Глава 2.3. классические концепции энергии и времени

Основные понятия: энергия, энтропия, негэнтропия, диссипация, классическая и современная термодинамика, физический смысл времени, обратимые и необратимые термодинамические процессы, космологические следствия второго начала классической термодинамики

Классическая термодинамика

Энергия является основным понятием этой теории, созданной в 60-х годах XIX

в.

Возникновение классической термодинамики связано с исследованием

следующих проблем:

1. Поиск механического эквивалента теплоты, т. е. попытка представить теплоту как результат механического движения частиц, из которых состоят твердые тела, жидкости и газы. Эта проблема возникла еще в XVII—XVIII вв., но решение ее было найдено только в конце XIX в.

2. Изучение тепловых процессов в машинах, создаваемых промышленностью конца XVIII в. и первой половины XIX в. Речь идет уже не только о паровых машинах, но и электрических.

3. Исследование обмена веществ, теплообмена в организмах. В первой половине XIX в. возникла органическая химия, которая использовала знания неорганической химии о теплообмене при химических реакциях. Немецкий физиолог М. Рубнер (1854—1932) применил законы классической термодинамики

к изучению теплообмена в микроорганизмах.

4. Проблемы наблюдательной астрономии, интересовавшейся рассеянием тепла в космосе. Ученые, которые занимались этими проблемами, не только жили

в разные времена и в разных странах, но и не работали по определенной единой программе, как это делается в современной науке. Поэтому им не всегда было ясно, кто первым из них достиг значительного результата в решении проблем, о которых говорилось выше. Например, немецкий судовой врач Ю. Майер (1814—

1878) был убежден в том, что он первым установил механический эквивалент теплоты, а не английский физик Дж. Джоуль (1819—1888). Далее, во многих учебниках по истории химии начала ХХ в. развитие атомистической концепции в химии обычно связывалось с именем английского химика Дж. Дальтона (1766—

1844), тогда как за 67 лет до появления его работы по химии эта концепция уже была представлена в работах М. Ломоносова.

Изучение вышеуказанных проблем привело к введению в науку нового физического понятия — термодинамической системы.Это система живых или неживых тел, частиц или молекул, состояние которой определяется значением ее термодинамических параметров (температура, плотность и другие). Например, вода при изменении ее термодинамических параметров может перейти в состояние льда и пара.

Понятие термодинамической системы является обобщением двух идей: а) идеи

о строении всего существующего из атомов (твердое тело, газ, жидкость) и б)

результатов изучения так называемого броуновского движения.

Оно было открыто в 1827 г. английским учителем ботаники Р. Броуном (1773—1853). Речь идет о беспорядочном движении мельчайших частиц, взвешенных в жидкости или газе, под действием еще меньших частиц жидкости или газа. Изучение этого движения показало, что охлаждение окружающей среды этих частиц (газ, жидкость) приводило к уменьшению скорости взвешенных

частиц, увеличение температуры среды вело к увеличению интенсивности их

движения.

Эти наблюдения опровергали представление о тепле как невидимой физической сущности, переходящей от одного тела к другому, и подтверждали другую точку зрения — о корпускулярном строении вещества. Эта точка зрения была высказана М. Ломоносовым в работе «Размышления о причинах теплоты и стужи» (1745), согласно которой тепло возникает в результате трения корпускул (частиц), из которых состоят все физические тела (твердые, жидкие, газообразные). Он утверждал, что эти частицы шарообразны и вращаются вокруг собственной оси. М. Ломоносову были уже известны два явления, физическая суть которых была в дальнейшем выражена другими исследователями в форме законов: закон сохранения массы, закон сохранения количества тепла при разложении и соединении в химических реакциях. Как оказалось впоследствии, идеи М. Ломоносова были известны Дж. Джоулю, у которого корпускулы (частицы) обладали еще колебательным движением.

