Скачать

Развитие термодинамики. Формирование представлений о превращении энергии

Термодинамика - раздел прикладной физики или теоретической теплотехники, в котором исследуется превращение движения в теплоту и наоборот. В термодинамике рассматриваются не только вопросы распространения теплоты, но и физические и химические изменения, связанные с поглощением теплоты веществом, а также, наоборот, выделение теплоты в ходе физических и химических превращений.

Термодинамика находит широкое применение в физической химии и химической физике при анализе физических и химических процессов, в современной физиологии и биологии, в двигателестроении, теплотехнике, авиационной и ракетно-космической технике. Первоначально в термодинамике много внимания уделялось обратимым процессам и равновесным состояниям, так что более подходящим для нее казалось название "термостатика", но благодаря С.Аррениусу (1859–1927) и Г. Эйрингу (1901–1981) получило весьма основательную разработку ее применение к анализу скоростей химических реакций (химической кинетике). В настоящее время главной проблемой в термодинамике является ее применение к необратимым процессам, и уже достигнуты большие успехи в построении теории, по широте охвата сравнимой с термодинамикой обратимых процессов.

1. Развитие термодинамики. Формирование представлений о превращении энергии

До возникновения термодинамики понятие времени по существу отсутствовало в классической физике в том виде, в каком оно рассматривается в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающие во времени и имеющих свою историю. Хотя в качестве переменной время входит во все уравнения классической и квантовой механики, тем не менее, оно не отражает внутренние изменения, которые происходят в системе. Именно поэтому в уравнениях физики его знак можно менять на обратный, т.е. относить его как будущему, так и к прошлому.

Положение существенно изменилось после того, как физика вплотную занялась изучением тепловых процессов, законы которых были сформулированы в классической термодинамике. Если прежняя динамика описывала законы движения тел под воздействием внешних сил, сознательно отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в механических системах, то термодинамика вынуждена была исследовать физические процессы при различных преобразованиях тепловой энергии. Однако она не анализирует внутреннее строение термодинамических систем, как это делает статистическая физика, рассматривающая теплоту как беспорядочное движение огромного числа молекул.

Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла. Самым очевидным является тот факт, что распространение тепла представляет собой необратимый процесс. Хорошо известно, например, что тепло, возникшее в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в энергию и потом использовать для производства работы. Не менее известно, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот (1, 14).

Термодинамика рассматривает системы, между которыми возможен обмен энергией, без учета микроскопического строения тел, составляющих систему, и характеристик отдельных частиц. Различают термодинамику равновесных систем или систем, переходящих к равновесию (классическая, или равновесная термодинамика) и неравновесных систем (неравновесная термодинамика). Классическая термодинамика чаще всего называется просто термодинамикой и именно она составляет основу так называемой Термодинамической Картины Мира (ТКМ), которая сформировалась к середине 19 в. Неравновесная термодинамика получила развитие во второй половине 20-го века и играет особую роль при рассмотрении биологических систем и феномена жизни в целом.

Таким образом, при исследовании тепловых явлений выделились два научных направления:

1. Термодинамика, изучающая тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества;

2. Молекулярно-кинетическая теория (развитие кинетической теории вещества в противовес теории теплорода) (1, 19).

В 18 в. были изобретены паровые насосы, а затем паровые машины. В начале 19 века появились пароходы, началось строительство железных дорог. Широкое применение пара выдвинуло на первый план исследования тепловых явлений, поиск путей повышения эффективности паровых машин. Возникла и стала быстро развиваться термодинамика. Процесс ее развития был фактически процессом интеграции знаний. Если в начале века только что родившаяся термодинамика выступала как механическая теория теплоты, то на склоне века она представляла собой весьма общую теорию, выходящую собственно за рамки тепловых явлений, прикладываемую ко всем физическим и химическим процессам, происходящим в веществе, в различных системах. Важным достижением на пути этого процесса интеграции знаний было открытие фундаментального закона природы - закона сохранения и превращения энергии.

