовал работу, в которой обосновал принцип существования энтропии не в результате исследования состояний реальных термодинамических систем, а на основе математического рассмотрения выражений обратимого теплообмена как дифференциальных полиномов (форм Пфаффа). Еще ранее, на рубеже веков, к аналогичным построениям пришёл Н.Шиллер, но его работы остались незамеченными, пока на них в 1928 г. не обратила внимания Т. Афанасьева -Эренфест.

Постулат Каратеодори (постулат адиабатической недостижимости).

Вблизи каждого равновесного состояния системы возможны такие её состояния, которые не могут быть достигнуты при помощи обратимого адиабатического процесса.

Теорема Каратеодори утверждает, что если дифференциальный полином Пфаффа обладает тем свойством, что в произвольной близости некоторой точки существуют другие точки, недостижимые посредством последовательных перемещений по пути , то существуют интегрирующие делители этого полинома и уравнения ∑ X i d x i = 0 {\displaystyle \sum X_{i}dx_{i}=0} .

Критически к методу Каратеодори относился М. Планк. Постулат Каратеодори, по его мнению, не относится к числу наглядных и очевидных аксиом: «Содержащиеся в нём высказывание не является общеприменимым к естественным процессам... . Никто ещё и никогда не ставил опытов с целью достижения всех смежных состояний какого-либо определённого состояния адиабатическим путем». Системе Каратеодори Планк противопоставляет свою систему, основанную на постулате: «Образование теплоты посредством трения необратимо», которым по его мнению, исчерпывается содержание второго начала термодинамики. Метод Каратеодори, между тем, получил высокую оценку в работе Т. Афанасьевой -Эренфест «Необратимость, односторонность и второе начало термодинамики» (1928 г.). В своей замечательной статье Афанасьева - Эренфест пришла к ряду важнейших выводов, в частности:

1. Основное содержание второго начала состоит в том, что элементарное количество теплоты δ Q {\displaystyle \delta Q} , которым система обменивается в квазистическом процессе, может быть представлено в виде T d S {\displaystyle TdS} , где T = f (t) {\displaystyle T=f(t)} ─ универсальная функция температуры, называемая абсолютной температурой, а (S) {\displaystyle (S)} ─ функция параметров состояния системы, получившая название энтропии. Очевидно, выражение δ Q = T d S {\displaystyle \delta Q=TdS} имеет смысл принципа существования энтропии .

2. Принципиальное отличие неравновесных процессов от равновесных состоит в том, что в условиях неоднородности температурного поля возможен переход системы к состоянию с другой энтропией без обмена теплотой с окружающей средой. (Этот процесс позднее в трудах Н.И. Белоконя получил название "внутреннего теплообмена" или теплообмена рабочего тела.). Следствием неравновесности процесса в изолированной системе, является его односторонность.

3. Одностороннее изменение энтропии в равной степени мыслимо и как неуклонное её возрастание или как неуклонное убывание. Физические предпосылки – такие как адиабатическая недостижимость и необратимость реальных процессов не выражают никаких требований относительно преимущественного направления течения самопроизвольных процессов.

4. Для согласования полученных выводов с опытными данными для реальных процессов необходимо принять постулат, сфера действия которого определяется границами применимости этих данных. Таким постулатом является принцип возрастания энтропии .

А. Гухман, оценивая работу Каратеодори, считает, что она «отличается формальной логической строгостью и безупречностью в математическом отношении... Вместе с тем в стремлении к наибольшей общности Каратеодори придал своей системе настолько абстрактную и сложную форму, что она оказалась фактически недоступной для большинства физиков того времени». Относительно постулата адиабатической недостижимости Гухман замечает, что как физический принцип он не может быть положен в основу теории, имеющей универсальное значение, так как не обладает свойством самоочевидности. «Всё предельно ясно в отношении простой...системы...Но эта ясность полностью утрачивается в общем случае гетерогенной системы, усложнённой химическими превращениями и испытывающей воздействие внешних полей». Он также говорит и о том, насколько права была Афанасьева - Эренфест, настаивая на необходимости полного отделения проблемы существования энтропии, от всего, что связано с идеей необратимости реальных процессов». Относительно построения основ термодинамики Гухман полагает, что «самостоятельной отдельной проблемы существования энтропии нет. Вопрос сводится к распространению на случай термического взаимодействия круга представлений, разработанных на основе опыта изучения всех других энергетических взаимодействий, и завершающихся установлением единообразного по форме уравнения для элементарного количества воздействия d Q = P d x {\displaystyle dQ=Pdx} Эта экстраполяция подсказывается самим строем идей. Несомненно, имеются достаточные основания принять её в качестве весьма правдоподобной гипотезы и тем самым постулировать существование энтропии .

