Термодинамические законы

1.Термодинамические законы

Всякая термодинамическая  система в любом состоянии  обладает внутренней энергией - энергией теплового (поступательного, вращательного  и колебательного) движения молекул  и потенциальной энергией их взаимодействия.Возможны два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними телами: путем совершения работы и путем теплообмена.

Известно, что в  процессе превращения энергии выполняется  закон сохранения энергии. Поскольку  тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то при всех превращениях должен выполняться  закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движении. В этом заключается качественная формулировка закона сохранения энергии  для термодинамической системы - первое начало термодинамики. Количественная его формулировка: количество теплоты  Q, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии U и на совершение телом работы A.

Из первого начала термодинамики следует важный вывод: невозможен вечный двигатель первого  рода, т. е. такой двигатель, который  совершал бы работу "из ничего", без  внешнего источника энергии. При  наличии внешнего источника часть  энергии неизбежно переходит  в энергию теплового, хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного  превращения энергии внешнего источника в полезную работу.Многочисленные опыты показывают, что все тепловые процессы необратимы в отличие от механического движения.

Если реализуется  какой-либо термодинамический процесс, то обратный процесс, при котором  проходятся те же тепловые состояния, но только в обратном направлении, практически  невозможен. Другими словами, термодинамические  процессы необратимы.

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, отдаленной 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 тел 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.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, т. е. состоянию с беспорядочным распределением молекул, при котором примерно одинаковое число молекул движется вверх и вниз, вправо и влево, при котором в каждом объеме находятся примерно одинаковое число молекул, одинаковая доля быстрых и медленных молекул в верхней и нижней частях какого-либо сосуда. Любое отклонение от такого беспорядка, хаоса, т. е. от равномерного и беспорядочного перемешивания молекул по местам и скоростям, связана 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.Количественной характеристикой теплового состояния тела является число микроскопических способов, которыми это состояние может быть осуществлено. Это число называется статистическим весом состояния; обозначим его буквой Г. Тело, предоставленное самому себе, стремится перейти в состояние с большим статистическим весом.

Принято пользоваться не самим числом Г, а его логарифмом, который еще умножается на постоянную Больцмана k. Определенную таким образом величину  S = k lnГ   называют энтропией тела.Нетрудно убедиться в том, что энтропия сложной системы равна сумме энтропий ее частей.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  в тепловом равновесии: 

S = 0.

Данное утверждение  принято считать количественной формулировкой второго закона термодинамики, открытого Р.Ю.Клаузиусом (его молекулярно-кинетическое истолкование дано Л.Больцманом).

Идеальному случаю - полностью обратимому процессу замкнутой  системы - соответствует неизменяющаяся энтропия. Все естественные процессы происходят так, что вероятность  состояния возрастает, что означает переход от порядка к хаосу. Значит, энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественных процессов  возрастает. В этой связи закон  о невозможности вечного двигателя  второго рода, закон о стремлении тел к равновесному состоянию  получают свое объяснение. Почему механическое движение переходит в тепловое? Да потому, что механическое движение упорядочено, а тепловое беспорядочно, хаотично.В середине XIX в. активно обсуждалась проблема тепловой смерти Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней второе начало термодинамики, Р.Ю.Клаузиус свел его содержание к утверждению, что энтропия Вселенной должна достигнуть своего максимума. Это означает, что все формы движения со временем должны перейти в тепловые. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел во Вселенной сравняется, т. е. наступит полное тепловое равновесие и все процессы " во Вселенной прекратятся - наступит тепловая смерть Вселенной. Ошибочность вывода о тепловой смерти заключается в том, что бессмысленно применять второе начало термодинамики к незамкнутым системам, например к такой безграничной и бесконечно развивающейся системе, как Вселенная.

2.Электромагнитная концепция 

Развитие полевой  концепции описания свойств материи. В классическом представлении, как  уже отмечалось выше, различают два  вида материи: вещество и поле. К  первому из них относятся атомы, молекулы и все .построенные из них тела, структура и форма которых весьма разнообразны. Поле - особая форма материи, иногда его называют физическим полем. К настоящему времени известно несколько разновидностей полей: электромагнитное и гравитационное поля, поле ядерных сил, а также волновые (квантовые) поля, соответствующие различным элементарным частицам.

