Текст книги "Основные концепции естествознания"

2.7. Термодинамические законы

Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает внутренней энергией – энергией теплового (поступательного, вращательного и колебательного) движения молекул и потенциальной энергией их взаимодействия. Возможно два способа изменения внутренней энергии термодинамической системы при ее взаимодействии с внешними телами: совершение работы и теплообмен.

Известно, что в механике в процессе превращения энергии действует закон сохранения механической энергии. Поскольку тепловое движение тоже механическое (только не направленное, а хаотическое), то при всех превращениях должен выполняться закон сохранения энергии не только внешних, но и внутренних движений. Это утверждение составляет основу первого начала термодинамики: количество теплоты ∆Q, сообщенное телу, идет на увеличение его внутренней энергии ∆U и на совершение телом работы ∆A, т. е.

∆Q = ∆U + ∆A.

Из первого начала термодинамики следует важный вывод о невозможности создания вечного двигателя первого рода, т. е. такого двигателя, который совершал бы работу «из ничего», без внешнего источника энергии. При наличии внешнего источника часть энергии неизбежно переходит в энергию теплового, хаотического движения молекул, что и является причиной невозможности полного превращения энергии внешнего источника в полезную работу.

Многочисленные опыты показывают, что все тепловые процессы в отличие от механического движения необратимы, т. е. для них обратные процессы, при которых реализуются те же тепловые состояния, но только в обратном направлении, практически невозможны. Другими словами, термодинамические процессы необратимы. Приведем два характерных примера необратимых процессов. Один из них заключается в том, что при соприкосновении двух тел с различной температурой более нагретое тело будет отдавать тепло менее нагретому. Обратный процесс, т. е. самопроизвольный переход тепла от менее нагретого тела к более нагретому, никогда не произойдет. Столь же необратимым является и другой процесс – расширение газа в пустоту: газ, находящийся в части сосуда, отделенной от остальной его части перегородкой, после ее удаления заполняет весь сосуд. Без постороннего вмешательства газ никогда не соберется самопроизвольно в той же части сосуда, где он находился первоначально.

Всякая предоставленная самой себе система стремится перейти в состояние термодинамического равновесия, в котором тела находятся в состоянии покоя по отношению друг к другу, обладая одинаковыми температурой и давлением. Равенство температур во всех точках есть условие равновесия двух систем или двух частей одной и той же системы – это положение называется нулевым началом термодинамики. Достигнув равновесия, система сама по себе из него не выходит. Значит, все термодинамические процессы, приближающиеся к тепловому равновесию, необратимы. Необратимы и все механические процессы, сопровождающиеся трением. Трение вызывает замедление движения тел, при котором кинетическая энергия переходит в теплоту. Замедление эквивалентно приближению к состоянию равновесия, при котором движение тел отсутствует.

В системе тел, находящихся в термодинамическом равновесии, без внешнего вмешательства невозможны никакие реальные процессы. Следовательно, с помощью тел, находящихся в термодинамическом равновесии, невозможно совершить никакой работы, так как работа связана с механическим движением, т. е. с переходом тепловой энергии в кинетическую. Утверждение о невозможности получения работы за счет энергии тел, находящихся в термодинамическом равновесии, лежит в основе второго начала термодинамики. Окружающая нас среда обладает колоссальным запасом тепловой энергии. Двигатель, работающий только за счет энергии находящихся в тепловом равновесии тел, был бы практически вечным двигателем. Второе начало термодинамики исключает возможность создания такого вечного двигателя второго рода.

Необратимость тепловых процессов имеет вероятностный характер. Самопроизвольный переход тела из равновесного состояния в неравновесное не невозможен, а лишь весьма маловероятен. В конечном результате необратимость тепловых процессов обусловливается колоссальностью числа молекул, из которых состоит тело.

Молекулы газа стремятся к наиболее вероятному состоянию, т. е. к состоянию с беспорядочным распределением молекул, при котором примерно одинаковое число молекул движется вверх и вниз, вправо и влево, причем в каждом объеме находится примерно одинаковое число молекул, одинаковая доля быстрых и медленных молекул в верхней и нижней частях какого-либо сосуда. Любое отклонение от такого беспорядка, хаоса, т. е. от равномерного и беспорядочного перемешивания молекул по местам и скоростям, связано с уменьшением вероятности, или представляет собой менее вероятное событие. Напротив, процессы, связанные с перемешиванием, с созданием хаоса из порядка, увеличивают вероятность состояния. Только при внешнем воздействии возможно рождение порядка из хаоса, при котором порядок вытесняет хаос. В качестве примеров, демонстрирующих порядок, можно привести созданные природой минералы, построенные человеком большие и малые сооружения и т. п.