Основатель термодинамики С. Карно в своем труде "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способах развивать эту силу" пишет: "Тепло - это не что иное, как движущая сила, или вернее движение, изменившее свой вид. Это движение частиц тел. Таким образом, можно высказать общее положение: движущая сила существует в природе в неизменном количестве, она никогда не создается, никогда не уничтожается; в действительности она меняет форму, т.е. вызывает то один род движения, то другой ..." Чтобы усмотреть здесь закон сохранения и превращения энергии - достаточно вместо "движущей силы" поставить "энергию" (термин "энергия" был введен еще Юнгом в 1807 г., но прижился не сразу; под "энергией" Юнг понимал произведение массы тела на квадрат его скорости).

Открытие закона сохранения и превращения энергии обычно связывают с именами Р. Майера, Д. Джоуля, Г. Гельмгольца. Второе начало термодинамики как некоторое эмпирическое правило было впервые сформулировано в 1850 г. Р. Клаузиусом и в 1851 У.Томсоном (Клаузиус ввел понятия внутренней энергии, а также величины, названной "энтропией") (1, 23).

1.1 Первый закон термодинамики

На рис. 1 условно изображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами. Величина Q > 0, если тепловой поток направлен в сторону термодинамической системы. Величина A > 0, если система совершает положительную работу над окружающими телами.

Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, то есть изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем).

Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.

Рисунок 1 - Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими телами в результате теплообмена и совершаемой работы

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы. Он формулируется следующим образом:

Изменение ΔU внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами

ΔU = Q – A

1.2 Второй закон термодинамики

На современном научном языке второе начало термодинамики звучит так: В необратимых процессах полная энтропия системы всегда возрастает. Клаузиус и Томсон пришли к фундаментальному выводу, относящемуся к Вселенной в целом. В действительности обратимых процессов не бывает. Любое механическое движение происходит с хотя бы с малой долей превращения механической энергии в тепловую - выделяемую при трении. Рано или поздно все движущиеся тела остановятся, наступит равновесие, отвечающее максимальной энтропии. Томсон заключил, что "миру грозит тепловая смерть". И в то же время "энергия мира остается неизменной". Второй закон термодинамики называют законом возрастания энтропии.

В дальнейшем немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822—1888) использовал для формулировки второго закона термодинамики понятие энтропии, которое впоследствии австрийский физик Людвиг Больцман (1844— 1906) интерпретировал в терминах изменения порядка в системе. Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе. В таком случае второй закон термодинамики постулирует:

Энтропия замкнутой системы, т. е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией ни веществом, постоянно возрастает.

А это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным (2, 47).

Поскольку об изменении систем в классической термодинамике мы можем судить по увеличению их энтропии, то последняя и выступает в качестве своеобразной стрелы времени. В механических процессах ни о каком реальном времени говорить не приходится. Задав в них начальное состояние (координаты и импульсы), можно, согласно уравнениям движения, однозначно определить любое другое ее состояние в будущем или прошлом. Поэтому время в них выступает просто как параметр, знак которого можно менять на обратный, и таким образом вернуться к первоначальному состоянию системы. Ничего подобного не встречается в термодинамических процессах, которые являются необратимыми по своей природе.

Термодинамика впервые ввела в физику понятие времени в весьма своеобразной форме, а именно необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больший временной промежуток прошла система в своей эволюции.

Тепловые и механические процессы несхожи. Все явления, описываемые механикой Ньютона, - чисто механические явления - обратимы. Это значит, что законы механики не меняются при изменении знака времени, т.е. замены в формулах t на -t. В самом деле, второй закон Ньютона содержит ускорение (вторую производную от перемещения по времени), где время в квадрате.

Но что такое знак времени? Время течет из прошлого через настоящее в будущее. Возвращение назад не происходит. Действительность необратима. Человек рождается, растет, достигает зрелости, старится и умирает. Жизнь необратима. Если выразить математически, то в уравнение движения войдет сила трения, пропорциональная скорости, (скорость в первой степени и инвариантность по отношению к замене t на -t исчезает).

Если два тела с разными температурами, находятся в контакте, теплота перетекает от более нагретого тела к менее нагретому. Температуры выравниваются. Прошлое - разность температур, будущее - равные температуры. Процесс перехода теплоты от одного тела к другому необратим. Невозможно самопроизвольно разделение тела, находящегося при определенной температуре, на две части - горячую и холодную. Различие между механическими и тепловыми явлениями оказались связанными с самыми глубокими вопросами естествознания (2, 59).

