Два начала термодинамики

Мы прошли уже большую часть пути, и можно сделать краткую остановку. Позади осталась история о том, как из очень смутных представлений о теплоте и теплороде возникали новые понятия: энтропия, температура, внутренняя энергия. История теории теплоты оказалась похожей на запутанный детектив. Величины, которые заняли главное положение в этой науке, нельзя было наблюдать или измерить непосредственно.

Нельзя даже сказать, что новые понятия возникли из новых опытов. Только определение механического эквивалента теплоты в опытах Джоуля можно отнести к фундаментальным опытам в этой области, да и то Карно и Майер вычислили эту величину существенно раньше Джоуля, не производя никаких новых экспериментов. Стройное здание термодинамики явилось результатом размышлений о единстве физических законов, о глубокой связи, которая должна существовать между разными явлениями природы. Успех термодинамики показывает, насколько справедлива наша уверенность в том, что природа управляется простыми законами и что эти законы могут быть открыты и поняты. Самое удивительное в нашем мире - это то, что он познаваем человеком!

Законы, управляющие тепловыми явлениями, оказались простыми. Практически вся термодинамика строится на двух постулатах, которые называют началами. Они были сформулированы Клаузиусом и Томсоном.

Первое начало термодинамики - это закон сохранения энергии. Он включает в себя принцип эквивалентности теплоты и механической работы (этим он отличается от закона сохранения энергии в механике), и его можно сформулировать так: изменение внутренней энергии системы равно сумме подведенного к ней тепла и совершаемой над ней механической работы.

Второе начало термодинамики связано с законом возрастания энтропии: энтропия замкнутой системы не может уменьшаться. Этот же принцип можно сформулировать и иначе: не существует такого процесса, единственным результатом которого было бы охлаждение одного тела и совершение механической работы. Нельзя превратить теплоту в работу целиком; доля теплоты, превращенной в работу, не может превышать значения, определяемого теоремой Карно.

В этот набор постулатов включается еще и третий - третье начало, именуемое также теоремой Нернста: никаким конечным числом операций нельзя охладить тело до температуры, равной абсолютному нулю. Теорема Нернста есть на самом деле следствие квантовой механики. Об этом, конечно, Нернст не знал, но он ясно видел следствия своей теоремы для теории теплоты. В более точной формулировке теорема Нернста устанавливает значению энтропии при абсолютном нуле: энтропия при Т=0 перестает зависеть от температуры и давления и ее можно положить равной нулю при T=0. Так, например, при T=0 энтропия льда и водяного пара становится одинаковой и испарение льда не требует затраты тепла: скрытая теплота испарения обращается в нуль. В квантовой механике говорят, что при абсолютном нуле термодинамическая система находится в основном состоянии. Смысл энтропии в квантовой механике становится простым.

Два начала термодинамики объявляют невозможными вечные двигатели.

Первое начало запрещает вечный двигатель первого рода, т. е. двигатель, совершающий работу без затраты теплоты или внутренней энергии какой-либо системы. Этот запрет кажется сейчас уже тривиальным, к закону сохранения энергии привыкли в механике.

Второе начало объявляет вне закона вечный двигатель второго рода, добывающий энергию от одного нагревателя, т. е. работающий не на перепаде теплоты, а лишь за счет теплоты одного тела. Это морозильник, который не только не подключен к сети, но и нагревает комнату, за счет теплоты, отобранной от замораживаемых продуктов. Похожего закона в механике не было, и объяснить, почему нельзя построить вечный двигатель второго рода, очень трудно. Принцип возрастания энтропии - это свойство нашего микромира, которое, быть может, и нельзя свести к другим, более простым законам.

Возрастание энтропии определяет и направление времени. Радиоактивный распад, торможение парашютиста, расход энергии пружины заведенных часов (или энергии электрической батареи)' и, в конце концов, старение всех нас - все эти процессы происходят в одну и ту же "сторону", благодаря им мы отличаем будущее от прошедшего. Удивительно, что во всей известной нам Вселенной время течет в одну сторону. Рождение для всех наблюдателей предшествует гибели, причина всегда опережает следствие.

Всюду, всегда энтропия растет, задавая "стрелу времени", - так иногда называют то, что отличает "вчера" от "завтра".