Количественной характеристикой теплового состояния системы является термодинамическая вероятность W, равная числу микроскопических способов, с помощью которых это состояние может быть достигнуто. Система, предоставленная самой себе, стремится перейти в состояние с большим значением W. Принято пользоваться не самой вероятностью W, а ее логарифмом, который еще умножается на постоянную Больцмана k. Определенную таким образом величину S = k lnW называют энтропией системы.

Эта формула высечена на памятнике Л. Больцману. Обсуждая принцип Больцмана, немецкий физик и математик А. Зоммерфельд (1868–1951) писал: «Высеченная на памятнике Больцману на Венском кладбище эта формула парит на фоне облаков над могилой великого Больцмана. Неважно, что сам Больцман никогда не писал этой формулы. Это сделал Планк в первом издании лекций по теории теплового излучения (1906 г.). Планку же принадлежит введение постоянной k. Сам Больцман говорил только о пропорциональности между энтропией и логарифмом вероятности состояния. Термин «принцип Больцмана» был введен Эйнштейном».

Возрастание энтропии для необратимых процессов есть следствие перехода системы от менее вероятного состояния к более вероятному, при этом состояние равновесия выступает как наиболее вероятное.

Второе начало термодинамики, определяющее направление тепловых процессов, формулируется как закон возрастания энтропии: для всех происходящих в замкнутой системе тепловых процессов энтропия возрастает; максимально возможное значение энтропии замкнутой системы достигается в тепловом равновесии, т. е.

∆S ≥ 0.

Идеальному случаю – полностью обратимому процессу замкнутой системы – соответствует неизменяющаяся энтропия. Все естественные процессы происходят так, что вероятность состояния возрастает, что означает переход от порядка к хаосу. Значит, энтропия характеризует меру хаоса, которая для всех естественных процессов возрастает. В этой связи закон о невозможности вечного двигателя второго рода, т. е. закон о стремлении тел к равновесному состоянию, получает свое объяснение. Почему механическое движение переходит в тепловое? Да потому, что механическое движение упорядочено, а тепловое беспорядочно, хаотично.

В середине XIX в. активно обсуждалась проблема тепловой смерти Вселенной. Рассматривая Вселенную как замкнутую систему и применяя к ней второе начало термодинамики, немецкий физик Р. Клаузиус пришел к заключению: энтропия Вселенной достигнет своего максимума. Это означает, что все формы движения со временем перейдут в тепловые. Переход же теплоты от горячих тел к холодным приведет к тому, что температура всех тел во Вселенной сравняется, т. е. наступит полное тепловое равновесие и все процессы во Вселенной прекратятся – наступит тепловая смерть Вселенной. Ограниченность такого вывода заключается в том, что бессмысленно применять второе начало термодинамики к незамкнутым системам, к которым относится и наша Вселенная.

Открытие второго начала термодинамики связано с трудами французского ученого и инженера С. Карно (1796–1832), английского физика У. Томсона (барона Кельвина) (1824–1907) и немецкого физика Р. Клаузиуса. Работа С. Карно проложила дорогу, по которой У. Томсон и Р. Клаузиус пришли в 1850-е гг. к фундаментальному закону – второму началу термодинамики. Один из основоположников термодинамики неравновесных процессов, бельгийский физик и физикохимик И. Р. Пригожин (1917–2003) в своей Нобелевской лекции в 1977 г. отметил: «В истории науки второй закон термодинамики сыграл выдающуюся роль, далеко выходящую за рамки явлений, для объяснения сущности которых он был предназначен. Достаточно вспомнить работы Больцмана в области кинетической теории, разработку Планком квантовой теории излучения и Эйнштейном теории спонтанной эмиссии; в основе всех этих достижений лежит второй закон термодинамики».

Энтропия равновесной системы стремится к нулю с приближением температуры к абсолютному нулю – это утверждение называется тепловой теоремой, впервые сформулированной немецким физикохимиком В. Г. Нернстом (1864–1941), лауреатом Нобелевской премии по физике 1920 г. Теорема Нернста не вытекает из первых двух начал, поэтому в силу своей общности она рассматривается как третье начало термодинамики.

Теоремой Нернста завершается построение классической термодинамики. В то же время естественно-научные проблемы сегодняшнего дня привели к созданию совершенно новой отрасли естествознания – неравновесной термодинамики. Хотя сфера применения классической термодинамики давно определена и известны принципы, лежащие в ее основе, однако в самой равновесной термодинамике есть области, которые представляют теоретический и практический интерес и непременно будут развиваться. К ним относятся термодинамика реальных тел, сжатых газов, жидкостей, кристаллов, дисперсных систем, химических процессов и т. п.

