> Энциклопедический словарь Гранат, страница > Таким образом

Таким образом

Таким образом, в работу может превращаться только разность, так что превратить Q целиком в работу Q—q нельзя; доля этого количества, равная q, остается в форме Т., только изменив свою температуру на более низкую.

В этом „падении Т.“ с высокой температуры на низкую в свое время видели (И. Л. Карно, 1824) причину превращения тепла в работу, подобно тому как падение массы воды с нысокого уровня на низкий является причиной получения работы. Однако, эта аналогия не верна, и причина получения работы вовсе не в падении Т., хотя это падение есть неизбежное условие для получения работы.

Возможен и обратный процесс: возможно превратить Т. низкой температуры в Т. высокой, однако это осуществимо только при условии затраты работы или при условии какой-нибудь иной „компенсации“. В этом и состоит второй закон, или принцип, термодинамики, который часто формулируется так: „Т. не может сама но себе переходить с низкой температуры на высокую“ (Клаузиус, 1850),—где „сама по себе“ значит без затраты, например, работы или вообще без какого-либо остающегося изменения в системе, компенсирующего переход Т. Иначе можно сказать: „Имея систему тел разной температуры, нельзя получить механическую работу путем охлаждения системы до температуры, более низкой, чем температура самого холодного из тел“ (Кельвин, 1851), то есть, например, нельзя пользоваться для получения механической работы Т. океана, воздуха и тому подобное. Но ведь это и значит как раз, что для целей получения работы Т. для нас тем малоценнее, чем ниже ее температура. Итак, понижением температуры Т. обесценивается. Но один из преобладающих самопроизвольных процессов в природе, это—превращение энергии разных видов в тепло и переход последнего с теплых тел на холодные. Следовательно, все самопроизвольные процессы в природе имеют такое направление, что энергия обесценивается, рассеивается. Поэтому, второй закон термодинамики называют законом рассеяния энергии.

Из второго закона термодинамики вытекает такое следствие. Некоторая система проходит обратимым процессом через ряд состояний, в течение которых она имеет абсолютные температуры Ту, Т2, Т3, и в это время получает количества Т. (очень малые) Aq{, Aq2, Aq3 Тогда суммайЯк щ ёЯт а- л. _ v АЯ

П 7“. + Г3 _t.Т

зависит лишь от начального и конечкого состояний нашей системы и вовсе не зависит от того пути или способа, по которому совершается переход между крайними состояниями. Если некоторое определенное состояние нашей системы мы примем за .нормальное“, то значение вышеприведенной суммы при переходе системы из данного состояния в это нормальное состояние Клаузиус назвал энтропией системы в данном состоянии. Оказывается, что для всякого замкнутого процесса энтропия, подобно энергии, имеет в конце процесса то же самое значение, какое было в начале; в процессах же необратимых энтропия возрастает, и тем сильнее, чем более процесс уклоняется от обратимости. Поэтому приращение энтропии может быть принято за меру необратимости процесса; а так как чем более необратимость, тем сильнее рассеивается, обесценивается энергия, то энтропия и является мерою этого рассеяния, обесценивания.

Планк (1909) назвал энтропию мерой „предпочтения“, „пристрастия“ природы к тому или иному процессу. В самом деле, если система переходит сама по себе из состояния А в состояние В, значит этот процесс предпочитается природой, к нему последняя имеет как бы пристрастие, и процесс необратим. Если он обратим, природа к нему равнодушна. Но все процессы в природе необратимы; все они в конце-концов сводятся к тому, что механическая энергия разных видов и форм сама по себе превращается в Т., а последняя перетекает с теплых тел на холодные: стало быть, энтропия системы—в данном случае вселенной—непрерывно возрастает. Энергия вселенной, не меняясь с течением времени, сама но себе все более и более обесценивается, рассеивается, и вселенная стремится превратить всю свою энергию в Т. общей температуры, идя таким образом к смерти, к кончине мира. Однако, вышеприведенные редакции второго закона термодинамики сообщают ему своеобразный характер, которого не имеет, например, первый закон. Именно, мы не можем без соблюдения известных условий перевести Т. с более холодного тела на менее холодное, а, стало быть, не можем сделать так, чтобы, наир.,

изменить распределение температуры в газе, нагревая одну его часть на счет другой.

