Когда мы говорим о сохранении энергии в макроскопических процессах, прежде всего имеем в виду механическую, тепловую и внутреннюю энергии, которые зависят от термодинамического состояния. Следует отметить, что для макроскопических систем энергия не является непосредственно измеряемой величиной. Термодинамика позволяет с точностью до некоторой неопределенной постоянной вычислить эту величину из опытных данных. Для этого следует учесть теплообмен системы с окружающей средой и измерить работу, совершаемую системой.
Наиболее важные положения, на которых строится закон сохранения энергии в макроскопических процессах:
1. Энергия - единая мера различных форм движения материи. Механическая энергия и тепловая энергия - только две из многих форм энергии. Все, что может быть превращено в какую-либо из этих форм, тоже форма энергии.
2. Возможны два качественно различных способа передачи энергии от одного макроскопического тела к другому - в форме работы и в форме теплоты (путем теплообмена). Макроскопическое тело рассматривается при этом как огромная совокупность микрочастиц. При взаимодействии незначительного числа отдельных микрочастиц эти понятия неприменимы.
4. Изменение энергии тела, осуществленное первым способом, называют работой, совершаемой над этим телом. Передача энергии в форме работы производится в процессе силового взаимодействия тел. Работа, совершаемая над телом, может пойти на увеличение любого вида энергии. Понятие работы связано с упорядоченным движением.
5. Передача энергии путем теплообмена между телами обусловлена различием температур этих тел. Энергия, получаемая телом в форме теплоты, может непосредственно пойти только на увеличение его внутренней энергии. Понятие теплоты связано с неупорядоченным, хаотическим движением.
Формулировки закона сохранения и превращения энергии:
- энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает, количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую;
- при любых процессах, происходящих в замкнутой системе, ее полная энергия не изменяется.
Экспериментальная проверка этого закона связана с именами многих ученых. Гесс (1840) количественно исследовал для разных реакций переходы химической энергии в тепловую. Независимо друг от друга Джоуль (1841) и Ленц (1842) дали формулировку закона сохранения и превращения энергии для случая перехода электрической энергии в тепловую: количество теплоты, выделяемое током в проводнике, пропорционально силе тока, времени его прохождения и падению напряжения. Майер (1842) впервые высказал принцип эквивалентного взаимопревращения теплоты и работы. Для доказательства этого принципа решающее значение имели опыты Джоуля (1843), измерившего механический эквивалент теплоты, и исследования Гельмгольца "О сохранении силы" (1847).
Первый закон (начало) термодинамики
Первый закон термодинамики является законом сохранения энергии применительно к тепловым процессам. Этот закон утверждает:
- невозможно создать вечный двигатель первого рода, который бы производил работу без подведения энергии;
- тепловая энергия, подведенная к замкнутой системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и работу против внешних сил.
Согласно первому закону термодинамики, могут протекать только такие процессы, при которых полная энергия системы остается постоянной. Например, полное превращение тепловой энергии в механическую не связано с нарушением первого закона термодинамики, но тем не менее оно невозможно. Второй закон термодинамики еще больше ограничивает возможности процессов превращения.
Второй закон (начало) термодинамики
Второй закон термодинамики утверждает:
- не может быть создан вечный двигатель второго рода, который бы производил работу за счет тепла окружающей среды, без каких-либо изменений в окружающих телах;
- в природе не может быть процессов, единственным результатом которых было бы превращение теплоты в работу;
- во всех явлениях природы теплота сама переходит от более нагретых тел к менее нагретым телам.
Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло (вспомните, как наши предки добывали огонь трением). В то же время тепло в эквивалентную ему работу полностью превратить нельзя. Другими словами, неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную. Мерой неупорядоченности, мерой хаоса в термодинамике является энтропия. Энтропия не бывает отрицательной, она всегда положительна, за исключением случая, когда идеальный кристалл находится при абсолютном нуле температуры. Но на этот счет есть третье начало термодинамики, говорящее о недостижимости абсолютного нуля.
Принцип возрастания энтропии
Если система замкнута и невозможны никакие ее самопроизвольные превращения, то энтропия достигает максимума. Состояние с наибольшей энтропией соответствует статическому равновесию. Энтропия является мерой вероятности осуществления данного термодинамического состояния или мерой отклонения системы от статического равновесия.
Второй закон термодинамики можно сформулировать как закон, согласно которому энтропия изолированной системы (то есть системы, не обменивающейся энергией с окружающей средой) будет увеличиваться при необратимых процессах или оставаться постоянной, если процессы обратимы. Это положение касается только изолированных систем.
