Классическая термодинамика сформулировала два основных закона. Принято формулировать эти законы в двух видах: как принципы, выражающие физическое содержание термодинамических систем, и как оценка технической возможности создания «вечного двигателя» первого и второго рода.
Первый закон. Закон сохранения энергии.Два исследователя, Ю. Майер и Дж. Джоуль, практически одновременно подошли к формулировке закона сохранения энергии для термодинамических систем. Работа Ю. Майера «Обмен веществ» была опубликована в 1845 г. Работа Дж. Джоуля «Механический эквивалент теплоты» — в 1875 г. Оба установили механический эквивалент теплоты. Но Дж. Джоулю принадлежит приоритет в создании знаменитой установки, в которой механическое движение винта под действием спускающихся вниз гирь приводило к нагреванию воды в сосуде. Здесь механическое движение под действием веса гирь вызывало интенсивное движение молекул воды, повышение ее температуры. Он же установил электрический эквивалент теплоты (прохождение электрического тока по проводнику ведет к его на-
греванию). Единицей теплоты является калория. Одна калория означает количество тепла, которое необходимо для нагревания 1 г. воды при нормальном давлении 760 мм рт. ст. от 14,5 до 15,5 °С. 1 ккал — это 1000 кал. Единицей энергии в форме работы является джоуль (Дж). Один джоуль — это работа силы
в 1 Н (ньютон) по перемещению тела массой в 1 кг вдоль направления действия силы на 1 м.
В 1880 г. английский физик Роуланд уточнил значение механического эквивалента теплоты: 1кал — 4,19 Дж, 1 эВ (электронвольт) — 1,6 • 10-19 Дж. Хотя
механический эквивалент теплоты стал широко известен благодаря работам Ю.
Майера и Дж. Джоуля, однако еще в 20-х годах XIX в. он был уже использован французским математиком, физиком С. Карно (1796—1832) в его работе «О движущих силах огня и машинах, способных развивать эту силу» (1824).
С. Карно исследовал термодинамическую природу так называемых круговых циклов. Круговым циклом называется термодинамический цикл, в котором рабочее тело возвращается в исходное положение. В своих исследованиях С. Карно пользовался понятием идеальной тепловой машины, изолированной от окружающей ее внешней среды, т. е. действия на нее внешних сил. В этой машине основой являются обратимыетермодинамические процессы: энергия, переходя в другой вид в прямом направлении, переходит из возникшего вида энергии в обратном направлении, последовательно повторяя все промежуточные состояния
в прямом процессе. Это позволило ему сделать вывод, что в идеальной машине энергия сохраняется, не исчезает, переходя из одного вида в другой.
Закон сохранения энергии формулируется следующим образом:поступающая в термодинамическую систему энергия в форме тепла должна быть равна сумме приращений внутренней энергии системы и работы, совершаемой
системой против действия внешних сил. Этот закон раскрывает функциональный смысл понятия энергии термодинамической системы.
В другой формулировке:невозможно сделать двигатель первого рода, который бы совершал работу без подвода к нему энергии извне или совершал бы работу в большем количестве, чем то количество энергии, которое было к нему подведено извне.
В более широком смысле этот закон сформулирован немецким физиком Р.
Эммануэлем (1822—1888), известным больше по ла-
тинскому варианту своей фамилии как Р. Клаузиус. Энергия мира постоянна, т.
е. энергия мира не исчезает и не создается, а существует в постоянном количестве, переходя из одной форму в другую.
Второй закон был сформулирован Клаузиусом:
«Теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому телу». В формулировке У. Кельвина: невозможно создать
Периодически действующую машину, единственным результатом которой было бы поднятие груза за счет охлаждения теплового резервуара.
«Вечный двигатель» первого рода — это периодически действующая машина,
имеющая неиссякаемую внутреннюю энергию, которую можно использовать в виде механического движения рабочего тела (механизма) во внешней среде.
Первый закон классической термодинамики запрещает возможность подобного
«вечного двигателя», поскольку в этом случае существовал бы изолированный от внешней среды вечный источник производства энергии, передающий энергию в форме механического движения в окружающую среду. Эта машина имела бы конечные размеры и бесконечный источник внутренней энергии. Формула А. Эйнштейна Е = тс2, если в эту формулу подставить значение т — 1 кг и с = 300 тыс. км/с, утверждает, что в килограмме массы любого вещества содержится огромная энергия, которой бы хватило для горения электрической лампочки в течение 30 миллионов земных лет (приблизительно 9-Ю16 Дж). Но формула Е = тс2 говорит, что количество энергии в массе вещества ограничено величиной скорости света и количеством массы вещества. «Вечный двигатель» второго рода
не противоречит первому закону классической термодинамики: холодное состояние — это также энергетическое состояние. «Вечный двигатель» второго рода великая мечта инженеров. Это машина, которая бы, например, охлаждая на мизерную величину температуру Мирового океана, производила бы механическую энергию для выработки электричества. Подобная машина противоречит второму закону классической термодинамики: невозможно самопроизвольное, прямое преобразование хаотического теплового движения частиц (молекул) во внешнее механическое движение машины.
Энтропия
Для уточнения физического содержания второго закона термодинамики
Клаузиус ввел понятие энтропии. Энтропия означает
в переводе с латинского языка поворот, превращение. Энтропия выражала у Клаузиуса меру неупорядоченности изолированной термодинамической системы, т. е. переход подобной системы со временем к состоянию хаотического движения составляющих ее элементов.
Энтропияобозначается символом S, а ее изменение — ∆S. В дальнейшем это понятие уточнялось на основе новых термодинамических моделей, отличающихся
от моделей термодинамической системы в классической термодинамике. В частности, во второй половине ХХ в. стали рассматривать прирост энтропии за единицу времени в единице объема в открытых термодинамических системах как функцию диссипации (рассеяния) энергии.
Диссипативнымисистемами называют термодинамические системы, в
которых функция диссипации (прирост энтропии) не равна нулю. В начале второго десятилетия ХХ в. стали пользоваться еще одним понятием, выражающим устойчивое поддержание упорядоченности термодинамической системы во времени. Это понятие называется негэнтропией.Введение этого понятия было связано с применением закона классической термодинамики к живым организмам. В результате было обнаружено существование в природе двух физических процессов: энтропийного и негэнтропийного.
Энтропийный означает, что любая термодинамическая система, изолированная
от внешней среды, переходит со временем от упорядоченного, структурного энергетического состояния к неупорядоченному, хаотическому движению составных ее элементов. Негэнтропийный означает, что организм стремится избежать перехода к состоянию хаоса и беспорядка. По второму закону классической термодинамики живой организм представляет единство положительной и отрицательной энтропии. Жизнь,как писал один из основателей квантовой механики Э. Шредингер, — это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается во времени. Это определение Э. Шредингера появилось уже в сороковых годах ХХ в. в его книге
«Что такое жизнь? (физический аспект клетки)» и было определенным обобщением дискуссий по поводу второго закона классической термодинамики Клаузиуса.
Обобщая свои исследования по термодинамическим системам, Клаузиус высказал следующие положения: энергия мира постоянна; энтропия мира стремится к максимуму.
Обобщение этих положений выразилось в знаменитой формуле: «Энергия—