ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Проблема тепловой смерти Вселенной из "Основы теории тепловых процессов и машин Часть 2 Издание 3 " Энергию можно полностью преобразовать из механической формы в тепловую форму. Например, если равномерно перемещать по полу некоторый груз, то вся затрачиваемая на это механическая энергия посредством трения будет полностью преобразована в тепловую форму. Но в обратном направлении преобразовать энергию из тепловой в механическую форму полностью нельзя. Для преобразования энергии из тепловой в механическую форму требуется тепловая машина, работающая по определенному циклу. Но при работе этой машины даже по идеальному циклу часть энергии из тепловой формы не будет преобразована в механическую форму. Как известно, часть энергии в тепловой форме будет отдана холодильнику (теплоприемнику). [c.80] Таким образом, между двумя формами энергии, тепловой и механической, существует асимметрия в плане взаимного преобразования. [c.80] Энергию хаотического движения молекул газа можно передать окружат ющей среде и другим способом. Бели газ привести в контакт с окружающей средой, имеющей нулевую абсолютную температуру, то внутренняя энергия будет передана окружающей среде путем теплообмена, т. е. в форме теплоты. [c.82] С другой стороны, сжимая газ в цилиндре с помощью подвижного поршня, мы преобразуем упорядоченную форму энергии (механическую энергию) в неупорядоченную (внутреннюю энергию). При этом вся упорядоченная форма энергии полностью переходит в неупорядоченную 4юрму. [c.82] Для работы теплового двигателя нужны два источника теплоты нагреватель и холодильник. Если в качестве холодильника принять окружающую среду, то в этом случае не будет нагревателя, который должен иметь более высокую температуру, чем холодильник. Ведь в самом нагревателе происходит преобразование упорядоченной формы энергии (например, энергии химических связей частиц топлива) в энергию неупорядоченную. Так для нагрева воды в котле нужно сжечь топливо (твердое, жидкое или газообразное). Химическая энергия топлива — упорядоченная форма энергии. Однако мы прищли к выводу, что со временем должны исчезнуть источники с упорядоченной (локализованной) формой энергии. Следовательно, будет неоткуда получать теплоту. [c.83] Бели в качестве высокотемпературного источника теплоты принять окружающую среду, то в этом случае не будет холодильника. Бго нужно создать искусственно. Мы уже знаем, что для локального понижения температуры системы (например, в каком-либо месте) необходимо совершить отрицательную работу И рез (как в холодильнике). Но работа —это способ передачи упорядоченной рмы энергии, которой со временем также не будет. Вся энергия Вселенной будет состоять только из внутренней энергии (неупорядоченной тепловой). Энергия становится недоступной, а Вселенная — мертвой. [c.83] Чтобы часы привести в действие, нужно завести их пружину. Фактически мы снова преобразуем неупорядоченную форму энергии (тепловую энергию, выделившуюся в организме при усвоении пищи) в упорядоченную энергию (движение руки). Рука передает энергию от организма к пружине часов путем совершения работы. [c.84] Английский астрофизик Д. Джинс (1877-1946) писал Второй закон термодинамики заставляет Вселенную все время двигаться в одном направлении по дороге, которая приводит к смерти и уничтожению. [c.84] Но совершенно противоположную позицию заняли философы и физики материалистического направления. Лучше всего об ошибке Клаузиуса, обобщившего принцип возрастания энтропии на всю, Вселенную, написал М. Планк Едва ли вообще есть смысл говорить об энергии или энтропии мира, ибо такие величины не поддаются точному определению. Действительно, можно ли вообще говорить об энергии Вселенной, если до сих пор неизвестны ее размеры. [c.84] В направлении создания теорий, обосновывающих принцип возрастания энтропии и исключающих его распространение на всю Вселенную, работали многие ученые, начиная с Людвига Больцмана (1844-1906 гг.). [c.84] Первую попытку теоретического доказательства второго начала термодинамики Больцман предпринял в 1866 г. (ему тогда было только 22 года). Само название его работы 0 механическом смысле второго закона термодинамики говорит о многом. Больцман действует пока еще полностью в духе своего времени, поскольку механика и механическое мировоззрение достигли в то время наибольшего расцвета. Однако анализ требовал построения механической модели нагретого тела, и ученый представляет последнее в виде системы материальных частиц — молекул (атомов), т. е. опирается на еще не доказанную экспериментальную гипотезу. Весь цикл работ Больцмана по развитию молекулярно-кинетической теории газов был для него все же