Раскрытие природы и смысла необратимых процессов стало одной из центральных проблем физики 19 века. И не только физики. Система, в которой протекают тепловые процессы, способна к необратимому развитию, т.е. к эволюции. Ясное понимание такой способности пришло в науку лет через тридцать после труда Карно, но было этим трудом подготовлено. В те же десятилетия строилась эволюционная теория в биологии, нашедшая свое выражение в "Происхождении видов" Чарльза Дарвина, опубликованном в 1859 г. Речь шла об эволюции, т.е. о необратимом развитии живой природы. Наиболее резкое противоречие в прошлом веке возникло между прежней физикой и эволюционной теорией Дарвина. Если, например, в механике все процессы представляются обратимыми, лишенными своей истории и развития, то теория Дарвина убедительно доказала, что новые виды растений и животных возникают в ходе эволюции в результате борьбы за существование. В этой борьбе выживают те организмы, которые оказываются лучше приспособленными к изменившимся условиям окружающей среды. Следовательно, в живой природе все процессы являются необратимыми. То же самое можно сказать в принципе и о социально-экономических, культурно-исторических и гуманитарных системах, хотя эволюция в природе происходит значительно медленнее, чем в обществе. Связи между биологией и физикой, вначале казавшиеся несуществующими, сыграли громадную роль в развитии науки.

В изолированных системах направление времени совпадает с направлением возрастания энтропии. К моменту зарождения термодинамики в естествознании господствовала механика Ньютона с обратимым временем, механика неразвивающегося мира. Времени в этом естествознании не было. Оно существовало в гуманитарных науках, прежде всего в истории. Время впервые появилось во втором начале термодинамики - возникло необратимое возрастание энтропии в самопроизвольных процессах. Но в остальном термодинамика была термостатикой - наукой о равновесиях и равновесных процессах.

1.3 Третий закон термодинамики

При стремлении температуры к абсолютному нулю, энтропия системы приближается к постоянному минимуму. Энтропия открыла путь от технологии (тепловые машины) к космологии (направление времени и судьба Вселенной). Он знаменовал переход от существующего к возникающему. Наступил век Дарвина - из биологии (а также гуманитарных наук) в физику вошли представления о развитии, о росте вероятности состояния физической системы. Первый этап термодинамики завершился построением статистической физики в трудах Больцмана и Гиббса. Энтропия стала мерой неупорядоченности системы, объективной характеристикой недостатка информации о системе (3, 64).

На втором этапе развития термодинамики наука обратилась к изучению открытых неравновесных систем, близких, однако, к равновесию. Это линейная термодинамика открытых систем создана трудами Онзагера, Пригожина и других наших современников. В этой науке зависимость от времени стала количественной. Неравновесная термодинамика не ограничивается констатацией возрастания энтропии в необратимых процессах, но вычисляет скорость этого возрастания - производную продукции энтропии по времени, т.е. функцию диссипации. Два основных положения линейной термодинамики существенны и нетривиальны. Во-первых, возможность существования открытой системы в стационарном неравновесном состоянии, в котором внутренняя продукция энтропии компенсируется ее оттоком из открытой системы. Во-вторых, сопряжение динамических процессов, благодаря которому в открытой системе процесс, невозможный в отсутствие сопряжения, так сам по себе он связан с понижением энтропии, реализуется за счет свободной энергии других, энтропийно выгодных процессов.

Классическая термодинамика оказалась неспособной решить и космологические проблемы характера процессов, происходящих во Вселенной. Первую попытку распространить законы термодинамики на Вселенную предпринял один из основателей этой теории — Р. Клаузиус, выдвинувший два постулата:

• энергия Вселенной всегда постоянна;

• энтропия Вселенной всегда возрастает (3, 84).

Если принять второй постулат, то необходимо признать, что все процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующего максимуму энтропии, а следовательно, состояния, характеризуемого наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселенной наступит тепловая смерть и никакой полезной работы в ней произвести будет нельзя. Такие мрачные прогнозы встретили критику со стороны ряда выдающихся ученых и философов, но в середине прошлого века было еще мало научных аргументов для опровержения мнения Р. Клаузиуса и обоснования альтернативного взгляда. Некоторые авторы предполагали, что наряду с энтропийными процессами в природе происходят антиэнтропийные процессы, которые препятствуют наступлению "тепловой смерти" во Вселенной. Другие высказывали сомнение в правомерности распространения понятий термодинамики, в частности энтропии, с отдельных систем на Вселенную в целом. Но только единицы догадывались, что само понятие закрытой, или изолированной, системы является далеко идущей абстракцией, не отражающей реальный характер систем, которые встречаются в природе.

