Т. Карпова - Концепции современного естествознания

В физику открытые Карно закономерности вошли под названием идеального цикла Карно . Ученый, рассматривая работу паровой машины, заметил, что горячий пар после выхода из поршня оказывается в воздухе с меньшей температурой, превращается в конденсат и далее выводится из цикла. Ему показалось расточительным такое использование пара, и Карно решил создать паровую машину полного цикла, когда пар не выводится из обращения, а вновь поступает в котел, нагревается, приводит в движение поршень и т. д. Но для реализации идеи оказалось необходимым выполнить два условия: иметь возможность нагреть пар и иметь возможность достаточно его охладить. Процесс нагрева получил название изотермического , процесс охлаждения – адиабатического .

В полном цикле два изотермических и два адиабатических процесса: нагреватель поднимает температуру газа, газ расширяется, передает тепло охладителю и газ сжимается. Теплота (Q 1– Q 2) будет равна совершенной работе А.

Коэффициент полезного действия цикла Карно примет вид: КПД = A 1/Q 1= (Q 1– Q 2)/Q 1или (после приведения): КПД = (Q 1– Q 2)/Q 1= 1 – Q 2/Q 1= 1 – T 2/T 1= (T 1– T 2)/T 1. Это означает: процесс не зависит ни от количества используемого газа, ни от начальных значений давления или объема, а только от температуры нагревателя и температуры охладителя. Карно доказал, что создание тепловой машины без охладителя, но с КПД в 100 % в принципе невозможно.

Термодинамика ввела в физику понятие энтропии (в переводе с греческого – «превращение»). Под энтропией в физике понимается некоторая величина S, которая, подобно энергии, давлению, температуре, характеризует состояние газа. Давший ей наименование Клаузиус считал, что когда к газу подводится теплота dQ, то S возрастает на величину dS = dQ /Т. Исходя из расчетов Карно, известно, что dQ 1/Т 1+ dQ 2/Т 2= 0, где dQ 1– полученное тепло, а dQ 2– отданное тепло.

Появление понятия энтропии позволило разделить теплоту и температуру (до середины XIX в. разницы между ними не делали). Теплота стала мерой изменения энергии, а энтропия – показателем состояния системы. Энтропия определяет изменение системы между началом процесса и конечным результатом, то есть является функцией состояния системы и не связана с характером происходящего процесса.

Для обратимых процессов в изолированной системе энтропия является постоянной величиной, для необратимых процессов характерна неравномерность температуры в разных стадиях процесса, поэтому тепло будет распространяться от горячих участков к более холодным, а это приведет к возрастанию энтропии dS > 0.

Введение понятия энтропии позволило определить направление природных процессов и доказало, что эти процессы как происходящие в изолированной системе могут идти только в одном направлении – то есть возможна передача тепла лишь от горячих тел к более холодным. Исходя из такого понимания энтропии, существует несколько формулировок второго начала термодинамики :

1. В природе невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход от менее нагретого состояния к более нагретому.

2. КПД любой тепловой машины всегда < 100 %.

3. Энтропия изолированной системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна. При протекании обратимых процессов – постоянна, а при необратимых процессах возрастает.

После открытия энтропии и вывода соответствующих формул стало абсолютно ясно, что невозможно построить паровую машину со стопроцентным КПД, если она работает за счет одного нагревателя, а не за счет перепада теплоты (то есть при использовании нагревателя и охладителя). На этом надежды построить вечный тепловой двигатель рухнули.

Выведение принципа энтропии изолированной системы (энтропия системы, находящейся в равновесном состоянии, максимальна и постоянна, при протекании обратимых процессов – постоянна, а при необратимых процессах возрастает) привлекло внимание ученых к процессам, происходящим на микро– и макроуровнях. Оказалось, что суть процессов зависит от того, в какой системе мы их рассматриваем.

Исходя из особенностей нашего восприятия, к процессам микроуровня относятся те, которые происходят на молекулярном уровне, к процессам макроуровня относятся процессы в телах, соразмерных человеку. Соответственно, макросостояние определяется макропараметрами (давление, температура, объем и т. п.), которые измеряются макроприборами. Микросостояние касается состояния молекул, входящих в состав макротела. Термодинамика занимается процессами на макроуровне, то есть макросостоянием системы.

Молекулярно-кинетическая теория занимается процессами, происходящими в макротелах на микроуровне, то есть микросостояниями макротел. Выявив в макромире понятие энтропии, ученые обратились с макроуровня на микроуровень, чтобы понять, распространяются ли законы макромира на микромир.

В результате экспериментов Больцмана с мечеными молекулами в разделенном на две половины сосуде было выяснено, что вероятность нахождения N меченых молекул в одной половине сосуда определяется согласно формуле как W = (1/2) · N, вероятность же нахождения N меченых молекул во всем сосуде, естественно, равна 1.

Для вероятности определенного состояния системы статистическая физика ввела понятие статистического веса , то есть числа способов, которыми данное состояние может быть реализовано. Для микросистемы характерно стремление перехода из состояния с меньшей вероятностью в состояние с большей вероятностью, от изолированной структуры – к полной равновесности.

При наличии в системе двух подсистем W 1и W 2, статистический вес всей системы примет значение W = W 1· W 2, а общая энтропия – значение суммы энтропий подсистем S = S 1+ S 2. Выразив статистический вес системы через логарифм, Больцман вывел формулу: LnW = S 1+ S 2, которую усовершенствовал Планк : S = k · LnW, где k – коэффициент пропорциональности, или так называемая постоянная Больцмана.

Исследования Больцмана положили начало работам с так называемыми большими системами, то есть системами микроуровня, которые настолько малы и присутствуют в таком количестве, что не могут быть полностью сосчитаны и учтены. В микромире невозможно также вести наблюдение за одной избранной молекулой (а позже – частицей), поскольку невозможно отличить одну молекулу или частицу от другой.

Максвелл , пытаясь определить параметры, позволяющие как-то классифицировать молекулы, нашел два: распределение молекул по скоростям и энергии. Он же для описания случайного поведения молекул газа ввел понятие вероятности, вероятностный (статистический закон) и сформулировал закон распределения молекул по скоростям. Больцман доказал, что второй закон термодинамики является следствием статистических законов поведения частиц в больших системах.