Второе начало термодинамики, тепловая смерть Вселенной

       Общий вывод достаточно печален: необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех ее видов в тепловую энергию, которая рассеется, то есть в среднем равномерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое равновесие и хаос. Если Вселенная замкнута, то ее ждет именно такая незавидная участь. Из хаоса, как утверждали греки, она родилась, в хаос же, по предположению классической термодинамики, и возвратится.

Возникает, правда, любопытный вопрос: если Вселенная эволюционирует только к хаосу, то как она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состояния? Но этим вопросом классическая термодинамика не задавалась, ибо формировалась в эпоху, когда нестационарный характер Вселенной не обсуждался. В это время единственным укором термодинамике служила дарвиновская теория эволюции. Ведь предполагаемый ею процесс развития растительного и животного мира характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Живая природа почему-то стремилась прочь от термодинамического равновесия и хаоса. Налицо была явная нестыковка законов развития живой и неживой природы.

После замены модели стационарной вселенной на развивающуюся, в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов – от элементарных и субэлементарных частиц в первые мгновения после Большого взрыва до звездных и галактических систем, - несоответствие законов стало еще более явным. Ведь если принцип возрастания энтропии столь универсален, как же могли возникнуть такие сложные структуры? Случайным «возмущением» в целом равновесной Вселенной их не объяснить. Стало ясно, что для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции. Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

Для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции.

Развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей эволюции. Следовательно, случайность – не досадное недоразумение; она встроена в механизм эволюции. А нынешний путь эволюции системы, возможно, не лучше, чем те, которые были отвергнуты случайным выбором.

 

4. Действие второго начала термодинамики

Как я уже говорила ранее, второе начало термодинамики имеет несколько формулировок. Одна из них: вечный двигатель второго рода построить нельзя. Вечный двигатель второго рода – тепловая машина, которая все тепло, получаемое от сжигания топлива переводит в работу, то есть такая машина, у которой коэффициент полезного действия (КПД) равен 100%. Оказывается машину с КПД равным 100% нельзя построить в принципе. Все машины – машины реальные. Французский механик Сади Карно ввел понятие их идеала (идеальной тепловой машины). Идеальной машины на практике не существует, как и в общественной жизни: полностью идеальных людей не бывает, но к идеалу надо стремиться. Идеальную машину так же нельзя построить с КПД 100%. Существует и вечный двигатель первого рода, под которым понимается тепловая машина, которая совершает работу без затрат энергии. И такую машину построить нельзя, хотя такие попытки совершаются.

Оказывается в физике узаконено, что часть тепла тепловая машина обязательно должна терять! А сколько машине следует терять? Столько, сколько теряет идеальная тепловая машина, но такая машина, как указывалось выше, в природе не существует, но к ней можно сколько угодно близко приблизиться.

Формулировка второго начала с привлечением энтропии: самопроизвольно процессы в природе протекают в направлении возрастания энтропии. Если ввести цену тепла, то процессы в природе самопроизвольно протекают в направлении обесценивания тепла. Второе начало действует и в биологических процессах, и в общественной жизни людей.

В этом столетии предполагается полет на Марс. Длительный будет полет. Некоторые фантазируют о том, что будет разработана такая пища, которая полностью будет усваиваться человеческим организмом, то есть в космическом аппарате туалет не потребуется. Но это не так! Без туалета никак нельзя, как того требует второе начало. Существуют микроскопические образования – вирусы. Они также ходят по нужде!

Если рассматривать общественную жизнь людей, то второе начало является основой инфляции. Явление инфляции закономерное явление. Имеется по крайней мере две социальные системы: социалистическая и капиталистическая. При социализме вы приходите в магазин и покупаете товар, например, булки хлеба. Платите 20 коп. за булку. Приходите через месяц – платите 20 коп. за булку, приходите через год – платите 20 коп…. В этом случае:

                                                                   

(Стоимость n булок) / (n булок) = Цена1

                         (Стоимость n булок) / (n булок) = Цена2                   (4)

при этом, Цена1 = Цена2.

         Знак равенства ставится только для идеальной системы. Такие системы в природе не существуют. Таким образом, социалистическая система – идеальная система. Сама собой она существовать не может, необходимы усилия для ее поддержания.

При капитализме вы приходите покупать те же булки хлеба. В первый месяц цена булки-3 руб., через месяц цена булки-4 руб., через два месяца-5руб.:

 

(Стоимость n булок) / (n булок) = Цена1

                         (Стоимость n булок) / (n булок) = Цена2                   (5)

при этом, Цена1 < Цена2.

Здесь знак неравенства. Это есть реальная система, процесс совершается самопроизвольно, без насилия.

Поскольку этот закон объективный, то им следует умело пользоваться!