Энергия

Термин «энергия»в буквальном переводе с древнегреческого языка означает деятельный. Считается, что в язык науки он введен англичанином Я. Юнгом (1733—1829), одним из основоположни-

ков волновой теории света, автором гипотезы о поперечности световых волн и формулировки принципа интерференции (1801).

Однако широкое распространение этого термина в языке науки связывают с именем другого английского физика, У. Томсона (1824—1907), больше известного под именем У. Кельвин. С присуждением в 1892 г. ему титула барона

за заслуги в развитии мировой и английской науки он стал именовать себя Кельвином (название реки перед его домом). Дж. Дж. Томсон (1856— 1940) — родной сын У. Кельвина — также является выдающимся физиком: дважды лауреат Нобелевской премии, открыл электрон (1897), измерил его заряд (1898), построил в 1903 г. первую модель атома.

У. Кельвин разработал абсолютную шкалу температуры, открыл ряд физических эффектов, носящих его имя, и исследовал проблему рассеяния (диссипации)энергии в связи с изучением вопросов устройства Вселенной на энергетическом уровне. Со времени создания Г. Галилеем, в начале XVII в., термометра было предложено несколько шкал температур. Связь между абсолютной температурой по Кельвину (Т) с температурой по шкале Цельсия (t) проводится по формуле: Т = 273,16 + t; t = Т- 273,16.

В каждой из этих шкал была нулевая точка температуры, но в шкале Кельвина эта точка имела уже энергетический смысл.

Шкала Г. Д. Фаренгейта (1686—1736). В этой шкале 0° — температура смеси льда, талой воды и поваренной соли, 32°F — это точка таяния льда, 92°F — температура человеческого тела. Шкала шведского астронома, врача Андреса Цельса (1701—1744) была создана в 1742 г. В ней 0° — температура кипения воды при нормальном давлении, 100° — температура таяния льда. Шведский биолог К. Линей (1707—1788) переставил эти точки в обратном порядке и получил шкалу, которую называют шкалой Цельсия (С). Принцип шкалы У. Томсона (Кельвина) разработан в 1848 г. В шкале Кельвина точке 0° соответствует 273,16°К и называется она точкой абсолютного нуля. Это 1/273,16

— часть температуры тройной точки воды: льда, воды и пара. Так как температура в классической термодинамике характеризует интенсивность движения частиц (элементов), составляющих термодинамическую систему, то при достижении термодинамической системой точки абсолютного нуля кинетическая энергия этих частиц тv2/2 и их потенциальная энергия (mgh) в сумме будет равна нулю (0), где m — масса частиц (элементов), v — их скорость, g — гравитационная постоянная, А — высота в соответствующей системе отсчета.

Энергия в этом случае не исчезает, а как бы «замораживается», становится

неспособной, как полагал У. Кельвин, к выходу из этого состояния за счет внутренних энергетических ресурсов, т. е. без воздействия внешних сил. В конце ХХ в. российскими учеными проводились исследования по охлаждению атома в специально созданной установке. Это охлаждение достигло точки, близкой к абсолютному нулю, но физические свойства атома, по существу, оставались как и при обычной комнатной температуре.

Работы в этой области продолжаются и сегодня, результаты этих работ могли

бы пролить свет на физику образования атомов в далеком прошлом Солнечной системы и Вселенной в целом.

Исторически в понятие энергии вкладывался, как правило, абсолютный смысл.

В частности, говорили офизической силе, лежащей в основе всего существующего в мироздании. Например, в споре XVII в. ожизненной силе Р. Декарт утверждал, что «количество движения вмире является неизменным и постоянным». Г. Лейбниц также полагал, что «жизненная сила» как «внутренняя природа тел» не теряется при их взаимодействии. По существу, ониобсуждали кинетическую энергию, т. е. энергию движущего тела, оставляя вопрос об энергетической природе самих частиц (корпускул), из которых, как они считали, состоят все тела в мире.