Н.И. Белоконь в своей монографии «Термодинамика» дал детальный анализ многочисленных попыток обоснования второго начала термодинамики как объединённого принципа существования и возрастания энтропии на основе одного лишь постулата необратимости. Он показал, что попытки такого обоснования не соответствуют современному уровню развития термодинамики и не могут быть оправданы, во - первых, потому, что вывод о существовании энтропии и абсолютной температуры не имеет никакого отношения к необратимости явлений природы (эти функции существуют независимо от возрастания или убывания энтропии изолированных систем), во - вторых, указание о направлении наблюдаемых необратимых явлений снижает уровень общности второго начала термодинамики и, в - третьих, использование постулата Томсона- Планка о невозможности полного превращения тепла в работу противоречит результатам исследований систем с отрицательной абсолютной температурой, в которых может быть осуществлено полное превращение тепла в работу, но невозможно полное превращение работы в тепло. Вслед за Т. Афанасьевой-Эренфест Н.И. Белоконь утверждает, что различие содержания, уровня общности и сферы применения принципов существования и возрастания энтропии совершенно очевидно:

1. Из принципа существования энтропии вытекает ряд важнейших дифференциальных уравнений термодинамики, широко используемых при изучении термодинамических процессов и физических свойств вещества, и его научное значение трудно переоценить.

2. Принцип возрастания энтропии изолированных систем есть утверждение о необратимом течении наблюдаемых в природе явлений. Этот принцип используется в суждениях о наиболее вероятном направлении течения физических процессов и химических реакций, и из него вытекают все неравенства термодинамики.

Относительно обоснования принципа существования энтропии по методу Шиллера ─ Каратеодори Белоконь отмечает, что в построениях принципа существования по этому методу совершенно обязательным является использование теоремы Каратеодори об условиях существования интегрирующих делителей дифференциальных полиномов δ Q = ∑ X i d x i = τ d Z , {\displaystyle \delta Q=\sum X_{i}dx_{i}=\tau dZ,} однако, необходимость использования этой теоремы «должна быть признана очень стеснительной, так как общая теория дифференциальных полиномов рассматриваемого типа (форм Пфаффа) представляет известные трудности и излагается лишь в специальных трудах по высшей математике.» В большинстве курсов термодинамики теорема Каратеодори даётся без доказательства, либо приводится доказательство в нестрогом, упрощённом виде. .

Анализируя построение принципа существования энтропии равновесных систем по схеме К. Каратеодори, Н.И. Белоконь обращает внимание на использовании совершенно необоснованного допущения о возможности одновременного включения температуры t {\displaystyle t} и ─ функции в состав независимых переменных состояния равновесной системы и приходит к выводу о том, что что постулат Каратеодори эквивалентен группе общих условий существования интегрирующих делителей дифференциальных полиномов ∑ X i d x i {\displaystyle \sum X_{i}dx_{i}} , но недостаточен для установления существования первичного интегрирующего делителя τ (t) = T {\displaystyle \tau (t)=T} , т. е. для обоснования принципа существования абсолютной температуры и энтропии . Далее он утверждает: «Совершенно очевидно, что при построении принципа существования абсолютной температуры и энтропии на основе теоремы Каратеодори должен быть использован такой постулат, который был бы эквивалентен теореме о несовместимости адиабаты и изотермы...". В этих корректиpованных построениях становится совершенно излишним постулат Каратеодори, так как этот постулат является частным следствием необходимой теоремы о несовместимости адиабаты и изотермы.»

Метод Н.И. Белоконя

В обосновании по методу Н.И. Белоконя второе начало термодинамики разделено на два принципа (закона):

1. Принцип существования абсолютной температуры и энтропии (второе начало термостатики ).

2. Принцип возрастания энтропии(второе начало термодинамики ).

Каждый из этих принципов получил обоснование на основании независимых постулатов.

• Постулат второго начала термостатики (Белоконя).

Температура есть единственная функция состояния, определяющая направление самопроизвольного теплообмена, т.е. между телами и элементами тел, не находящимися в тепловом равновесии, невозможен одновременный самопроизвольный (по балансу) переход тепла в противоположных направлениях - от тел более нагретых к телам менее нагретым и обратно. .

Постулат второго начала термостатики является частным выражением причинной связи и однозначности законов природы . Например, если существует причина, в силу которой в данной системе тепло переходит от более нагретого тела к менее нагретому, то эта же причина будет препятствовать переходу тепла в противоположном направлении и наоборот. Этот постулат полностью симметричен в отношении направления необратимых явлений, так как не содержит никаких указаний о наблюдаемом направлении необратимых явлений в нашем мире ─ мире положительных абсолютных температур.

Следствия второго начала термостатики:

Следствие I. Невозможно одновременное (в рамках одной и той же пространственно- временной системы положительных или отрицательных абсолютных температур) осуществление полных превращений тепла в работу и работы в тепло.

Следствие II. (теорема несовместимости адиабаты и изотермы). На изотерме равновесной термодинамической системы, пересекающей две различные адиабаты той же системы, теплообмен не может быть равен нулю.