Таким образом, в соответствии со вторым началом термодинамики, в случае изолированной системы неупорядоченное состояние не может самостоятельно перейти в упорядоченное. При нагревании тела энтропия увеличивается, растет степень неупорядоченности. В изолированной системе энтропия может только расти.
Принцип возрастания энтропии - важнейший принцип термодинамики. Он соответствует стремлению любой системы к состоянию термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом. Из этого принципа следует идея "тепловой смерти" Вселенной. Раз все виды энергии деградируют, превращаясь в тепло, то когда-нибудь закончат свое существование звезды, отдав свою энергию в окружающее пространство, и Вселенная придет в самое простое состояние хаоса - термодинамического равновесия с температурой лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. Не будет источников энергии - не будет жизни, не будет ничего.
Гипотеза "тепловой смерти" не согласуется с наблюдениями над Вселенной в ее современном состоянии, а также с выводами, которые можно сделать из известного нам прошлого. Наблюдается непрерывный рост разнообразия, эволюция в направлении возникновения более сложных форм. Основные причины формирования звезд, галактик, планет - флуктуации плотности материи и гравитационное взаимодействие. В этой связи многие физики-теоретики считают, что в соответствии с общей теорией относительности Вселенная должна рассматриваться "не как замкнутая система, а как система, находящаяся в переменном гравитационном поле; в связи с этим применение закона возрастания энтропии не приводит к выводу о необходимости статического равновесия".
Трудности термодинамического характера до сих пор не решены и в вопросе происхождения жизни. Существует точка зрения, что второй закон термодинамики не применим к живым системам, так как они не являются замкнутыми системами. Живые системы - это открытые системы. Энтропия живых молекул весьма низка и имеет тенденцию к понижению. Этот факт сегодня является общепризнанным. Асимметрия жизни не есть состояние нарушения равновесия, отсутствия структурности или беспорядка, а есть состояние динамического равновесия и упорядоченности, более сложной структурности и более высокого энергетического уровня. Это то самое крайне маловероятное состояние, которое заставляет усомниться в абсолютности знания.
Принцип минимума диссипации энергии
В мировом процессе развития принцип минимума диссипации энергии играет особую роль. Суть его: если допустимо не единственное состояние системы, а целая совокупность состояний, согласных с законами сохранения и принципами, а также связями, наложенными на систему, то реализуется то состояние, которому соответствует минимальное рассеивание энергии, или, то же самое, минимальный рост энтропии. Принцип минимума диссипации энергии является частным случаем более общего принципа "экономии энтропии". В природе все время возникают структуры, в которых энтропия не только не растет, но и локально уменьшается. Этим свойством обладают многие открытые системы, в том числе и живые, где за счет притока извне вещества и энергии возникают так называемые квазистационарные (стабильные) состояния. Таким образом, если в данных конкретных условиях возможны несколько типов организации материи, согласующихся с другими принципами отбора, то реализуется та структура, которой соответствует минимальный рост энтропии. Так как убывание энтропии возможно только за счет поглощения внешней энергии, то реализуются те из возможных форм организации материи, которые способны максимально поглощать энергию.
Область применения принципа минимума диссипации энергии непрерывно расширяется. На протяжении всей истории человечества стремление овладеть источниками энергии и вещества было одним из важнейших стимулов развития и устремления человеческих интересов. И поэтому всегда было источником разнообразных конфликтов. По мере развертывания научно-технического прогресса, истощения природных ресурсов возникает тенденция к экономному расходованию этих ресурсов, возникновению безотходных технологий, развитию производства, требующего небольших энергозатрат и материалов.
Если говорить об иерархии то принцип минимума диссипации энергии играет роль как бы завершающего, замыкающего принципа. Когда другие принципы не выделяют единственного устойчивого состояния, а определяют целое их множество, этот принцип служит дополнительным принципом отбора. Проблема экономии энтропии, этой меры разрушения организации и необратимого рассеяния энергии, решается в мире живой природы. Существует теорема о минимуме воспроизводства энтропии, которая утверждает, что производство энтропии системой, находящейся в стационарном состоянии, достаточно близком к равновесному состоянию, минимально. Этот принцип можно рассматривать в качестве универсального. В живом веществе он проявляется не как закон, а как тенденция. В живой природе противоречие между тенденцией к локальной стабильности и стремлением в максимальной степени использовать внешнюю энергию и материю является одним из важнейших факторов создания новых форм организации материального мира.