Энтропия и второе начало термодинамики

Вышесказанное приводит нас к необходимости измерять способность тех или иных систем к рассеянию энергии. В физике для изучения тех или иных свойств любой системы используются физические величины. Меру диссипации энергии Клаузиус предложил называть энтропией. Последовав его примеру, попробуем выяснить, как нам определить энтропию. Очевидно, что энтропия изменилась в тот момент, когда в систему поступило первичное минимальное количество теплоты . С другой стороны, чем ниже была температура рабочего тела в этот момент, тем более интенсивно энергия будет рассеиваться. То есть чем меньше температура, тем больше прирост энтропии. Таким образом, окончательно можно записать равенство в виде:

Здесь – изменение энтропии.

Понятно, что энергия, которая рассеялась, не исчезла. Закон сохранения энергии по-прежнему выполняется. Однако, диссипированная энергия стала «менее концентрирована». Она распределилась в пространстве и стала для нас бесполезна. Причем этот процесс необратим. Слово «необратим» не значит, что энергию нельзя вновь «сгустить», однако для того чтобы это сделать надо совершить работу и рассеять еще большее количество энергии. Таким образом, если мы рассматриваем любую замкнутую систему, то в такой системе энтропия не может самопроизвольно уменьшиться. Энергия не может вновь сконцентрироваться в какой-то локальной области системы, если не совершать над системой работы. Если обобщить вышесказанное, то мы получим утверждение, которое называется вторым началом термодинамики. Существует множество формулировок этого закона. Мы остановимся, на наиболее лаконичной, и, как представляется, емкой формулировке Больцмана (которая также носит названия закона неубывания энтропии): энтропия изолированной системы не уменьшается.

Таким образом, второе начало термодинамики отрицает самопроизвольное уменьшение энтропии изолированных систем. Это накладывает запрет на преобразование всей сообщаемой системе теплоты в работу и на создание вечных двигателей, что, огорчало ранее и огорчает сейчас изобретателей. Но, если раньше попытки изобрести вечный двигатель были оправданы фактом неполноты существующей картины мира и могли делаться в рамках науки, то в наше время подобные инженерные изыскания говорят о неграмотности горе-изобретателя и заведомо относятся к области паранауки.

Мкт и асимметрия первого начала

Мы рассмотрели физическую величину, называемую энтропией, и сказали, что она является мерой необратимой диссипации энергии в тепловых процессах, и даже повторно сформулировали принцип, утверждающий, что энтропия самопроизвольно не уменьшается. Однако, при этом ничего не сказали о природе процесса, описываемого данной величиной. Дело в том, что мы использовали чисто эмпирический подход к данному вопросу. Этот подход называется классической термодинамикой. Он хорош для решения практических задач, но плохо подходит, в данном случае, для описания природы явлений. С другой стороны, есть иной угол зрения, называемый молекулярно-кинетической теорией. В рамках этой теории мы оказываемся на другом уровне организации материи. Мы анализируем статистическими методами движение отдельных частиц (атомов или молекул) газа. В рамках данной модели вещество заменяется системой материальных точек (или шариков) которые могут абсолютно упруго соударяться друг с другом, передавая, таким образом, свою энергию соседям. У каждой частицы, таким образом, есть скорость и направление движения, определяющиеся законом сохранения импульса. При столкновении частиц значения и направления их скоростей изменяются. Если частиц много, то изучать движение каждой, руководствуясь законами механики возможно, но очень сложно и нецелесообразно, поэтому говорят о средних значениях, получаемых методами математической статистики. Если мы подводим к системе теплоту, то кинетическая энергия частиц увеличивается, то есть отдельные частицы начинают двигаться с большей скоростью, как следствие, среднее значение кинетической энергии тоже растет. Однако, движение по-прежнему хаотично. Частицы имеют произвольную величину и произвольное направление скорости. С другой стороны, когда мы говорим, что эта система приводит в действие поршень, то сталкиваемся с другим типом движения. Частицы, из которых поршень состоит, жестко связаны друг с другом и движутся в одном направлении. То есть, движение частиц поршня не хаотично, а упорядоченно. Такое движение имеет, конечно, значительно меньше возможностей. Скажем, поршень, может двигаться влево или вправо, а хаотично движущаяся частица может двигаться влево-вправо, вперед-назад и вверх-вниз. Как правило, все эти составляющие в ее движении присутствуют в той или иной степени, но столкнувшись с поршнем, частица передаст ему только ту часть своего движения (кинетической энергии), которая согласуется с возможностью для упорядоченного движения частиц поршня. Вся остальная энергия может быть передана только другим частицам, участвующим в хаотическом движении. Таким образом, сообщая системе энергию в виде тепла мы неизбежно увеличиваем в ней хаос, и лишь часть этого хаоса получается преобразовать в работу. Рассматривая процесс на таком, более фундаментальном уровне, получается выяснить природу асимметрии первого начала термодинамики: сообщая системе теплоту можно либо только более интенсивное хаотичное движение (увеличить внутреннюю энергию), либо, создав определенные условия, преобразовать часть нарастающего хаоса превратить в упорядоченное движение (работу), но невозможно весь хаос преобразовать в порядок.