Система тел называется замкнутой или изолированной, если сумма внутренних сил, действующих между телами системы, много меньше суммы внешних сил, действующих на систему со стороны внешних тел, не входящих в систему. Замкнутая система не обменивается с внешней средой ни массой, ни энергией, ни информацией. В замкнутых системах выполняются законы сохранения физических величин: массы, заряда, энергии и другие. Особенностями законов сохранения являются:
1) независимость законов сохранения от выбора системы отсчёта и времени, от характера действующих сил;
2) простота математических уравнений при большом числе незаданных параметров;
3) отражение законов симметрии.
Каждой сохраняющейся величине соответствует своя симметрия мира. Закон сохранения энергии связан с симметрией времени, закон сохранения импульса с симметрией пространства. Но для некоторых сохраняющихся величин виды симметрии еще не определены.
Понятие массы формируется постепенно в течение веков: от первоматерии через материальную первопричину Аристотеля и нечувствительные корпускулы Ломоносова к количеству вещества Ньютона. В работе «Математические начала натуральной философии»(1687г.) Ньютон даёт определение массы: « Количество материи есть мера таковой, устанавливаемая пропорционально плотности и объёму её»: m = ρV . По первому закону Ньютона масса есть мера инертности тела.
М.В.Ломоносов в 1756г. демонстрирует закон сохранения массы вещества: в запаянном сосуде при нагревании без доступа воздуха вес металла не увеличивается и общая масса сосуда не изменяется. «Все процессы происходят так, что изменения в одном месте обязательно связаны с изменениями в другом. Ничто не исчезает бесследно и не возникает из ничего» ( закон сохранения материи и движения ). Французский химик Антуан Лавуазье (1747 – 1794 г.г.) в 1774 г., выступая против теории флогистона, применяет количественные методы на точных измерениях в кислородной теории горения и подтверждает закон сохранения массы в химических реакциях. Открытие радиоактивности ядер атомов в конце XIX века меняет представление физиков о массе. Масса частиц в ядерных реакциях претерпевает дефект, то есть конечная масса продуктов реакции меньше начальной массы, что явилось подтверждением формулы Эйнштейна Δ E =Δmc 2. А открытия в области астрономии и исследование гравитационных полей утверждают фактическое равенство инертной и гравитационной масс. В настоящее время в понятие массы вкладывается следующий смысл: масса — это физическая характеристика материальных объектов, являющаяся мерой инертности, мерой гравитации и мерой энергии.
Закон сохранения массы гласит: масса замкнутой системы тел не изменяется со временем при всех механических и химических превращениях, но не сохраняется при ядерных реакциях и реакциях с элементарными частицами. Закон сохранения массы является отражением принципа неуничтожимости материи.
Импульсом тела называется векторная величина, равная произведению массы тела на вектор скорости. Закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы тел не изменяется со временем. акон сохранения импульса является отражением свойства однородности пространства: все точки пространства эквивалентны и перестановка начала координат в пространстве не влияет на протекание процессов. Пример: пушка, удар, реактивное движение.
Всемирный закон сохранения энергии гласит: энергия не создаётся сама по себе и не исчезает бесследно, а лишь переходит от одного тела к другому или из одной формы в другую в равных количествах. Этот закон есть результат многолетних исследований многих учёных: Юлиус Майер(1814 – 1878г.г.) и Джеймс Джоуль(1818 – 1889г.г.) вычислили механический эквивалент теплоты, Герман Гельмгольц(1821 – 1894г.г.) обосновал всеобщность закона сохранения энергии.
Особый вид имеет закон сохранения энергии в тепловых процессах. Внутренняя энергия системы (например, идеального газа) является функцией состояния системы и однозначно определяется параметром системы – Т- температурой. Количество теплоты, полученное системой, зависит от разности температур – начальной и конечной, то есть является функцией процесса. Работа, произведённая системой, также не является параметром системы и определяется типом процесса, который происходит в системе (изотермический, изобарический, изохорический, адиабатический ).
Первое начало термодинамики : Q = ΔU + A,
где Q — количество теплоты, ΔU — изменение внутренней энергии, A – работа системы против внешних сил.
Количество теплоты, полученное системой, идёт на изменение внутренней энергии системы и на совершение системой работы против внешних сил.
Отсюда: работа, совершённая системой, меньше количества поступившей теплоты: А = Q — Δ U.
При изотермическом процессе ΔU = 0, и тогда A = Q. Итак, A ≤ Q, то есть совершённая работа не может быть больше, чем количество теплоты, полученное системой.