В последние десятилетия наступил третий этап развития термодинамики - возникла физика диссипативных систем, физика неравновесных процессов. Открытые системы способны творить порядок из хаоса за счет экспорта энтропии, ее оттока из открытой системы. Организм питается отрицательной энтропией, а не положительной энергией. Сформировалась новая область физики - физика диссипативных систем или синергетика (Хакен). Через сто лет после "Происхождения видов" Дарвина физика объединилась с биологией в понимании процессов необратимого развития, естествознание впервые встретилось с синергетикой именно в "Происхождении видов".

Термодинамика превратилась в стройную феноменологическую теорию, описывающую в самом общем виде энергетические процессы в любых системах; понятия, принципы, методы термодинамики оказались поистине всеобъемлющими.

Заключение

Современная наука и синергетика объясняют процесс самоорганизации систем следующим образом.

1. Система должна быть открытой. Закрытая система в соответствии с законами термодинамики должна в конечном итоге прийти к состоянию с максимальной энтропией.

2. Открытая система должна быть достаточно далека от точки термодинамического равновесия. В точке равновесия система обладает максимальной энтропией и поэтому не способна к какой-либо организации: в этом состоянии достигается максимум ее самодезорганизации. В состоянии, близком к равновесию, система со временем приблизится к нему и придет в состояние полной дезорганизации.

3. Фундаментальным принципом самоорганизации служит возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения, системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Но в открытых системах благодаря усилению неравновесности эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к "расшатыванию" прежнего порядка и возникновению нового. Этот процесс обычно характеризуют как принцип образования порядка через флуктуации. Так как флуктуации носят случайный характер, то становится ясно, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов. Об этом говорили античные философы Эпикур (341–270 до н.э.) и Лукреций Кар (99–45 до н.э.)

4. Возникновение самоорганизации опирается на положительную обратную связь. Функционирование различных автоматических устройств основывается на принципе отрицательной обратной связи, т.е. на получение обратных сигналов от исполнительных органов относительно положения системы и последующей корректировки этого положения управляющими устройствами. В самоорганизующейся системе изменения, появляющиеся в системе, не устраняются, а накапливаются и усиливаются, что и приводит в конце концов к возникновению нового порядка и структуры.

5. Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. Так, мы уже видели, что при описании необратимых процессов пришлось отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.

6. Самоорганизация может начаться лишь в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления коллективного поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.

Можно сделать вывод, что чем выше по эволюционной лестнице система, тем более сложными и многочисленными оказываются факторы, играющие роль в самоорганизации.

Три закона термодинамики вместе с молекулярно-кинетической теорией составили основу термодинамики, сформировавшейся ныне в универсальную строго логическую научную дисциплину.

Глоссарий

Адиабатически изолированная система — термодинамическая система, которая не обменивается с окружающей средой энергией в форме теплоты.

Внешние силы - это силы, действующие на тело извне. Под влиянием внешних сил тело или начинает двигаться, если оно находилось в состоянии покоя, или изменяется скорость его движения, или направление движения. Внешние силы в большинстве случаев уравновешены другими силами и их влияние незаметно.

Внутренняя энергия - полная энергия этого тела за вычетом кинетической энергии тела как целого и потенциальной энергии тела во внешнем поле сил.

Механические системы - обладает определённым числом k степеней свободы и описывается с помощью обобщённых координат q1, … qk.

Обратимый процесс - равновесный тепловой процесс называется обратимым, если его можно провести обратно и в телах, окружающих систему, не останется никаких изменений.

Открытая система - система, которая взаимодействует с окружающей ее средой в каком-либо аспекте: информационном, энергетическом, вещественном и т. д.

Равнове́сный тепловой процесс — тепловой процесс, в котором система проходит непрерывный ряд бесконечно близких равновесных термодинамических состояний

Изолированная система (замкнутая cистема) — термодинамическая система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. Молекулярно-кинетическая теория -

Тепловой процесс - изменение макроскопического состояния термодинамической системы. Система, в которой идёт тепловой процесс, называется рабочим телом.