Следствие III (теорема теплового равновесия тел). В равновесных круговых процессах двух термически сопряженных тел (t I = t I I) {\displaystyle (t_{I}=t_{I}I)} , образующих адиабатически изолированную систему оба тела возвращаются на исходные адиабаты и в исходное состояние одновременно.

На основании следствий постулата второго начала термостатики Н.И. Белоконь предложил построение принципа существования абсолютной температуры и энтропии для обратимых и необратимых процессов δ Q = δ Q ∗ + Q ∗ ∗ T d S {\displaystyle \delta Q=\delta Q^{*}+Q^{**}TdS}

• Постулат второго начала термодинамики (принципа возрастания энтропии).

Постулат второго начала термодинамики предлагается в форме утверждения, определяющего направление одного из характерных явлений в нашем мире положительных абсолютных температур:

Работа может быть непосредственно и полностью превращена и тепло путем трения или электронагрева.

Следствие I.Тепло не может быть полностью превращено в работу (принцип исключенного Perpetuum mobile II рода):

η < 1 {\displaystyle \eta <1}

Следствие II . КПД или холодопроизводительность любой необратимой тепловой машины (двигателя или холодильника,соответственно) при заданных температурах внешних источников всегда меньше КПД или холодопроизводительности обратимых машин работающих между теми же источниками.

Снижение КПД и холодопроизводительности реальных тепловых машин связано с нарушением равновесного течения процессов (неравновесный теплообмен из-за разнсти температур источников тепла и рабочего тела) и необратимого превращения работы в тепло (потери на трение и внутренние сопротивления).

Из этого следствия и следствия I второго начала термостатики непосредственно вытекает невозможность осуществления Perpetuum mobile I и II рода. На основе постулата второго начала термодинамики может быть обосновано математическое выражение второго начала классической термодинамики как объединённый принцип существования и возрастания энтропии:

D S ≥ δ Q ∗ T {\displaystyle dS\geq {\frac {\delta Q^{*}}{T}}}

Второе начало термодинамики – теплота не может самопроизвольно переходить от тела менее нагретого к телу более нагретому. Под теплотой понимается внутренняя энергия тела.

Рассмотрим систему, способную контактировать с двумя тепловыми резервуарами. Температуры резервуаров (нагреватель) и (холодильник) .. В первоначальном состоянии (поз. 1) температура системы . Приведем ее в тепловой контакт с нагревателем и, квазистатически уменьшив давление, увеличим объем.

Система перешла в состояние с той же температурой , но с большим объемом и меньшим давлением (поз. 2). При этом системой была выполнена работа , а нагреватель передал ей количество теплоты . Далее уберем нагреватель и квазистатически по адиабате переведем систему в состояние с температурой (поз. 3). При этом система выполнит работу . Затем приведем систему в контакт с холодильником и вказистатически уменьшим объем системы. Количество тепла , которое при этом выделит система, поглотится холодильником – ее температура останется прежней.Над системой была выполнена работа (или система выполнила отрицательную работу– ). Состояние системы (поз. 4) выбирается таким, чтобы можно было по адиабате вернуть систему в исходное состояние (поз 1). При этом система выполнит отрицательную работу Т.к. система вернулась в исходное состояние, то внутренняя энергия после цикла осталась прежней, но при этом системой была выполнена работа . Из этого следует, что изменения энергии при выполнении работы компенсировались нагревателем и холодильником. Значит , – количество теплоты, которая пошла на выполнение работы .Коэффициент полезного действия (КПД) определяется по формуле:

.

Отсюда следует, что .

Теорема Карно гласит, что коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур и нагревателя и холодильника, но не зависит от устройства машины, а также от вида рабочего вещества.

Вторая теорема Карно гласит – коэффициент полезного действия всякой тепловой машины не может превосходить коэффициент полезного действия идеальной машины, работающей по циклу Карно с теми же самыми температурами нагревателя и холодильника.

Неравенство Клаузиуса:

Из него видно, что количество теплоты, которое получила система при круговом процессе, отнесенное к абсолютной температуре, при которой происходил процесс, есть величина неположительная. Если процесс квазистатический, то неравенство переходит в равенство:

Это значит, что приведенное количество теплоты, получаемое системой при любом квазистатическом круговом процессе, равно нулю .

– элементарное приведенное количество теплоты, получаемое в бесконечно

малом процессе.

– элементарное приведенное количество теплоты, получаемое в конечном

процессе.

Энтропия системы есть функция ее состояния, определенная с точностью до произвольной постоянной.

Разность энтропий в двух равновесных состояниях и , по определению, равна приведенному количеству теплоты, которое надо сообщить системе, чтобы перевести ее из состояния в состояние по любому квазистатическому пути.

Энтропия выражается функцией:

.

Предположим, что система переходит из равновесного состояния в равновесное состояние по пути , и переход – необратимый (штрихованная). Систему в квазистатически можно вернуть в исходное состояние по другому пути . Опираясь на неравенство Клаузиуса можно написать: