Самые первые представления
о теплоте были связаны с огнем, который
в античной натурфилософии рассматривался
даже как одна из стихий, участвующих вместе
с воздухом, водой и землей в образовании всех тел.
Научные взгляды о теплоте появились вместе
с развитием экспериментального естествознания
и изобретением прибора для измерения
температуры тел — термометра.
По вопросу о природе самой теплоты существовали
две противоположные точки зрения. Сторонники
одной из них рассматривали теплоту как
особую субстанцию, подобную жидкости,
которая может передавать тепло от одного
тела к другому. Эту субстанцию называли
теплородом, поскольку именно он якобы
рождает теплоту в телах. Как мы знаем,
в эпоху господства механистического
мировоззрения и электричество, и магнетизм
тоже рассматривали как особого рода невесомые
жидкости, механическими свойствами которых
пытались объяснить эти новые явления.
Защитники другой точки зрения считали,
что теплота является результатом внутреннего
движения частиц тела — его корпускул.
Однако эта точка зрения не могла объяснить
такие очевидные явления, как сохранение
тепла при теплообмене, теплоемкость и
некоторые другие. Это было связано с тем,
что в то время не была ясна внутренняя
структура тел, зависимость их температуры
от кинетической энергии движущихся корпускул
и другие количественные закономерности,
не говоря уже о природе и строении самих
корпускул. Поэтому в XVIII в. доминирующее
положение заняла более простая и наглядная
теория теплорода, которая давала видимое
объяснение экспериментально установленному
факту сохранения тепла при теплообмене
ссылкой на неуничтожимость теплорода.
С помощью теплорода удалось установить
некоторые количественные связи между
тепловыми процессами и ввести в научный
оборот ряд понятий, которые до сих пор
употребляются в физике.
Однако к концу XVIII в. все большее количество
фактов убеждало ученых, что никакого
теплорода не существует и нагревание
тел более убедительно объясняется не
увеличением в них теплорода, а увеличением
их внутренней энергии. Примечательно,
что попытка объяснения тепловых процессов
с помощью понятий и принципов механики
также потерпела неудачу. После того как
французский ученый Ж.-Б. Фурье сформулировал
математический закон теплопроводности,
согласно которому поток тепла пропорционален
градиенту температуры, стало ясным, что
теория теплоты имеет дело с исследованием
качественно новых явлений, несводимых
к механическим процессам. В результате
этого был нанесен сильный удар по концепции
механистического мировоззрения, которая
стремилась объяснить все явления природы
с помощью понятий и принципов механики.
Если классическая динамика описывала
законы движения тел под воздействием
внешних сил, сознательно отвлекаясь от
внутренних изменений, происходящих в
системах, то термодинамика вынуждена
была исследовать физические процессы
при различных преобразованиях тепловой
энергии. Однако она не анализирует внутреннего
строения термодинамических систем, как
это делает статистическая физика, рассматривающая
теплоту как беспорядочное движение огромного
числа молекул.
Классическая термодинамика возникла
из обобщения многочисленных фактов, описывающих
явления передачи, распространения и превращения
тепла. Самым очевидным является тот факт,
что распространение тепла представляет
собой необратимый процесс. Хорошо известно,
например, что тепло передается от горячего
тела к холодному, а не наоборот.
Вместе с тем путем точных экспериментов
было доказано, что тепловая энергия превращается
в механическую энергию в строго определенных
количествах. Существование такого механического
эквивалента теплоты впервые установил
английский ученый Дж.П. Джоуль, который
высказал предположение, что соответствующие
эквивалентные отношения должны существовать
при превращении других форм энергии в
теплоту. В первой половине XIX в. были открыты
явления превращения энергии химических
реакций в электричество, а позднее —
электромагнитной энергии в теплоту. При
этом оказывалось, что во всех этих превращениях
одна форма энергии переходила в другую
в строго определенных количествах.
Все многочисленные эмпирические факты
передачи и превращения тепловой энергии
нашли свое обобщение и теоретическое
объяснение в законах классической термодинамики.
Первый закон термодинамики, который называют
также первым ее началом, утверждает, что
во всех тепловых превращениях энергия
не возникает из ничего и не исчезает никуда,
а остается постоянной. Этот принцип сохранения
энергии имеет важнейшее значение для
объяснения многочисленных конкретных
случаев передачи и преобразования тепловых
процессов. В более точном виде его можно
сформулировать так:
Если к системе подводится тепло ΔQ, то
оно идет на приращение ее внутренней
энергии ΔU и нa совершение работы системой
ΔW:
ΔQ=ΔU + ΔW.
В этой формуле ΔU обозначает приращение
внутренней энергии системы, a ΔW— тепловую
энергию, затраченную на совершение работы.
В целом формула показывает, что тепло,
полученное системой, не исчезает, а затрачивается
на увеличение внутренней энергии и производство
работы. Из закона сохранения энергии
следует невозможность существования
вечного двигателя первого рода, который
мог бы совершать работу без внешнего
источника энергии. Поскольку часть энергии
внешнего источника расходуется на тепловые
потери, постольку невозможно полностью
затратить его энергию на получение работы.
Точно так же в природе невозможен процесс,
единственным результатом которого было
бы изъятие тепла из резервуара при постоянной
температуре. Этот факт является иллюстрацией
второго закона, или начала, термодинамики:
Невозможно получить работу за счет энергии
тел, находящихся в термодинамическом
равновесии.
Этот закон термодинамики можно сформулировать
проще, как впервые это сделал французский
ученый Н. Карно (1796—1832): невозможно осуществить
процесс, единственным результатом которого
было бы превращение тепла в работу при
постоянной температуре.
Например, нельзя произвести работу за
счет охлаждения озера, моря или иного
резервуара при установившейся постоянной
температуре. Иногда этот закон выражают
в еще более простой форме: тепло не может
самопроизвольно перетечь от холодного
тела к горячему.
В дальнейшем немецкий физик Р. Клаузиус
(1822—1888) использовал для формулировки
второго закона термодинамики понятие
энтропии как особой функции состояния
системы, по изменению которой можно судить
о направлении термодинамических процессов.
Энтропия замкнутой термодинамической
системы, т.е. системы, которая не обменивается
с окружением ни энергией, ни веществом,
возрастает и достигает максимума в точке
термодинамического равновесия.
В обратимых процессах, какими являются
механические явления, энтропия считается
неизменной, потому что механика отвлекается
от реальных изменений, происходящих в
движущейся системе. Например, планеты,
вращаясь по своим орбитам, с такой точки
зрения остаются совершенно неизменными.
Во всех необратимых процессах она возрастает
или, по крайней мере, не убывает. Сам Клаузиус
ввел понятие энтропии для количественной
формулировки второго начала термодинамики,
которое определяет направление тепловых
процессов. Энтропия характеризует степень
вырождения, или обесценения, тепловой
энергии или меру необратимости самопроизвольного
перехода энергии.
Впоследствии австрийский физик Л. Больцман
(1844—1906) стал рассматривать тепловые процессы
с точки зрения молекулярно-кинетической
теории как хаотическое движение огромного
числа молекул. Поскольку с увеличением
температуры системы эта хаотичность
возрастает, то Больцман стал истолковывать
энтропию как рост беспорядка и дезорганизации
системы.
Применив статистический метод описания,
он стал интерпретировать энтропию в терминах
изменения порядка в системе. Когда энтропия
системы возрастает, то соответственно
усиливается беспорядок в системе. А это
означает, что такие системы эволюционируют
в сторону увеличения в них энтропии, беспорядка,
хаоса и дезорганизации, пока не достигнут
точки термодинамического равновесия,
в которой всякое производство работы
становится невозможным. Больцман установил
также связь между энтропией и вероятностью
достижения системой такого состояния:
S = k log P,
где S обозначает энтропию, а Р — вероятность
достижения системой состояния термодинамического
равновесия. Если Клаузиус рассматривал
энтропию как меру обесценения энергии,
то Больцман стал ее интерпретировать
как меру дезорганизации системы. Поскольку
в обоих этих подходах энтропия истолковывается
как отрицательная характеристика системы,
то известный французский физик Л. Бриллюэн
полвека тому назад предложил ввести противоположное
энтропии понятие негэнтропии: N = —S, характеризующее
степень упорядоченности, или организации,
системы.
Об изменении состояния систем классическая
термодинамика могла судить, таким образом,
по увеличению их энтропии. Поэтому она
и выступает в качестве своеобразной стрелы
времени, которая показывает, в каком направлении
совершается процесс. Сам этот термин
впервые ввел в науку английский астрофизик
А. Эддингтон для образного представления
течения времени. В механических системах
о направлении времени говорить не приходится.
Ничего подобного не встречается в термодинамических
процессах, а тем более в реальных природных
процессах, которые являются необратимыми.
Поэтому достижение классической термодинамики
состоит в том, что она впервые ввела в
физику понятие времени, правда, в своеобразной
форме, а именно в форме необратимого процесса
возрастания энтропии в системе. Чем выше
энтропия системы, тем больший временной
промежуток она прошла в своей эволюции.
Но и в термодинамике понятие времени
существенно отличается от того, как оно
рассматривается в реальной жизни и в
науках, изучающих процессы, протекающие
во времени и имеющие свою историю. В них
понятие времени ассоциируется не только
с ростом энтропии и беспорядка, но и с
увеличением порядка, организации и совершенствования
систем.
Это противоречие оставалось неразрешенным
почти столетие, вплоть до 60-х гг. XX в., пока
не появилась новая, неравновесная термодинамика,
которая опирается не только на понятие
о необратимых процессах, но и на возможность
возникновения порядка за счет энергии
и вещества из окружающей среды. Кратко
это будет рассмотрено ниже, а более подробно
— в гл. 17, посвященной синергетике.
Классическая термодинамика оказалась
неспособной решить также и космологическую
проблему о характере процессов, происходящих
во Вселенной. Первую попытку распространить
законы термодинамики на Вселенную предпринял
один из основателей этой теории — Р. Клаузиус,
выдвинувший два постулата:
• энергия Вселенной всегда постоянна;
• энтропия Вселенной всегда возрастает.
Если принять второй постулат, т.е. закон
сохранения энергии, то необходимо будет
признать, что все процессы во Вселенной
направлены в сторону достижения состояния
термодинамического равновесия, соответствующего
максимуму энтропии, а следовательно,
состояния, характеризуемого наибольшей
степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации.
В таком случае во Вселенной наступит
тепловая смерть. Такие мрачные прогнозы
встретили критику со стороны ряда выдающихся
ученых и философов, но в середине прошлого
века было еще мало научных аргументов
для опровержения мнения Клаузиуса и обоснования
альтернативного взгляда. Некоторые авторы
предполагали, что наряду с энтропийными
процессами в природе происходят антиэнтропийные
процессы, которые препятствуют наступлению
«тепловой смерти» во Вселенной. Но это
предположение имело характер общей гипотезы,
не подкрепленной научными аргументами.
Другие высказывали сомнение в правомерности
распространения понятий термодинамики,
в частности энтропии, с отдельных систем
на Вселенную в целом. Но только единичные
ученые догадывались, что само понятие
закрытой, или изолированной, системы
является далеко идущей абстракцией, не
отражающей реальный характер систем,
которые встречаются в природе |