Тепловая энергия - форма энергии, связанная с движением атомов, молекул или других частиц из которых состоит тело.

Термодинамика - раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии.

Классическая механика - механика, в основе которой лежат Ньютона законы механики и предметом изучения которой является движение макроскопических материальных тел, совершаемое со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света.

Квантовая механика - фундаментальная физическая теория динамического поведения всех элементарных форм вещества и излучения, а также их взаимодействий. Квантовая механика представляет собой теоретическую основу, на которой строится современная теория атомов, атомных ядер, молекул и физических тел, а также элементарных частиц, из которых все это состоит.

Энтропия - (от греч. ἐντροπία — поворот, превращение) — понятие, впервые введённое Клаузиусом в термодинамике для определения меры необратимого рассеивания энергии, меры отклонения реального процесса от идеального. Определённая как сумма приведённых теплот, она является функцией состояния и остаётся постоянной при обратимых процессах, тогда как в необратимых — её изменение всегда положительно.

Именной указатель

Людвиг Больцман — австрийский физик-теоретик, основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории. Член Австрийской академии наук (1895), член-корреспондент Петербургской академии наук (1899) и ряда других.

Джозайя Уиллард Гиббс — американский математик, физик и физикохимик, один из создателей векторного анализа и математической теории термодинамики, что во многом предопределило развитие всех современных точных наук и естествознания в целом; чей образ запечатлён в "Галерее славы великих американцев". Его имя присвоено многим величинам и понятиям химической термодинамики: энергия Гиббса, парадокс Гиббса, правило фаз Гиббса — Гельмгольца, треугольник Гиббса — Розебома, уравнения Гиббса — Дюгема и др.

Гельмгольц Герман Людвиг Фердинанд - немецкий естествоиспытатель, член Берлинской АН (1871). Р. в Потсдаме. Физические исследования относятся к электродинамике, оптике, теплоте, акустике, гидродинамике. В работе "О сохранении силы" (1847) сформулировал и математически обосновал закон сохранения энергии, отметив его всеобщий характер, этому закону подчиняются механические, тепловые, электрические, физиологические и другие процессы. Разработал термодинамическую теорию химических процессов, введя широко используемые понятия свободной и связанной энергии.

Джеймс Прескотт Джоуль — английский физик. Джоуль изучал природу тепла, и обнаружил её связь с механической работой. Это привело к теории сохранения энергии, что в свою очередь привело к разработке первого закона термодинамики. В честь Джоуля названа единица измерения энергии — джоуль. Он работал с лордом Кельвином над абсолютной шкалой температуры, делал наблюдения над магнитострикцией, открыл связь между током, текущем через проводник с определённым сопротивлением и выделяющемся при этом теплом, названный законом Джоуля.

Карно Лазар Никола - французский математик, член Парижской АН (1796).. Труды по математическому анализу и проективной геометрии. Выпустил книгу "Размышления о метафизике бесконечно малых".

Клаузиус Рудольф Юлиус Эммануэль - немецкий физик, один из основателей термодинамики и молекулярно-кинетической теории теплоты. Первым понял и проанализировал глубокие идеи С. Карно и оценил их значение для теории теплоты и тепловых машин. Развивая эти идеи в 1850 дал первую формулировку второго начала термодинамики; "Теплота не может сама собою перейти от более холодного тела к более тёплому". К. доказал, что не существует способа передачи теплоты от более холодного тела к более нагретому без того, чтобы в природе не произошло каких-либо изменений, которые могли бы компенсировать такой переход. В 1865 К. ввёл понятие энтропии.

Уи́льям То́мсон, лорд Ке́львин - один из величайших физиков. Опубликовал ряд работ по приложению рядов Фурье к вопросам физики, провёл важные аналогии между явлениями распространения тепла и электрического тока и показал, как решение вопросов из одной из этих областей применить к вопросам другой области. Развил принципы, которые затем плодотворно приложил ко многим вопросам динамической геологии, например, к вопросу об охлаждении земли.

Список использованной литературы

1. Карпенков С.Х. Основные концепции естествознания.- М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 2002

2. Савченко В.Н. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. – Владивосток: изд-во ДВГАЭУ, 2001

3. Салопов Е.Ф. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие для студ. высш. учеб, заведений. — М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2004