2.8. Электромагнитная концепция

Развитие концепции поля. В классическом представлении различают два вида материи: вещество и физическое поле. К первому из них относятся атомы, молекулы и все состоящие из них материальные объекты, структура и форма которых весьма разнообразны. Физическое поле – это особая форма материи. К настоящему времени известно несколько видов физического поля: электромагнитное, гравитационное, поле ядерных сил и волновые (квантовые) поля, соответствующие различным элементарным частицам. Рассмотрим более подробно электромагнитное поле. Именно для него английский физик-самоучка Майкл Фарадей (1791–1867) в 30-е годы XIX в. впервые ввел понятие поля.

Наука о свойствах и закономерностях проявления в различных средах и в вакууме электромагнитного поля, посредством которого осуществляется взаимодействие между электрически заряженными телами, называется электродинамикой.

Среди четырех видов фундаментальных взаимодействий – гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого – электромагнитное взаимодействие занимает первое место по широте и разнообразию проявлений. Например, силы упругости, трения и т. д. имеют электромагнитную природу. Электромагнитное взаимодействие позволяет видеть окружающие нас предметы и тела, так как свет – одна из форм электромагнитного поля. Сама жизнь немыслима без сил электромагнитной природы. Живые существа, и в том числе человек, как показывают полеты космонавтов, способны длительное время находиться в состоянии невесомости, т. е. без ощутимого действия сил всемирного тяготения. Однако если на мгновение прекратилось бы действие электромагнитных сил, то сразу исчезла бы и жизнь. Строение атомных оболочек, объединение атомов в молекулы (химическая связь) и образование из вещества тел различной формы определяются исключительно электромагнитным взаимодействием.

К созданию электромагнитной теории поля привела длинная цепь случайных открытий и планомерных кропотливых исследований, начиная с обнаружения способности янтаря, потертого о шелк, притягивать легкие предметы и кончая предложенной во второй половине XIX в. английским физиком Дж. Максвеллом идеи о порождении магнитного поля переменным электрическим полем. Разработанная Максвеллом электромагнитная теория поля способствовала систематическому исследованию электромагнитных явлений, первым важнейшим результатом которого было изобретение радио выдающимся российским физиком и электротехником А. С. Поповым (1859–1905/6). При развитии электромагнитной теории поля многие научные исследования предшествовали техническим применениям. Если первая паровая машина была построена задолго до создания теории тепловых процессов, то сконструировать электродвигатель или радиоприемник оказалось возможным лишь после открытия и изучения законов электродинамики. Практическое применение многих электромагнитных устройств, несомненно, привело к неизбежному и существенному преобразованию различных сфер деятельности человека и вместе с тем более ускоренному развитию цивилизации.

Концепции дальнодействия и близкодействия. Утверждению понятия поля в значительной мере способствовало стремление осознать дальнодействующий характер электрических сил и сил тяготения. Сразу после открытия И. Ньютоном закона всемирного тяготения, а затем, примерно через сто лет, и закона Кулона, описывающего взаимодействие заряженных тел, возникли вопросы в большей степени философского содержания: почему физические тела, обладающие массой, действуют друг на друга на расстояниях, даже на огромных, через пустое пространство, и почему заряженные тела взаимодействуют даже через электрически нейтральную среду? До введения понятия поля не было удовлетворительных ответов на эти вопросы.

Долгое время считалось, что взаимодействие между телами передается непосредственно через пустое пространство, которое не принимает в нем участия, и передача взаимодействия происходит мгновенно. Такое предположение составляет сущность концепции дальнодействия, впервые предложенной французским математиком, физиком и философом Р. Декартом. Многие ученые были ее сторонниками вплоть до конца XIX в., хотя, например, И. Ньютон считал невероятным и даже невозможным мгновенное взаимодействие тел.

Экспериментальные исследования электромагнитных явлений показали несоответствие концепции дальнодействия физическому опыту. Кроме того, эта концепция противоречила постулату специальной теории относительности: скорость передачи взаимодействия тел ограничена и не должна превышать скорости света в вакууме. Опыты показали, что взаимодействие электрически заряженных тел происходит не мгновенно, а в течение вполне определенного времени.

Каждая электрически заряженная частица создает электромагнитное поле, действующее на другие заряженные частицы, т. е. взаимодействие передается через «посредника» – электромагнитное поле. Скорость распространения электромагнитного поля не превышает скорости света в вакууме. В этом заключается концепция близкодействия. Она правомерна не только для электромагнитных, но и для других видов взаимодействий. Согласно этой концепции, взаимодействие между телами осуществляется посредством тех или иных полей (например, тяготение – посредством гравитационного поля), непрерывно распределенных в пространстве.

В рамках классической физики дискретные и непрерывные свойства материи взаимно противоположны и независимы друг от друга, и только развитие электромагнитной концепции поля позволило понять их диалектическое единство. В современной квантовой теории такое единство противоположностей дискретного и непрерывного нашло обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.

