 |
 |
 |
 |
|
 |
 |
78
? Q= ?U+ ?A.
Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможен вечный двигатель
первого рода, т. е. такой двигатель, который совершал бы работу «из ничего», без внешнего
источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в
энергию теплового, хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности
полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу.
Многочисленные опыты показывают, что все тепловые процессы в отличие от механического
движения необратимы.
Если реализуется какой-либо термодинамический процесс, то обратный процесс, при котором
проходятся те же тепловые состояния, но только в обратном направлении, практически
невозможен. Другими словами, термодинамические процессы необратимы.
Приведем два характерных примера необратимых процессов. Если привести в соприкосновение
два тела с различной температурой, то более нагретое тело будет отдавать тепло менее нагретому.
Обратный процесс – самопроизвольный переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому
– никогда не произойдет. Столь же необратимым является и другой процесс – расширение газа в
пустоту. Газ, находящийся в части сосуда, отдаленной от другой части перегородкой, после ее
удаления заполняет весь сосуд. Без постороннего вмешательства газ никогда не соберется
самопроизвольно в той же части сосуда, где он находился первоначально.
Всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние
термодинамического равновесия, в котором тела находятся в состоянии покоя по отношению друг
к другу, обладая одинаковыми температурами и давлением. Достигнув этого состояния, система
сама по себе из него не выходит. Значит, все термодинамические процессы, приближающиеся к
тепловому равновесию, необратимы.
Необратимы и все механические процессы, сопровождающиеся трением. Трение вызывает
замедление движения тел, при котором кинетическая энергия переходит в тепло. Замедление
эквивалентно приближению к состоянию равновесия, при котором движение тел отсутствует.
В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства
невозможны никакие реальные процессы. Следовательно, с помощью тел, находящихся в
термодинамическом равновесии, невозможно совершить никакой работы, так как работа связана с
механическим движением, т. е. с переходом тепловой энергии в кинетическую. Утверждение о
невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом
равновесии, лежит в основе второго начала термодинамики.
Окружающая нас среда обладает значительными запасами тепловой энергии. Двигатель,
работающий только за счет энергии находящихся в тепловом равновесии тел, был бы для
практики вечным двигателем. Второе начало термодинамики исключает возможность создания
такого вечного двигателя второго рода.
Необратимость тепловых процессов имеет вероятностный характер. Самопроизвольный
переход тела из равновесного состояния в неравновесное не невозможен, а лишь весьма
маловероятен. В конечном результате необратимость тепловых процессов обусловливается
колоссальностью числа молекул, из которых состоит тело.
Молекулы газа стремятся к наиболее вероятному состоянию, т. е. к состоянию с
беспорядочным распределением молекул, при котором примерно одинаковое число молекул
движется вверх и вниз, вправо и влево, причем в каждом объеме находятся примерно одинаковое
число молекул, одинаковая доля быстрых и медленных молекул в верхней и нижней частях
какого-либо сосуда. Любое отклонение от такого беспорядка, хаоса, т. е. от равномерного и
беспорядочного перемешивания молекул по местам и скоростям, связано с уменьшением
вероятности, или представляет собой менее вероятное событие. Напротив, явления, связанные с
перемешиванием, с созданием хаоса из порядка, увеличивают вероятность состояния. Только при
внешнем воздействии возможно рождение порядка из хаоса, при котором порядок вытесняет хаос.
В качестве примеров, демонстрирующих порядок, можно привести созданные природой
минералы, построенные человеком большие и малые сооружения или просто радующие глаз
своеобразные фигуры.
Количественной характеристикой теплового состояния тела является число микроскопических
способов, с помощью которых это состояние может быть осуществлено. Это число называется