Представление об энергии как жизненной силе распространялось рядом исследователей не только на неживые, но и живые тела. Немецкий исследователь Ю. Майер, о котором уже говорилось выше, стал рассматривать в работах 1842—

1845 гг. жизнедеятельность организмов как превращение некой универсальной силы из одного вида энергии в другой: «растения поглощают одну силу — свет и порождают другую силу — химическую разность» (из работы «Органическое движение и обмен веществ» 1845 г.). Он не пользовался термином «энергия». К началу ХХ в. образовалась школа, получившая название школы энергетизма, ярким представителем которой был крупный ученый-химик У. Оствальд (1853—

1932). В этой школе энергия трактовалась в абсолютном смысле: все есть проявление энергии. Энергия — «царица мира», единственная физическая реальность, все в мире есть результат эволюции энергии, включая живое и атомы.

Но в этой школе не было математических, количественных представлений физической связи между так понятой энергией с веществом, физическим полем, атомом, электроном и открыты-

ми в XIX в. катодными лучами, а также рентгеновским и радиоактивным излучениями.

В начале ХХ в. А. Эйнштейн выразил эту связь в своей знаменитой формуле: Е

= тс2, где Е— энергия, т — масса, с — скорость света.

Физический смысл этой формулы: масса — это энергия, энергия имеет массу. Оба закона сохранения массы и сохранения энергии объединяются в один закон, закон сохранения массы — энергии.

Этот закон был сформулирован до возникновения квантовой механики, физики элементарных частиц, т. е. физики микромира в целом, и был ответом на ряд вопросов, вытекающих из идеи представления энергии в абсолютном смысле, а именно: каков физический смысл связи энергии и массы? как распространяется энергия — минимальными порциями или непрерывно? На первый вопрос отвечает формула Е = тс2. На второй — гипотеза М. Планка(1858—1947) о квантах энергии. На третий — уже физика элементарных частиц конца ХХ и начала XXI в.

Новизна классической термодинамики состоит в том, что она придала понятию энергии конкретный физический смысл. Энергия термодинамической системы рассматривается здесь как энергетическое состояние, которое складывается, образуется из энергии всех составляющих ее элементов.

В этой теории исследуется внутренняя энергия термодинамических систем и законы превращения и обмена энергией при физическом взаимодействии систем

такого типа. Тепло и работа в этой теории понимается как формы передачи и

обмена энергией, а не самой энергией: тепло — хаотическое движение элементов термодинамической системы, работа — направленный процесс упорядочения элементов системы.Для того чтобы изменить внутреннюю энергию термодинамической системы, нужно подвести к ней тепло или совершить над ней работу с помощью внешних сил. При таком исследовании энергетических процессов все термодинамические системы делятся: на а) закрытые (изолированные)и б) открытые.Закрытые системы не обмениваются энергией с окружающей средой. Открытые системы не изолированы от окружающей среды. Например, клетка в многоклеточных организмах как термодинамическая система является, с одной стороны, изолированной системой относительно параметров поддержания ее целостного строения и, с другой — открытой, поскольку она обменивается

энергией с другими клетками организма. Классическая механика также имеет дело с открытыми и закрытыми системами, но в ней речь идет об энергии в форме механического движения, а не в форме тепла.

Все термодинамические системы согласно классической термодинамике могут находиться в трех состояниях: стационарном, равновесном и неравновесном.

Стационарное состояниеозначает, что параметры системы не меняются во времени. Равновесноесостояние имеет место, когда термодинамические параметры имеют одинаковое значение для всех элементов системы. В исследовании может учитываться и один параметр. Неравновесноесостояние означает, что значение исследуемых параметров распределено неравномерно между элементами системы. Исследуя связь между термодинамическими параметрами различных термодинамических систем, классическая термодинамика сформулировала основные законы обмена, передачи и сохранения энергии и дала им статистическое обоснование. Эту теорию называют феноменологической теорией (от слова «феномен» — явление), поскольку в ней

не учитывается конкретный физический состав термодинамической системы.