Лекция 4. Макромир: статистические закономерности

 

Во второй половины 18 века – начале 19 веке промышленность достигла стадии крупного машинного производства. Произошел технический переворот, связанный с изобретением и применением тепловых машин. Энергетической базой промышленности становится паровой двигатель. В связи с этим преимущественное развитие механики перестает удовлетворять потребностям производства. На первый план выдвигаются разделы физики, изучающие взаимопревращение и взаимосвязь различных форм движения: термодинамика (теплота и механическое движение – работы С. Карно), электрофизика (работы В.В. Петрова, Г. Дэви, М. Фарадея и др.), и химия (развитие химической атомистики – в работах Д. Дальтона, Й. Берцелиуса и др.), произошла ликвидация непреодолимого разрыва между веществами неживой и живой природы (первый органический синтез – искусственное приготовление мочевины – Велером, выступление химика Шевреля против витализма). В геологии развивается исторический взгляд на земную кору (теория медленного развития Земли Лайеля); в биологии складывается эволюционная теория (Ч. Дарвин, Ж.Б. Ламарк и др.), возникают палеонтология (Ж. Кювье) и эмбриология (К.М. Бэр).

 

Был установлен один из фундаментальных законов природы – закон сохранения энергии.

 Открытие этого закона дало возможность для нового синтеза целостного взгляда на природу. Появилась возможность построения единой физической картины мира. Поскольку все формы энергии оказалось возможным измерить в единой мере, в единицах механической работы, то сложилось впечатление, что можно свести все физические процессы к механическим движениям. То есть построить механическую картину мира. Первым шагом в этом направлении явилось создание механической теории теплоты. На возможность этого указывал еще в 18 веке М.В. Ломоносов. В основе его рассуждений лежало представление о теплоте как форме движения мельчайших частиц вещества, «нечувствительных» частичек, как их называл Ломоносов. Или молекул и атомов согласно представлениям химиков 19 века.

 

Но, двигаясь по этому направлению, выяснили, что эта программа встречает непреодолимые трудности. Именно тогда, помимо динамических закономерностей ввели и статистические.

 

Термодинамика

 

Везде в окружающем нас мире непрерывно совершаются процессы перехода энергии от одних тел (различных систем, включая и живые организмы) к другим, при этом энергия может превращаться из одного вида в другой. Такие процессы регулируются законами термодинамики. Слово «термодинамика» состоит из двух греческих слов: «terme» – «теплота» и «dihamiz» – «сила». Термодинамика возникла как наука о процессах, происходящих в тепловых машинах: паровых котлах, двигателях внутреннего сгорания и т.д., т.е. как наука о превращении тепла в механическое движение, в работу.

 В процессе своего развития термодинамика необычайно расширилась и приобрела характер фундаментальной физической науки. Ныне объектом ее исследования являются практически любые процессы превращения материи, связанные с выделением или поглощением энергии, совершением работы, переносом вещества и т.п. Термодинамика изучает процессы расширения и сжатия, нагрева и охлаждения, плавления и затвердевания, испарения и конденсации, химические реакции, тепловое излучение и т.д.

 

По отношению ко всем этим процессам термодинамика отвечает на три главных вопроса:

 

        Возможен ли данный процесс при данных условиях?

        Если процесс возможен, то в каком направлении (тоже, конечно, при данных условиях) он пойдет?

        Чем процесс закончится? Это окончательное, не зависящее уже от времени, состояние термодинамика называет состоянием теплового равновесия.

 

На эти вопросы термодинамика отвечает с помощью трех законов, составляющих ее основное содержание.

 

Первый закон термодинамики утверждает, что всякое тело обладает внутренней энергией U, причем внутренняя энергия может уменьшиться, если тело совершает работу А, и увеличиться, если ему сообщают теплоту Q: DU = DQ - DА.

 

Первый закон термодинамики – это закон сохранения энергии. Из него, в частности, следует, что если внутренняя энергия тела постоянна DU = 0 и тело не получает и не отдает тепла DQ = 0, то оно не может совершать работу: DА = 0. Таким образом, нельзя получить работу из ничего или превратить ее ни во что. Устройство или машину, получающую работу из ничего, называют вечным двигателем первого рода. Первый закон термодинамики отвергает вечный двигатель первого рода.

 

Идея второго закона термодинамики связана с именем французского инженера С. Карно, который в 1824 г. разработал цикл, носящий его имя, – круговой процесс в тепловой машине, в результате которого тело, совершив работу, затем возвращается в исходное состояние, используя часть этой работы. Он впервые показал, что полезную работу можно получить лишь в случае, когда тепло передается от нагретого тела к более холодному.

 

Развивая идеи Карно, английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) в 1851 г. сформулировал второй закон: «В природе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, полученная за счет охлаждения теплого резервуара». Эта формулировка показывает, что взаимное превращение тепла и работы неравноценно: работу можно полностью превратить в тепло (путем трения, нагрева электрическим током и другими способами), а тепло полностью превратить в работу нельзя. Машину, многократно и полностью превращающую тепло в работу, называют вечным двигателем второго рода. Второй закон отвергает вечный двигатель второго рода.

 Возможность расчета абсолютной величины энтропии связана с именем немецкого физикохимика В. Нернста. В 1906 г. он установил, что, когда температура стремится к абсолютному нулю, изменение энтропии, связанное с любым превращением, также стремится к нулю. Позднее было показано, что, и абсолютное значение энтропии простых кристаллических тел стремится к нулю при Т ® 0. Это третий закон термодинамики.