Машина, которая производила бы работу, большую, чем затраченное количество энергии, то есть создавала работу из ничего, называется вечным двигателем первого рода.
Первое начало термодинамики помогает обосновать невозможность вечных двигателей, которые работали бы без затрат энергии.
Французский механик Сади Карно (1796 – 1832г.г. ) в 1824г. в сочинении «Размышления о движущей силе огня…» показал, что только разность температур нагревателя Т1 и холодильника Т2 обусловливает КПД идеальной тепловой машины, природа же рабочего тела не играет никакой роли. В 1834 г. Бенуа Клапейрон (1799-1864г.г.) придал идее Карно доступную математическую форму. В машине Карно рабочее тело совершает замкнутый процесс – цикл, состоящий из четырёх обратимых процессов: изотермического и адиабатического расширений и изотермического и адиабатического сжатий. Процесс называется обратимым, если система возвращается в исходное состояние через те же параметры, что и при прямом процессе и в окружающей среде не остаётся никаких изменений. Процесс называется необратимым, если при переходе системы в первоначальное состояние хотя бы один из параметров претерпел изменение.
КПД цикла Карно меньше единицы, так как Т 1 – Т 2 < Т 1.
Немецкий физик — теоретик Рудольф Клаузиус (1822 – 1888г.г. ) первый исследовал свойства водяного пара, который Карно предлагал в качестве рабочего тела, и указал путь повышения КПД тепловой машины – повышение температуры рабочего тела. Клаузиус ввёл новое понятие — энтропия ( греч. en- в, trope –поворот, вращение; энтропия – поворот внутрь).
Энтропия равна отношению теплоты к абсолютной температуре. Клаузиус пока- зал, что энтропия определяет направление протекания процесса. Энтропия обратимого цикла Карно оказалась постоянной, не изменилась в конце цикла: ΔS = 0.
Закон, определяющий направление тепловых процессов, можно сформулировать
как закон возрастания энтропии: для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия системы возрастает; максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается при тепловом равновесии:
DS ³ 0.
Немецкий естествоиспытатель Герман Гельмгольц (1821-1894г.г ) разработал термодинамическую теорию химических процессов, введя понятия свободной и связанной энергии.
Работа может быть произведена только за счёт свободной энергии F системы и равна убыли свободной энергии A = — Δ F
F = U – T S, где TS – связанная энергия.
Чем больше энтропия, тем больше связанная энергия, которую нельзя превратить в работу. Чем больше энтропия, тем меньше свободная энергия, которую можно превратить в работу. Рассеянная в системе энергия не может быть превращена в работу, поэтому рост энтропии характеризует неработоспособность системы.
Необратимые процессы ( изохорический, изобарический, нагревание тел, плавление, кипение, трение и др. ) всегда связаны с рассеянием энергии. Энтропия необратимых циклов всегда увеличивается.
Приведем два характерных примера необратимых процессов. Если привести в соприкосновение два тела с различной температурой, то более нагретое тело будет отдавать тепло менее нагретому. Обратный процесс — самопроизвольный переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому — никогда не произойдет. Столь же необратимым является и другой процесс — расширение газа в пустоту. Газ, находящийся в части сосуда, отделенной от другой части перегородкой, заполняет весь сосуд после удаления перегородки. Газ никогда без постороннего вмешательства не соберется самопроизвольно в той же части сосуда, где он находился первоначально.
Всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела покоятся друг относительно друга, обладая одинаковыми температурами и давлением. Достигнув этого состояния, система сама по себе из него не выходит. Значит, все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы . Необратимы и все механические процессы, сопровождающиеся трением между телами. Трение вызывает замедление движения тел, при котором кинетическая энергия переходит в тепло. Замедление эквивалентно приближению к состоянию равновесия, при котором движение отсутствует.
В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы. Следовательно, с помощью тел, находящихся в термодинамическом равновесии, невозможно совершить никакой работы, так как работа связана с механическим движением, т.е. с переходом тепловой энергии в кинетическую.
Утверждение о невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии, составляет сущность второго начала термодинамики.
Окружающая нас среда обладает значительными запасами тепловой энергии. Двигатель, работающий только за счет энергии находящихся в тепловом равновесии тел, был бы для практики вечным двигателем. Второе начало термодинамики исключает возможность создания такого вечного двигателя второго рода.