Но представим себе с Максуэллом газ в сосуде, не могущем ни получить Т. извне, ни терять его наружу. При таких условиях температура газа меняться со временем не может. Но пусть в сосуде имеется разделяющая его на две части перегородка с маленьким отверстием, через которое может пролететь молекула, и тут это отверстие закрывается форточкой со стеклом. Максуэлл воображает себе, далее, микроскопическое существо, одаренное нашей психикой и способное видеть молекулы и манипулировать с форточкой, закрывая и открывая ультрамикроскопическое отверстие перегородки. II вот это существо, „демон“, как его назвал Максуэлл, видит, как к форточке подлетает молекула с малой скоростью, ударяется о форточку и улетает назад. Но подлетает молекула с большой скоростью: демон открывает для нее форточку и выпускает молекулу на другую сторону перегородки. Для оперирующего таким образом „демона“ является, очевидно, возможным в кон-де-концов собрать на одну сторону перегородки все быстрые молекулы газа, но другую—все медленные, то есть перевести тепло из одной части тела одной температуры на другую, то есть несомненно нарушить второй закон термодинамики, так как этот перенос произошел без затраты работы и без всякого компенсирующего переход процесса. Работа открытия и закрытия форточки здесь, разумеется, в счет не идет, ибо она может быть мыслима как угодно малой. Таким образом, для нас второй закон есть закон, для демона Максу-элла—нет. Однако, этот антропоморфный характер второго закона можно устранить (Больцман, 1877). Дело в том, что Т. есть хаотическое молекулярное явление; хаос управляется законами случайных явлений; эти законы выводятся из теории вероятностей. Второй закон принадлежит к законам, управляющим хаотическими явлениями; следовательно, он есть некоторая теорема теории вероятностей. Эта последняя должна давать и выражение для энтропии. Действительно, все самопроизвольные процессы в природе, идущие, так сказать, но симпатии природы, являются процессами перехода систем от состояний менее вероятных к состояниям более вероятным. Поэтому энтропия, по Больцману, есть мера вероятности состояния системы, и, например, энтропия идеального одноатомного газа в состоянии теплового равновесия есть мора вероятности стационарного распределения скорости движения между атомами газа. Как определяется эта вероятность и как через нее выражается энтропия, сантиметров .энтропия.

В явлениях природы мы имеем, вообще говоря, всегда дело лишь с изменениями энергии и энтропии системы между некоторыми состояниями 1 и 2, то есть с изменениями энергии Е2—Е1 и с изменениями энтропии St—Sv Поэтому могло бы казаться, что абсолютные значения энергии и энтропии недоступны наблюдению вовсе. Однако, это не так. До некоторой степени есть возможность дать и абсолютные значения Е и 5. Особенно это важно по отношению к энтропии, так как, имея возможность знать полное значение ее, мы оказываемся в силах подвергнуть численной проверке целый ряд самых разнообразных физических и физикохимических процессов. Это—одно из сравнительно новых завоеваний термодинамики, основанное на так называемым тепловой теореме Нернста. В формулировке Планка эта теорема гласит: при температуре абсолютного нуля энтропия всякого химически однородного твердого или жидкого тела есть нуль. Таким образом, если тело при постоянном давлении р имеет температуру Т, то его энтропия дается формулой

s=jr

ведущей к двум важным и согласным с опытом заключениям. Так как энтропия не может быть бесконечно велика, то при Т—о должно быть ср — 0 (как мы видели выше, для с„ — 0); это—первое следствие. А второе следствие состоит в том, что по мере приближения температуры тела к абсолютному нулю, коэффициент расширения тела стремится к 0.

Основанная на двух добытых из опыта положениях (1-ый и 2-ой законы), термодинамика в классической своей форме развивалась совершенно независимо от молекулярно-кинетических представлений. Это дало даже повод одно время зародиться научному течению, прямо враждебному атомистике. Однако, успехи современного знания опровергли эту точку зрения, и термодинамика нашего времени, включив в себя и такие явления, как излучение волн, оказывается неразрывно связанной как раз с атомистическими представлениями—не только в вопросе о строении вещества, но в известных случаях и в вопросе о строении самой энергии.

Литература: Хволъсон, „Курс физики“, том III: Планк, „Термодинамика“: Брандт,

„Основания термодинамики“; Блох, „Кинетическая теория газон“: Бачинский, „Введение в кинетическую теорию газов“.

Д. Гольдгаммер.