С развитием квантовой теории поля представление о взаимодействии принципиально изменилось: любое поле является не непрерывным, а дискретным. Например, электромагнитное взаимодействие в квантовой теории поля является результатом обмена частиц фотонами – квантами электромагнитного поля. Аналогично другие виды взаимодействия обусловливаются обменом квантами соответствующих полей. Так, в гравитационном взаимодействии, как предполагается, принимают участие гравитоны.

Согласно полевой концепции, участвующие во взаимодействии частицы создают в окружающем их пространстве особое состояние – поле, проявляющееся в силовом воздействии на другие частицы, помещенные в такое пространство. Первоначально выдвигалась механическая интерпретация поля как упругих напряжений гипотетической среды – «эфира». Теория относительности, отвергнув «эфир» как особую упругую среду, вместе с тем придала фундаментальный смысл понятию поля как первичной физической реальности.

В современной квантовой физике на роль «эфира» претендует новый вид материи – физический вакуум, впервые введенный одним из создателей квантовой теории поля английским физиком П. Дираком. Хотя физический вакуум непосредственно не наблюдается (он прозрачен для электромагнитных излучений и не оказывает никакого сопротивления движению материальных частиц и тел), но все же он может проявляться при взаимодействии с ним тех же частиц или электромагнитных волн (гамма-квантов), обладающих достаточно большой энергией.

В истории физики за последние 300 лет предложены по крайней мере четыре разные концепции «эфира»: абсолютное пространство Ньютона, светоносный эфир Гюйгенса, гравитационный эфир Эйнштейна и физический вакуум Дирака. Насколько оправдается предположение физиков о существовании в природе особой среды – физического вакуума, покажет будущее.

Сущность электромагнитной теории Максвела. В 1860-е гг. Дж. Максвелл, развивая представление М. Фарадея об электромагнитном поле, создал теорию электромагнитного поля – первую завершенную теорию поля. Она описывает только электрическое и магнитное поля и весьма успешно объясняет многие электромагнитные явления.

Согласно закону Фарадея, любое изменение магнитного потока приводит к возникновению электромагнитной индукции, характеризующейся электродвижущей силой (ЭДС). Электромагнитная индукция возникает только тогда, когда на носители электрического тока действуют сторонние силы, т. е. силы неэлектростатического происхождения. Какова же природа сторонних сил? Опыт показывает, что сторонние силы не связаны ни с тепловыми, ни с химическими процессами; их возникновение нельзя объяснить наличием сил Лоренца. В этой связи Дж. Максвелл предположил, что всякое переменное магнитное поле возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле, обусловливающее индукционный ток в контуре. Оказывается, контур, в котором возникает ЭДС, играет второстепенную роль, выполняя функцию своеобразного «прибора», обнаруживающего это поле. Электрическое поле, возбуждаемое магнитным полем, как и само магнитное поле, является вихревым.

Согласно Максвеллу, если переменное магнитное поле возбуждает в пространстве вихревое электрическое поле, то возможно и обратное: изменение электрического поля должно вызывать появление в окружающем пространстве вихревого магнитного поля. Для установления количественных соотношений между изменяющимся электрическим полем и вызываемым им магнитным полем Максвелл ввел в рассмотрение так называемый ток смещения, обладающий способностью создавать в окружающем пространстве магнитное поле. Ток смещения в вакууме не связан с движением зарядов, а обусловливается только изменением электрического поля во времени и вместе с тем возбуждает магнитное поле – в этом заключается принципиально новое утверждение Максвелла.

Из уравнений Максвелла следует, что источниками электрического поля могут быть электрические заряды и изменяющиеся во времени магнитные поля, а магнитные поля могут возбуждаться движущимися электрическими зарядами (электрическими токами) и переменными электрическими полями. Уравнения Максвелла не симметричны относительно электрического и магнитного полей: это связано с тем, что в природе существуют электрические заряды, но нет зарядов магнитных.

В стационарном случае, когда электрическое и магнитное поля не изменяются во времени, источником электрического поля могут быть только электрические заряды, а источником магнитного – только токи проводимости. При этом электрическое и магнитное поля независимы друг от друга, что и позволяет изучать отдельно постоянные электрические и магнитные поля.

Уравнения Максвелла – это общие уравнения для электрических и магнитных полей, в электромагнетизме они играют такую же роль, как законы Ньютона в механике. Из уравнений Максвелла следует, что переменное магнитное поле всегда связано с порождаемым им электрическим полем, а переменное электрическое поле – с порождаемым им магнитным, т. е. электрическое и магнитное поля неразрывно взаимосвязаны и образуют единое электромагнитное поле.