Распространяя принцип возрастания энтропии на всю Вселенную, Клаузиус пришёл к ошибочному выводу о «тепловой смерти» Вселенной, когда все звёзды в ней остынут до одинаковой температуры, энергия равномерно распределится во всём пространстве и наступит состояние термодинамического равновесия, при котором энергетические процессы прекращаются, а энтропия максимальна. При этом наступает рав
новесие не только температуры, но и давлений, плотностей вещества, химического состава и пр. Разрушатся все галактичекие структуры – наступит Конец света.
Несостоятельность этой гипотезы доказал австрийский физик-теоретик философ Людвиг Больцман (1844-1906г.г.). Он связал энтропию физической системы с термодинамической вероятностью её состояния: S = k lnW, k – постоянная Больцмана. Термодинамическая вероятность W физической системы равна числу микросостояний системы, которое соответствует одному и тому же макросостоянию. Например, три неразличимые, или тождественные, частицы могут распределяться по одной в каждой из трёх частей сосуда шестью комбинациями, то есть W = 6, но это одно и то же макросостояние – в каждой части сосуда находится только одна частица.
Чем больше термодинамическая вероятность системы, тем больше её энтропия. Для конечных систем рост энтропии означает достижение равновесного состояния – теплового равновесия – далее в системе невозможны никакие энергетические процессы.
Необратимость тепловых процессов имеет вероятностный характер. Самопроизвольный переход тела из равновесного состояния в неравновесное не невозможен, а лишь подавляюще маловероятен. В конечном результате необратимость тепловых процессов обусловливается колоссальностью числа молекул, из которых состоит тело. Молекулы газа стремятся к наиболее вероятному состоянию, то есть к состоянию с беспорядочным распределением молекул, при котором примерно одинаковое число молекул движется вверх и вниз, вправо и влево, при котором в каждом объеме находится примерно одинаковое число молекул, одинаковая доля быстрых и медленных молекул в верхней и нижней частях какого-либо сосуда. Любое отклонение от такого беспорядка, хаоса, то есть от равномерного и беспорядочного перемешивания молекул по местам и скоростям, связано с уменьшением вероятности, или представляет собой менее вероятное событие. Напротив, явления, связанные с перемешиванием, с созданием хаоса из порядка, увеличивают вероятность состояния. Только при внешнем воздействии возможно рождение порядка из хаоса, при котором порядок вытесняет хаос. В качестве примеров, демонстрирующих порядок, можно привести созданные природой минералы, построенные человеком большие и малые сооружения или просто радующие глаз своеобразные фигуры.
Для бесконечных систем (Вселенная) все состояния равноправны – энтропия возрастает, не стремясь к максимуму, то есть система не стремится к состоянию теплового равновесия. Процессу рассеяния энергии в таких системах противопоставлен процесс концентрации энергии, например, в чёрных дырах. Во Вселенной тяготение приводит к рождению новых звёзд. Это открытие состоялось в начале ХХ века. «Тепловая смерть» Вселенной невозможна.
Второе начало термодинамики, благодаря работам Карно, Клаузиуса, Уильяма Томсона-лорда Кельвина ( 1824-1907г.г. ), Людвига Больцмана, Макса Планка, имеет следующие формулировки:
1) Теплота никогда не может самопроизвольно переходить от холодного тела к горячему.
2) Невозможен процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты в работу. ( Тепловая машина не может работать без холодильника ).
3) Макросистема не может самопроизвольно переходить из более вероятного состояния в менее вероятное.
4) Энтропия замкнутой системы не может убывать.
5) Вечный двигатель второго рода невозможен. ( Вечный двигатель второго рода – это тепловая машина, КПД которой равен единице).
По степени возрастания энтропии системы можно судить о длительности процессов эволюции системы. Чем выше энтропия системы, тем больший временной проме
жуток система прошла в своей эволюции. Рост времени сопоставляется с необратимым процессом возрастания энтропии в системе. Для образного представления течения времени английский астрофизик А. Эддингтон ввёл «стрелу времени», которая показывает, в каком направлении совершается процесс.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ
1) Каковы физические (агрегатные) состояния вещества?
2) Каковы основные законы сохранения?
3) Как законы сохранения связаны с симметрией пространства – времени?
4) Какой процесс называется обратимым? …необратимым?
5) Какое состояние называется термодинамическим равновесием?
6) Какова сущность первого и второго начал термодинамики?
7) Какая величина называется энтропией системы тел?
8) Чему равно изменение энтропии обратимого процесса в замкнутой системе?
9) Почему невозможен вечный двигатель первого рода? второго рода?
10) Почему невозможна «тепловая смерть» Вселенной?
11) Как энтропия связана с хаосом и упорядоченностью в системе?
12) В каком направлении происходят все естественные процессы?