В Японии работал корреспондентом Цветов, который периодически по телевидению сообщал из Японии об организации их производства, экономике, политике… беседовал он и с руководством фирмы «SHARP», в которой каждый сотрудник должен вносить рационализаторские предложения с целью повышения эффективности работы фирмы. Некоторые такие предложения приносили эффект, а другие нет. Но всем шла дополнительная плата. Естественно, те, у которых предложение проходило, получали хорошее вознаграждение, а те, у которых оно не внедрялось, также получали вознаграждение, хотя и символическое. Цветов поинтересовался у руководства, почему они в этом случае выбрасывают деньги на ветер. Но руководство на это ответило, что высококачественную сталь нельзя получить без шлака.

(рис.4)

        5. Появление идеи тепловой смерти Вселенной

«Космологи пророчили неизбежную тепловую смерть Вселенной (которая превратится в нечто вроде Лимбо: форма и движение исчезнут, а тепловая энергия будет одинакова в любой точке). Метеорологи же изо дня в день отсрочивали наступление вселенского конца, опровергая эту теорию утешительными сводками температурных колебаний».

Угроза тепловой смерти Вселенной была высказана в середине ХIХ в. Томсоном и Клаузиусом, когда был сформулирован закон возрастания энтропии в необратимых процессах. Тепловая смерть -  это такое состояние вещества и энергии во Вселенной, когда исчезли градиенты параметров, их характеризующих. 
      Развитие принципа необратимости,  принципа возрастания энтропии состояло в распространении этого принципа на Вселенную в целом, что и было сделано Клаузиусом. 
          Итак, согласно второму началу все физические процессы протекают в направлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим, а это означает, что медленно, но верно идет процесс выравнивания температуры во Вселенной. Следовательно, в будущем ожидается исчезновение температурных различий и превращение всей мировой энергии в тепловую, равномерно распределенную во Вселенной. Вывод Клаузиуса был следующим:

                        1.Энергия мира постоянна. 
                        2. Энтропия мира стремится к максимуму.

Таким образом, тепловая смерть Вселенной означает полное прекращение всех физических процессов вследствие перехода Вселенной в равновесное состояние с максимальной энтропией. 
 Больцман, открывший связь энтропии S и статистического веса P, считал, что нынешнее неоднородное состояние Вселенной есть грандиозная флуктуация, хотя ее возникновение имеет ничтожно малую вероятность. Современники Больцмана не признавали его взглядов, что привело к жестокой критике его работ и,  по - видимому, привело к болезненному состоянию и самоубийству Больцмана в 1906г. 
             Обратившись к исходным формулировкам идеи тепловой смерти Вселенной, можно видеть, что они далеко не во всем соответствуют их хорошо известным интерпретациям, сквозь призму которых эти формулировки нами обычно воспринимаются. Принято говорить о теории тепловой смерти или термодинамическом парадоксе В. Томсона и Р. Клаузиуса. Но, во-первых, соответствующие мысли этих авторов далеко не во всем совпадают, во-вторых, в приводимых ниже высказываниях ни теории, ни парадокса не содержится.  
В. Томсон, анализируя проявляющуюся в природе общую тенденцию к рассеянию механической энергии, не распространял ее на мир как целое. Он экстраполировал принцип возрастания энтропии лишь на протекающие в природе крупномасштабные процессы.  
Напротив, Клаузиус предложил экстраполяцию этого принципа именно на Вселенную как целое, выступавшую для него всеобъемлющей физической системой. По словам Клаузиуса «общее состояние Вселенной должно все больше и все больше изменяться» в направлении, определяемом принципом возрастания энтропии и, следовательно, это состояние должно непрерывно приближаться к некоторому предельному состоянию Флуктуации и проблема физических границ 2-го Начала термодинамики. Пожалуй, впервые термодинамический аспект в космологии обозначил еще Ньютон. Именно он подметил эффект «трения» в часовом механизме Вселенной – тенденцию, которую в середине XIX в. назвали ростом энтропии. В духе своего времени Ньютон призвал на помощь Господа Бога. Он и был приставлен сэром Исааком к слежению за подзаводом и ремонтом этих «часов». 
            В рамках космологии термодинамический парадокс был осознан в середине XIX в. Дискуссия о парадоксе породила ряд блестящих идей широкого научного значения («шредингерово» объяснение Л. Больцманом «антиэнтропийности» жизни; введение им флуктуаций в термодинамику, фундаментальные следствия чего в физике не исчерпаны до сих пор; его же грандиозная космологическая флуктуационная гипотеза, за концептуальные рамки которой физика в проблеме «тепловой смерти» Вселенной так еще и не вышла; глубокая и новаторская, но тем не менее исторически ограниченная флуктуационная трактовка Второго Начала.)

                                                                          

    

(рис.5,6)

 

(рис.7)

6. Угрожает ли Вселенной тепловая смерть?!