В этой главе ограничимся  рассмотрением электромагнитного  поля. Именно для описания электромагнитных явлений выдающийся английский физик-самоучка Майкл Фарадей (1791- 1867) в 30-е годы XIX в. впервые ввел понятие поля.Наука о свойствах и закономерностях поведения особого вида материи - электромагнитного поля, посредством которого осуществляется взаимодействие между электрически заряженными телами, называется электродинамикой.

Среди четырех видов  фундаментальных взаимодействий - гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого - электромагнитное взаимодействие занимает первое место по широте и разнообразию проявлений. В повседневной жизни  и технике мы чаще всего встречаемся  с различными видами электромагнитных взаимодействий: силы упругости, трения, силы наших мышц и мышц различных животных и т. д.Электромагнитное взаимодействие позволяет видеть окружающие нас многообразные предметы и тела, так как свет - одна из форм электромагнитного поля. Сама жизнь немыслима без сил электромагнитной природы. Живые существа и даже человек, как показывают полеты космонавтов, способны длительное время находиться в состоянии невесомости, когда силы всемирного тяготения заметно не проявляются. Но если бы на мгновение прекратилось действие электромагнитных сил, то сразу исчезла бы и жизнь. Строение атомной оболочки, сцепление атомов в молекулы (химическая связь) и образование из вещества тел различной формы определяются исключительно электромагнитным взаимодействием.

К созданию электромагнитной теории поля привела длинная цепь случайных открытий и планомерных  кропотливых исследований, начиная  с обнаружения способности янтаря, потертого о шелк, притягивать  легкие предметы и кончая предложением великого английского ученого Джеймса  Клерка Максвелла идеи о порождении магнитного поля переменным электрическим полем.Лишь после создания Максвеллом электромагнитной теории поля, во второй половине XIX в., началось широкое практическое использование электромагнитных явлений. Изобретение радио русским физиком и электромехаником А.С. Поповым (1859- 1906) - одно из первых важнейших применений принципов новой, электромагнитной, теории. При развитии электромагнитной теории поля впервые научные исследования предшествовали техническим применениям. Если паровая машина была построена задолго до создания теории тепловых процессов, то сконструировать электродвигатель или радиоприемник оказалось возможным лишь после открытия и изучения законов электродинамики.Многочисленное практическое применение электромагнитных явлений несомненно способствовало существенному преобразованию сферы деятельности человека и развитию цивилизации в целом.

Концепции дальнодействия и близкодействия. Утверждению понятия  поля в значительной мере способствовало стремление осознать дальнодействующий  характер электрических сил и  сил тяготения. Сразу же после открытия И.Ньютоном закона всемирного тяготения, а затем, примерно через сто лет, и закона Кулона, описывающего взаимодействие заряженных тел, возникли вопросы в большей степени философского содержания: почему физические тела, обладающие массой, действуют друг на друга на расстояниях, даже на огромных, через пустое пространство, и почему заряженные тела взаимодействуют даже через электрически нейтральную среду? До введения понятия поля не было удовлетворительных ответов на данные вопросы.

Долгое время считалось, что взаимодействие между телами может осуществляться непосредственно  через пустое пространство, которое  не принимает участия в передаче взаимодействия, и передача взаимодействия происходит мгновенно. Такое предположение  составляет сущность концепции дальнодействия. Сам И.Ньютон признавал невероятность и даже невозможность подобного рода взаимодействий тел.Основоположник концепции дальнодействия - французский математик, физик и философ Рене Декарт. Многие ученые придерживались этой концепции вплоть до конца XIX в. 

Экспериментальные исследования электромагнитных явлений  показали несоответствие концепции  дальнодействия физическому опыту. Кроме того, она находится в  противоречии с постулатом специальной  теории относительности, в соответствии с которым скорость передачи взаимодействий тел ограничена и не должна превышать  скорость света в вакууме. 

