Термодинаміка

Якби у всіх вищенаведених прикладах зворотні процеси реалізувалися, це не привело б до порушення першого початку термодинаміки. Для того щоб пояснити відсутність оборотності процесів, вчені в другій половині минулого століття прийшли до формулювання нового закону, відомого за назвою другий початок термодинаміки. Відповідно до цього закону, можна судити про те, які процеси можливі в природі, а які неможливі. Другий початок термодинаміки можна сформулювати багатьма способами, причому усі вони еквівалентні один одному. Одне з формулювань, що належить Р.Ю.Э. Клаузіусу (1822-1888), говорить, що теплота в природних умовах переходить від гарячого тіла до холодного, у той час, як від холодного тіла до гарячого теплота сама по собі не переходить. Оскільки це твердження відноситься до процесу визначеного типу, не цілком очевидно, яким чином застосувати його до інших процесів. Потрібно більш загальне формулювання, у якому явно будуть враховані й інші можливі процеси..

Історично більш загальне формулювання другого початку термодинаміки вироблялося в основному в ході вивчення теплових двигунів (чи, як їх називали раніше – теплових машин). Тепловий двигун - це будь-який пристрій, що перетворить теплову енергію в механічну роботу. Нижче ми перейдемо до вивчення теплових двигунів, що становить інтерес із практичної точки зору і демонструє їхню важливість для загального формулювання другого початку термодинаміки.Другий початок термодинаміки - закон зростання ентропії: у замкнутій (тобто ізольованій в тепловому і механічному відношенні) системі ентропія або залишається незмінною (якщо в системі протікають зворотні, зрівноважені процеси), або зростає (при нерівних процесах) і в стані рівноваги досягає максимуму. Існують і інші еквівалентні формулювання другого початку термодинаміки, що належать різним ученим: неможливий перехід теплоти від тіла більш холодного до тіла, більш нагрітого, без яких-небудь інших змін у системі або навколишньому середовищі (Р.Клаузиус); неможливо створити періодично діючу, тобто здійснюючу якийсь термодинамічний цикл, машину, уся робота якої зводилася б до підняття деякого вантажу і відповідному охолодженню теплового резервуара (В.Томсон, М.Планк); неможливо побудувати вічний двигун другого роду, тобто теплову машину, що результатом виконання колового процесу (циклу) цілком перетворить теплоту, одержувану від якогось одного "невичерпного" джерела (океану, атмосфери і т.д.) у роботу (В.Оствальд).

В.Томсон (лорд Кельвін) сформулював принцип неможливості створення вічного двигуна другого роду, у 1852 році прийшов до формування концепції "теплової смерті" Всесвіту. Її суть розкривається в таких положеннях. По-перше, у Всесвіті існує тенденція до марнування механічної енергії По-друге відновлення механічної енергії в старій кількості не може бути здійснено. По-третє, у майбутньому Земля опинеться в негожому для життя людини стані. Через 20 років Клаузіус приходить до того ж висновку, сформулювавши другий початок термодинаміки: ентропія Всесвіту прямує до максимуму. (Під ентропією він розумів розмір, що подає собою суму всіх перетворень, що повинні були мати місце, щоб привести систему в її теперішній стан.)

Суть у тому, що в замкнутій системі ентропія може тільки зростати або залишатися постійною. Інакше кажучи, у всякій ізольованій системі теплові процеси однонаправлені, що і приводить до збільшення ентропії. Варто ентропії досягти максимуму, як теплові процеси в такій системі припиняються, що означає прийняття всіма тілами системи однакової температури і перетворення усіх форм енергії в теплову. Виникнення стану термодинамічної рівноваги приводить до припинення всіх макропроцесів, що означає стан "теплової смерті".

Для поширення другого початку термодинаміки на інші необоротні процеси було введене поняття ентропії як міри безладдя. Для ізольованих систем другий початок термодинаміки можна свормулювати так: ентропія системи ніколи не зменшується. Система, що знаходиться в стані рівноваги, має максимальну ентропію.

Поняття ентропії пов'язують і з поняттям інформації. Система, що знаходиться в упорядкованому стані, містить багато інформації, а неупорядкована система містить мало інформації. Так, наприклад, текст книги містить багато інформації, а випадковий набір букв не несе інформації. Інформацію тому й ототожнюють із негативною ентропією. При рості ентропії інформація зменшується.

Серед багатьох висунутих проти цього висновку заперечень найбільше відомим було заперечення Максвела. Він виходив із того, що другий початок має обмежену галузь використання. Максвел вважав другий початок термодинаміки справедливим, поки ми маємо справу з тілами, що володіють великою масою, коли немає можливості розрізняти в цих масах окремі молекули і працювати з ними. Він запропонував виконати уявний експеримент - уявити собі істоту, спроможню стежити за кожною молекулою у всіх її прямуваннях, і розділити якиусь посудину на дві частини перегородкою з маленьким отвором у ній. Ця істота (названа "демоном Максвела"), спроможна розрізняти окремі молекули, буде то відчиняти, то закривати отвір таким чином, щоб молекули, що швидко рухаються, могли переходити в іншу половину. У цьому випадку "демон Максвелла" без витрати роботи зміг би підвищити температуру в першій половині судини і понизити в другий всупереч другому початку термодинаміки.