 |
 |
 |
 |
|
 |
 |
124
Для нас совершенно очевидно представление об однонаправленности из прошлого в будущее,
необратимости и невозвратности времени. Это представление формируется на основе отражения
большинства процессов, систем живой и неживой природы, с которыми человек повсеместно
сталкивается в своей жизненной практике. И только очень небольшое количество механических
систем (и то со значительной долей идеализации) относится к обратимым системам.
Соотношение обратимых и необратимых процессов можно проиллюстрировать на примере фильма
о движении паровоза. Если мы будем смотреть такой фильм в обратном порядке и увидим, что поезд
«пошел назад», то нам это не покажется неправдоподобным. Паровоз просто дал задний ход, и в этом
нет ничего необычного: механические системы обратимы. Но вот в кадре дым паровоза: он
образовывается в пространстве и втягивается в паровозную трубу. Такое событие (и совершенно
справедливо) кажется абсолютно невозможным — оно равносильно признанию возможности
движения времени вспять. В данном случае речь идет о тепловом необратимом процессе, который
принципиально отличается от механических обратимых процессов.
Классическая механика долгое время занималась исключительно моделированием обратимых
систем. Механические процессы обратимы: уравнения механики, в которые входит время t,
симметричны по отношению к этому параметру, т.е. возможна замена t на -t. Только с возникновением
термодинамики, с появлением необходимости изучения теплоты и молекулярных процессов физика
перешла к познанию закономерностей необратимых систем.
В XIX в. термодинамика развивается как теоретическая база теплотехники и как важная отрасль
теоретической физики, объясняющая сущность тепловой энергии. Основы термодинамики
закладывались еще в начале XIX в., когда конструкторов паровых машин интересовал важный в
теории тепловых двигателей вопрос: существует ли предел последовательного улучшения двигателей?
Многочисленные конструкции нужно было сопоставить с идеальным двигателем, экономичность
которого рассматривалась как максимальная. От чего же зависит экономичность такого идеального
двигателя? Ограничена ли она? Эти и ряд других вопросов поставил перед собой французский
инженер Сади Карно.
Карно показал, что теплота создает механическую работу только при тепловом «перепаде», т.е.
наличии разности температур. Справедлива и обратная теорема: затрачивая механическую энергию,
можно создать разность температур, которая определяет коэффициент полезного действия тепловых
машин. Свои теоретические соображения Карно в конечном счете обосновывает невозможностью
вечного двигателя, рассматривая это положение в качестве исходной аксиомы физики.
В свете закона сохранения и превращения энергии в середине ХIХ в. стало ясно, что теория Карно
требует серьезной перестройки и дополнительного экспериментального исследования. На это
обратили внимание Р. Клаузиус и В. Томсон (лорд Кельвин). Карно объяснял работу не потреблением
теплоты, а ее падением; он считал, что теплота неуничтожаема. Карно сопоставляет работу с теплотой,
перешедшей от тела с температурой Т¹ к телу с температурой Т². Клаузиус же сопоставляет работу с
пропорциональной ей теплотой, исчезнувшей при таком переходе, т.е. перешедшей в работу. Клаузиус
уставит задачу связать переход теплоты от одного тела к другому с превращением теплоты в работу и
установить количественные соотношения между этими процессами. Решая эту задачу, Клаузиус
вводит понятие энтропии — функции состояния системы.
Понятие энтропии является центральным в термодинамике. Оно относится к закрытым системам,
находящимся в тепловом равновесии, которое можно охарактеризовать температурой Т. Изменение
энтропии определяется формулой
dE
? dQ/T,
где dQ - количество теплоты, обратимо подведенное к
системе или отведенное от нее. Энтропия — это мера способности теплоты к превращению. В
обратимых системах энтропия неизменна dE= dQ/T, а в необратимых — постоянно изменяется (dE >
dQ/T).
Второе начало термодинамики * гласит, что в замкнутой системе энтропия не может
убывать, а лишь возрастает до тех пор, пока не достигнет максимума. Иначе говоря, запас энергии
во Вселенной иссякает, происходит выравнивание температуры Вселенной, рассеяние энергии, а вся
Вселенная неизбежно приближается к «тепловой смерти».
* В соответствии с первым началом термодинамики в замкнутой системе энергия сохраняется, хотя и может
приобретать различные формы.
Термодинамические процессы необратимы, и ход событий во Вселенной невозможно повернуть
вспять, чтобы воспрепятствовать возрастанию энтропии. Со временем способность Вселенной под-
держивать организованные структуры ослабевает; и такие структуры распадаются на менее