Потеря качества. Необратимость

Рис. 2. Схема изменения энтропии при передачи тепла от нагревателя к холодильнику

На рис. 2 представлена схема работы преобразования тепловой энергии в работу: от нагревателя передается тепловая энергия в машину, которая превращает ее в работу. При этом природе платится "налог" в виде теплоты, сообщенной холодильнику. Эта энергия уже непригодна для совершения работы, если не воспользоваться еще более "холодным" холодильником. Энергия, запасенная при более высокой температуре, обладает как бы более высоким "качеством": она пригодна для совершения работы. Посмотрим на эти процессы с позиции изменения энтропии.

Когда энергия Q₁ передается от нагревателя к холодильнику, энтропия убывает на величину Q₁/T₁и одновременно возрастает на величину Q₂/T₂. Энтропия характеризует условия, при которых запасается энергия: если энергия запасается при высокой температуре T₁, то ее энтропия низка и качественно высока.

Естественное течение процессов изменения характеризуется понижением качества энергии Вселенной. Поскольку энергия Вселенной остается постоянной (первое начало термодинамики), то при сжигании топлива (уголь, нефть, уран и т. д.) общие запасы энергии не меняются, но увеличивается энтропия мира. Иными словами, необходимо направить развитие цивилизации по пути снижения уровня производства энтропии.

Рис. 3. Потоки тепла: а.- от первого тела ко второму; б.- при таянии льда в сосуде с водой

Второе начало термодинамики говорит лишь о направлении изменения величин: энтропия растет. Рассмотрим следующий пример: приведены в соприкосновение два тела с температурами T₁ и, T₂ переносится поток тепла от первого ко второму телу. Такой процесс осуществляется при таянии льда в сосуде с водой (рис. 3). При этом вода отдает льду энергию Q и ее энтропия S_в падает на <0. Лед получает энергию Q и его энтропия >0 возрастает. Общее изменение энтропии:

>0

Этот процесс необратимый, и в системе вода- лед энтропия возрастает. Возникает вопрос: до какого значения может расти энтропия? Ответ очевиден - до S=S_max, при котором возникает равновесное состояние.

Если эти выводы распространить на Вселенную, то ее ожидает полное выравнивание градиентов всех параметров в природе, т. е. тепловая смерть.

Асимметрия в природе

Во всей ньютоновской физике до XIX века имели дело лишь с обратимыми процессами. Действительно, второй закон механики можно представить в форме

где время фигурирует в квадрате, т. е. возможно обратить процесс в прошлое (-t). Но если учесть превращение части механической энергии в теплоту из-за трения, то сила трения F_тр, как известно, пропорциональна нормальной составляющей градиента скорости, т. е.

и сила трения зависит от времени в первой степени.

В этом случае замена положительного направления времени t на обратное (-t) приведет к изменению результатов. При учете рассеяния энергии исчезает инвариантность по отношению ко времени, т. е. процесс примет асимметричный характер.

Рис 4 Движение теплового потока: а.- разрешено; б.- запрещено.

Это проявляется во всех тепловых процессах. Например, на рис. 4,а изображен процесс выравнивания температур двух приведенных в соприкосновение тел с первоначальными температурами Т₁=100^o и Т₂=20^o Но обратный процесс (рис. 4,б) является запрещенным.

Так классическая физика споткнулась о "камень" энтропии. Этот конфликт попытался разрешить австрийский физик Больцман. Он рассматривал газ как ансамбль огромного числа движущихся молекул. Беспорядочное движение молекул в газе есть тепловое движение. Чем выше скорость молекул, тем выше температура газа, которую можно выразить через статистически усредненные скорости. Это можно сделать и для энтропии.

Так Больцману удалось получить для энтропии строгую интерпретацию в терминах ньютоновской физики. При этом Больцман дал физическое объяснение понятию "рост энтропии": рост энтропии - рост хаоса - разрушение порядка. Но об этой работе речь будет идти ниже.