Глава 11. Второе начало термодинамики

Незнание второго начала термодинамики равносильно незнанию произведений Шекспира.

Чарльз Сноу

Если Первое начало термодинамики говорит, что все процессы в изолированной системе приводят к ее переходу в неактивное состояние, в Хаос, то Второе начало утверждает, что сама собой система выйти из коматозного состояния не способна.

Для наглядности рассмотрим два простых примера.

Пример первый. В двух сообщающихся сосудах налита вода. Уровни воды в обоих сосудах одинаковы (так всегда бывает в сообщающихся сосудах).

Возможно ли, что бы уровни воды в сосудах сами собой (без всякого внешнего воздействия) вдруг изменились? Чтобы в одном из сосудов уровень воды поднялся, а в другом опустился, то есть возникла бы разность потенциалов, обеспечивающая возможность совершения работы?

Пример второй. У нас есть один достаточно большой сосуд с водой. Плотность воды одинакова по всему объему сосуда и составляет 1 г/см³, что подтверждает помещенный в воду ареометр.

Возможно ли, чтобы без всякого внешнего воздействия в каком-то месте сосуда вода вдруг приобрела большую или меньшую плотность. Например, ее плотность в одном месте сосуда стала бы 1,2 г/см³,а в другом – 0,8 г/см³?

Ответ представляется очевидным.

Конечно, ни то, ни другое – невозможно!

Таких событий еще никто никогда не наблюдал.

Правда, невозможность первого и второго событий – разная.

В первом случае она носит безусловный характер, а во втором – вероятностный.

В чем разница?

А разница в том, что в первом случае мы имеем дело с макрообъектом, в данном случае – с жидкостью, поведение которой предсказуемо, и мы точно знаем, чего можно от нее ожидать. Во втором случае приходится иметь дело с поведением частиц, составляющих вещество, предсказать поведение каждой из которых невозможно. Тут мы можем говорить лишь о вероятности того, где каждая из этих частиц окажется в тот или иной момент времени.

Строго говоря, приведенные примеры – из области не термодинамики, а гидродинамики, науки о движении жидкостей. Но во многих случаях теплота ведет себя подобно жидкости, так что аналогия тут уместна.

Когда речь заходит о Втором начале термодинамики, обычно приводят такой пример. Представьте себе изолированную систему, состоящую из двух сосудов, соединенных трубкой. Сосуды заполнены каким-нибудь газом, да хоть обычным воздухом, который, само собой, равномерно распределяется по всему предоставленному ему объему. Как сделать так, чтобы в одном сосуде воздух нагрелся, а в другом охладился? Не прибегая, естественно, к внешним воздействиям.

Вспомним, что температура физического тела (и газа тоже) определяется интенсивностью колебаний составляющих его частиц. Чем быстрее движутся частицы, тем выше температура (и ниже плотность). При любой исходной температуре в газе имеются частицы, колеблющиеся с разной скоростью. Вот если бы мы могли разделить их: медленные – налево, быстрые – направо… Тогда между сосудами возникла бы разница температур. Но как это сделать?

С точки зрения теории вероятностей, если сидеть у таких сосудов очень долго, очень-очень долго, века, тысячелетия, миллионы, а может быть и миллиарды лет, или еще дольше, то однажды произойдет чудо, и все быстрые частицы соберутся в одном сосуде, а медленные – в другом.

Можно этому верить, можно нет.

Вот, у Максвелла, например, не хватило терпения: он предложил на трубке, соединяющей сосуды, установить кран и посадить у крана демона, который бы в одну сторону пропускал только быстрые частицы, а в другую – только медленные. Этот неутомимый демон вошел в учебники под названием «демон Максвелла».

Демон Максвелла

В жизни таких демонов не бывает. А потому и самопроизвольного возникновения разности потенциалов в изолированной системе не бывает тоже.

На практике Второе начало термодинамики означает, что равномерное, равновесное состояние изолированной системы является наиболее вероятным, и поэтому система всегда, в любой момент времени, стремится это состояние сохранить.

Совместное действие Первого и Второго начал термодинамики на изолированную систему выражает Закон возрастания энтропии, который можно сформулировать следующим образом: «В изолированной термодинамической системе энтропия не может убывать. Она или сохраняется, если в системе происходят только обратимые процессы, или возрастает, если в системе протекает хотя бы один необратимый процесс».

В соответствии с этим законом реальная изолированная система стремится к максимальному значению энтропии, при котором наступает состояние термодинамического равновесия.

А когда такое равновесие наступило, выйти из него (перейти в неравновесное состояние) система сама уже не способна.

Применительно к Вселенной это означает, что самостоятельно вывести себя из состояния с максимальной энтропией и нулевой энергией, то есть из «неактивного» состояния Вселенная не может.

Это все равно как попытатиься вытащить самого себя из болота за волосы.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.