(различные точки  зрения)

           Из  второго начала термодинамики  непосредственно следует, что в  любой замкнутой физической системе  все виды энергии должны постепенно  превратиться в теплоту, «бежать»  в «тепловой океан», а теплота  равномерно распределится между  всеми телами. Как только это  произойдет, наступит «тепловая  смерть» системы — все термодинамические процессы в ней полностью прекратятся.

          Этот  фундаментальный закон, справедливый  для любых замкнутых физических  систем, Клаузиус распространил  на всю Вселенную. Энтропия Вселенной, утверждал он, стремится к определенного  максимума и чем больше Вселенная  приближается к этому предельного  состояния, тем меньше остается  возможностей к дальнейшим изменениям!? А когда этого положения будет  достигнуто, все изменения полностью  прекратятся и Вселенная застынет  в мертвом покое. Наступит «тепловая  смерть» мира. Вселенная будет  продолжать свое существование, он не исчезнет, не превратится  в ничто, но все термодинамические  процессы в нем полностью прекратятся.

         Закон энтропии, открытый Клаузиусом, утверждал, например, папа Пий XII, привел нас к познанию  того, что стихийные процессы  природы всегда связаны с уменьшением  свободной и полезной энергии. Эта роковая судьба настоятельно  требует бытия необходимой сущности ... Иными словами, бытие бога.

         Еще более  откровенно высказываются другие  религиозные теоретики. Наука в  этом случае, заявляют они, — в союзе с верой: она также утверждает, что мир небезначальний, что он не в себе самом имеет причину и основу бытия, не в свойствах вечной субстанции; эта основа есть вне мира, в бозе.

        Если попытаться  обобщить рассуждения богословов  по этому вопросу, то они сводятся  примерно к следующему: в момент  создания мира ему была, непостижимым для нас образом, тоесть божественной силой предоставлена определенная энергия, которая в наибольшей степени способна к действию. Со времени акта созидания эта «пружина мировых часов» постепенно раскручивается. При этом процессы разрушения преобладают во Вселенной над процессами созидания. Вселенная идет к своей гибели ...

          Ф. Энгельс  подверг теорию «тепловой смерти»  Вселенной основательной критике. Он указал на то, что перенос  второго начала термодинамики, то  есть закона возрастания энтропии, на вся Вселенная абсолютно  неправомерно.

         Эта мысль, высказанная Энгельсом, в современной  науке получила убедительное  теоретическое подтверждение. Как  показал выдающийся американский  физик Р. Толмена, вывод о неизбежности  перехода замкнутой физической  системы в состояние термодинамического  равновесия справедлив только  для таких систем, которые находятся  в неизменных, стационарных внешних  условиях.

        Если замкнутая  система имеет переменное гравитационное  поле, то с точки зрения общей  теории относительности это поле  становится относительно системы, которая его родила, нестационарным  внешним фактором, оно не является ее составной частью. Иными словами, такую систему уже нельзя считать замкнутой. Итак, вывод о стремлении ее энтропии до определенного максимума оказывается совсем неправомерным.

         Поскольку  наша Вселенная расширяется, то нельзя считать Вселенную замкнутой системой и применять к нему второе начало термодинамики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.  Циолковский К.Э. о тепловой смерти Вселенной

          В работе «Второе начало термодинамики»  Циолковский писал: «Как-то давно  я читал статью. Автор ее, говоря  о неизбежном потухании Солнца, надеется, что порода двуногих  все-таки извернется. Тогда я подумал: какой оптимизм!... и не находил  сам возможности выпутаться из  беды. Но вот прошло два десятка  лет, и в моей душе созрело  семя надежды об обратимости  процесса рассеяния тепла. Если  это так, то человечеству открывается  будущее, независимое от солнечной  энергии и даже внутренней  самостоятельной теплоты Земли».

          К такому счастливому разрешению  проблемы Константин Эдуардович  пришел в 1914 г., но задумался над  ней гораздо раньше. В 1905 г. он  написал статью «Второе начало  термодинамики», которую три раза  переделывал и переписывал, пока  не убедился в правильности  своего вывода. «Семя надежды»  созревало постепенно, и очень  возможно, что это произошло в  те годы, когда ученый заинтересовался  трудами немецкого ученого Эрнста  Геккеля, выступившего против теории  Клаузиуса-Томсона. Свои соображения  о тепловом состоянии Солнца  Э. Геккель высказал в книге  «Мировые загадки». С его воззрениями  на теорию тепловой смерти  Вселенной, ставшими широко популярными  в России с 1906 года, совпадали  воззрения Циолковского, сформулированные  им в рукописи.

         Во «Втором начале термодинамики»  Циолковский доказывал, что в  природе существует «вечный круговорот  энергии», в силу чего, по его  мнению, никогда «не нарушается  закон сохранения энергии и  ни теплота, ни работа не образуется  вновь: мы имеем дело только  с круговоротом энергии, какой, я  думаю, существует в природе всюду».