Было доказано, что  взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется не мгновенно  и перемещение одной заряженной частицы приводит к изменению  сил, действующих на другие частицы, не в тот же момент, а лишь спустя конечное время. Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие заряженные частицы, т. е. взаимодействие передается _через "посредника" - электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитного поля равна скорости света в пустоте - примерно 300 000 км/с. Это и составляет сущность новой концепции - концепции близкодействия, которая распространяется не только на электромагнитное, но и на другие виды взаимодействий. Согласно концепции близкодействия взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение - посредством гравитационного поля), непрерывно распределенных в пространстве. 

Дискретность и  непрерывность материи. Что же такое  физическое поле? Можно ли представить  его наглядно с помощью простых, доступных нашему пониманию образов? Как оно соотносится с представлениями  о частицах вещества?

Самое простое представление  о поле дает сплошная среда, например вода, заполняющая некоторую область  пространства (или же вообще все  пространство). Эта среда может  иметь в разных точках, например, различную плотность или температуру, по-разному двигаться. Именно конкретное физическое свойство среды, разное в  разных точках и доступное для  измерений, физически определяет поле. В связи с этим различают поле температур, поле скоростей, силовое  поле и т. д.

В философском плане  разделение мира на тела и частицы, с одной стороны, и сплошную среду, поле и пустое пространство - с другой, соответствует выделению двух крайних  свойств мира - его дискретности и непрерывности.

Дискретность (или  прерывность) означает - "зернистость", конечную делимость пространственно-временного строения и состояния предмета или  объекта, его свойств и форм движения (скачки), тогда как непрерывность  выражает единство, целостность и  неделимость объекта, сам факт его  устойчивого существования. Для  непрерывного нет границ делимого. 

В математике этим философским  категориям. соответствуют дискретное множество натуральных чисел и непрерывное множество (континуум) действительных чисел. Для точного пространственно-временного описания свойств сплошной среды (и поля) был разработан специальный раздел математики. 

В рамках классической физики дискретные и непрерывные  свойства мира первоначально выступают  как противоположные друг другу, отдельные и независимые друг от друга, хотя в целом и дополняющие  общее представление о мире. И  только развитие концепции поля, главным  образом для описания электромагнитных явлений, позволило понять их диалектическое единство. В современной квантовой  теории это единство противоположностей дискретного и непрерывного нашло  более глубокое физико-математическое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.После появления квантовой теории поля представление о взаимодействии существенно изменилось. Согласно данной теории любое поле является не непрерывным, а имеет дискретную структуру. Например, электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами - квантами электромагнитного поля, т. е. фотоны - переносчики этого поля. Аналогично другие виды взаимодействия возникают в результате обмена частиц квантами соответствующих полей. Например, в гравитационном взаимодействии, как предполагается, принимают участие гравитоны (их существование пока экспериментально не подтверждено).

Согласно полевой  концепции участвующие во взаимодействии частицы создают в каждой точке  окружающего их пространства особое состояние - поле сил, проявляющееся  в силовом воздействии на другие частицы, помещенные в какую-либо точку  данного пространства. Первоначально  выдвигалась механическая интерпретация  поля как упругих напряжений гипотетической среды - "эфира". Теория относительности, отвергнув "эфир" как особую упругую  среду, вместе с тем придала фундаментальный  смысл понятию поля как первичной физической реальности.В современной квантовой физике на роль "эфира" может претендовать новый возможный вид материи - физический вакуум. Первые представления о нем дал один из создателей квантовой теории поля английский физик П. Дирак - так называемое "море Дирака". Хотя вакуум мы непосредственно не видим (он прозрачен для электромагнитных излучений и не оказывает никакого сопротивления движению материальных частиц и тел), но все же он может проявляться при взаимодействии с ним тех же частиц или электромагнитных волн (гамма-квантов), обладающих достаточной энергией. Если эта энергия превышает удвоенную энергию покоя, например, электрона, гамма-квант при наличии еще одной частицы (атомного ядра) может, сам исчезнув, породить пару электрон-позитрон, как бы "вырванную" из ^вакуума. Есть и другие свидетельства в пользу физического вакуума.В истории физики за последние 300 лет предложены по крайней мере четыре разные концепции "эфира": абсолютное пространство Ньютона, светоносный эфир Гюйгенса, гравитационный эфир Эйнштейна и физический вакуум Дирака. Насколько оправдается интуиция физиков о существовании в природе особой среды - физического вакуума, покажет только будущее.