Статистический смысл второго начала термодинамики

Для дальнейшего изложения нам необходимы понятия порядка, хаоса и энтропии.

Порядок, как следствие структуры пространства, определяет закономерность размещения частей материального мира. Структура – это объект, обладающий устойчивостью, "жесткостью”. Регулярные структуры (например, кристаллическая решетка) состоят из однородных элементов, нерегулярные – (например, живые организмы) состоят из разнородных клеток, расположенных по сложному плану. Структура имеет способность до какого-то предела сопротивляться внешним воздействиям, не изменяясь в целом. Если же такие изменения произошли, то это свидетельствует о гибели (разрушении) структуры.

Хаос – бесструктурная неупорядоченная форма существования вырожденной материи. Представление о хаосе как об абсолютном беспорядке неправильно, не бывает абсолютного беспорядка (как не бывает, например, абсолютной пустоты). Так, тепловая конвекция в атмосфере представляется хаотическим процессом, но этот хаотический процесс может быть строго описан математически, т.е. имеет внутренний порядок, пусть и весьма сложный. Таким образом, в определенном смысле хаос – это тоже структура и имеет смысл говорить о степени упорядоченности той или иной структуры (или о мере беспорядка).

Количественной мерой беспорядка в системе является энтропия S

S = k lnW, (6.4)

где k – постоянная Больцмана, W – статистический вес (термодинамическая вероятность) системы. Статистический вес системы представляет собой число микросостояний, с помощью которых может реализоваться данное макросостояние системы.

Чтобы пояснить понятие статистического веса, рассмотрим способы, которыми молекулы газа могут распределяться между двумя половинами сосуда, в котором заключен газ. Пусть общее число молекул в сосуде равно N. В качестве характеристики состояния газа в целом (т.е. макросостояния) примем количество молекул n, находящихся в левой половине сосуда. Макросостояние может быть реализовано различными способами, т.е. различными микросостояниями.

Так, в случае 24 молекул в сосуде полное число способов распределения их по двум половинам сосуда равно 2²⁴=16 777 216, и только в двух случаях все молекулы оказываются сосредоточенными в одной из половин сосуда. Вероятность такого события равна ≈10^-7.^. Если в сосуде содержится 10²⁰ молекул (4 см³ воздуха при н.у.), то вероятность обсуждаемого события будет равна всего 10^-х, где х=3×10¹⁹. Эта вероятность настолько мала, что ее можно практически считать равной нулю. В то же время вероятность равномерного распределения молекул по двум половинам сосуда равно примерно ½. Вероятность состояния оказывается тем больше, чем большим числом способов (микросостояний) оно может быть реализовано. Другими словами, вероятность состояния пропорциональна его статистическому весу. Равновесное состояние системы – это состояние, статистический вес которого максимален.

Какова же природа необратимых процессов? Предположим, что вначале газ находился в левой половине сосуда, которая отделялась перегородкой от правой пустой половины. Если убрать перегородку, газ самопроизвольно распространится на весь сосуд. Этот процесс будет необратимым, поскольку вероятность того, что в результате теплового движения все молекулы соберутся в одной из половин сосуда, практически равна нулю. Сам по себе, без воздействия извне, газ не сможет снова сосредоточиться в левой половине сосуда. Таким образом, процесс распространения газа на весь сосуд оказывается необратимым вследствие того, что обратный процесс маловероятен. Этот вывод может быть распространен и на другие процессы. Всякий обратимый процесс – это такой процесс, обратный которому крайне маловероятен. Капля бензина растечется по поверхности лужи, колечко сигаретного дыма растает, температура холодного и нагретого помещений сравняется, если между ними открыть дверь, а если капнуть тушь в воду, то капелька растворится во всем объеме… Обратные процессы не будут наблюдаться никогда.

Порядок в системе (все молекулы слева) характеризуется минимальным статистическим весом и, следовательно, ее минимальной энтропией. В состоянии хаоса (молекулы вследствие теплового движения равномерно распределены по обеим половинам сосуда) энтропия системы максимальна. Второе начало (закон) термодинамики утверждает, что эволюция изолированных систем идет от упорядоченного состояния к хаосу, т.е. с возрастанием энтропии. В обратимых процессах энтропия системы остается постоянной. Другими словами, энтропия изолированной системы не может убывать. Математически это может быть выражено неравенством Клаузиуса

DS ≥ 0. (6.4)

В заключение этого вопроса необходимо подчеркнуть следующее. Энтропия отдельно взятого тела может уменьшаться, такое уменьшение не противоречит второму закону термодинамики, поскольку он справедлив только для замкнутых (или изолированных) систем. При совместном рассмотрении всех тел системы полное изменение энтропии либо положительно, либо равно нулю. Так, деятельность человека на Земле приводит к локальному уменьшению энтропии. Холодильники и тепловые насосы способны перекачивать тепло от холодного тела к горячему. Жизнь, как биологическое явление, характеризуется процессами, уменьшающими локальную энтропию. Всюду, где происходит локальное увеличение упорядоченности, противоречащее беспорядку, происходит локальное уменьшение энтропии. Однако полная система, включающая в себя первоисточник энергии – Солнце, характеризуется возрастанием суммарной энтропии.

Рост энтропии при переходе от порядка к хаосу является следствием перехода отдельных видов движения материи в тепловое движение (перехода отдельных видов энергии в теплоту). В открытых системах, которые могут обмениваться веществом и энергией с окружающей средой, энтропия может и возрастать и убывать (при этом возрастает энтропия окружающей среды). Таким образом, из хаоса может самопроизвольно возникнуть порядок. Более подробно этот вопрос будет рассмотрен в следующих параграфах.

Понятие самоорганизации

Постулат о способности материи к саморазвитию был введен в философию достаточно давно, однако в естественных науках долгое время господствовало убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию. Такой взгляд на вещи был сформирован под воздействием равновесной термодинамики, один из законов которой определяет направленность процессов в природе как переход от порядка к хаосу.

Однако реальная практика человечества даже в обыденной жизни убеждает нас в том, что порядок доминирует над хаосом, хотя бы локально. Наглядным примером высокого порядка в неживой природе являются, например, кристаллы. Более глобальными примерами высокоупорядоченных структур, образовавшихся из хаоса, являются звездные системы и Вселенная в целом. Живая природа развивается в направлении усовершенствования и усложнения новых видов животных и растений. История, социология, экономика и другие гуманитарные науки утверждают, что в целом в развитии общества также наблюдается усложнение структур.

В природе ясно просматривается усложнение материальных объектов – от элементарных частиц в первые мгновения после Большого взрыва до звездных и галактических систем. Для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать у материи наличие не только разрушительной, но и созидательной тенденции. Материя способна совершать работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

В последние десятилетия возникли науки, изучающие способность материи к саморазвитию. Теория самоорганизации в настоящее время развивается по нескольким направлениям: синергетика (Г. Хакен), неравновесная термодинамика (И. Пригожин) и др. Большое значение для понимания процессов самоорганизации имеют также работы по теории устойчивости Ляпунова и теория катастроф Р.Тома.

Под самоорганизацией понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее сложных и упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным. Общий смысл комплекса синергетических идей, которые развивают разные направления теории самоорганизации, заключается в следующем:

1) процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной равноправны;

2) процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм, независимо от природы систем, в которых они осуществляются.