Развитие термодинамики; открытие закона сохранения и превращения энергии

Развитие термодинамики; открытие закона сохранения и превращения энергии

    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, приложимую 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"). 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.

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.

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. Связи между биологией и физикой, в начале 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.

Энтропия открыла путь от технологии (тепловые машины) к космологии (направление времени и судьба Вселенной). Он знаменовал переход от существующего к возникающему: по словам Пригожина.  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. 

    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.

    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 (Пригожин), 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.