необходимом этапом для следующей попытки решения сложнейшей проблемы второго начала термодинамики. [c.84] Вследствие огромного числа молекул и их столкновений между собой измерению доступны лишь среднее значение параметров, характеризующих систему в целом. Он устанавливает, что основные законы газов не могут опираться лишь на одну механику. Проблемы механической теории тепла есть проблемы исчисления вероятностей, — со всей определенностью пишет Больцман. Но переход от строго динамических, описываемых уравнениями Ньютона, закономерностей к статистическим, есть качественный скачок, поскольку от рассчитываемых со всей строгостью однозначных характеристик мы переходим к допускаемому известную неоднозначность вероятному описанию. Это было революцией в науке. Больцман установил мостик между двумя мирами — микромиром и макромиром. [c.84] В термодинамике рассматриваются в основном макроскопические тела (их размеры бесконечно большие по сравнению с частицами, из которых они состоят). С помощью таких параметров, как масса, объем, температура, давление, количество вещества задается макросостояние системы (тела). Свойства макросистемы могут быть определены путем проведения прямых и (или) косвенных измерений, а также вычислений. Однако свойства макросистемы зависят от поведения тех частиц, из которых она состоит (молекул, атомов). Типичные макроскопические системы содержат порядка 10 ... 10 взаимодействующих частиц. [c.85] Одним из наиболее важных свойств макроскопических систем, как мы уже знаем, является их стремление к беспорядку, А именно если вначале частицы упорядочены и система изолирована от внешних воздействий, то после удаления внутренних связей частицы будут стремиться прийти в беспорядок. Пример этой тенденции можно наблюдать, добавив чернила в стакан воды. Допустим, что чернила имеют одинаковую с водой плотность и их осторожно льют на поверхность воды. Стакан стоит неподвижно, и внешние условия не меняются. Мы знаем, что по прошествии некоторого промежутка времени чернила и вода полностью перемешаются. Исходя из своего опыта, мы можем сказать, что природная тенденция микроскопических систем к беспорядку определяет направление или вектор времени. [c.85] Смесь чернил с водой может быть описана путем задания ее микроскопического состояния или микросостояния. Такое описание отвечает наиболее полной, совместимой с законами механики характеристике всех молекул системы. Согласно классической механике, такое описание соответствует заданию координат и скоростей каждой молекулы. [c.85] Микроскопическое состояние системы меняется самым невообразимым образом. При этом каждое микросостояние равновероятно. Это означает, что имеется большое число микросостояний, приводящих к одному и тому же макросостоянию. Со временем, как бы не менялись микросостояния, макросостояние системы приходит в устойчивое (равновесное) состояние. [c.85] Вернемся к опыту с чернилами. В рассматриваемом случае чернила полностью перемешались с водой. Но также возможен и другой процесс, когда чернила самостоятельно соберутся в верхней части стакана и выделяются из воды полностью. Равновероятность микросостояний заключается как раз в том, что процесс может идти как в одну сторону, так и в другую. Тогда возникает вопрос А какой процесс наиболее вероятный... . Естественно можно утверждать, что вероятность смешения чернил с водой равна почти 100%, а обратный процесс — почти 0%. В принципе обратный процесс (самостоятельного выделения чернила из воды) может произойти, но его вероятность до бесконечности мала. [c.85] Следовательно, в рассматриваемой термодинамической системе процессы могут пойти в одном из двух направлений — либо в направлении хаоса неупорядочения энергии), либо в направлении упорядочения энергии (рис. 8.36). Какое из этих направлений наиболее вероятно Природа избрала первое направление (рис. 8.37), хотя не исключает и второе. Это вовсе не означает, что термодинамическая система стремится к беспредельному хаосу. Она лишь стремится к наиболее вероятному состоянию хаоса. При движении системы к наиболее вероятному состоянию хаоса самым различным образом меняются ее как микросостояния, так и макросостояния. Достигнув наиболее вероятного состояния, система прекращает изменять свое макросостояние (не изменяются р, V, Г). Этому макросостоянию могут соответствовать большое, но конечное число микросостояний. [c.86] Макросостояние системы самостоятельно не может измениться. А что происходит с микросостоянием системы Они могут изменяться. Тогда возникает вопрос Сколько вообще существует микросостояний газа в сосуде, при которых его внутренняя энергия не меняется . Рассмотрим эти состояния. [c.86] Вернуться к основной статье