И неравновесная термодинамика

Классическая термодинамика XIX века занималась изучением тепловых явлений без учета молекулярного строения тел. При этом предметом ее исследований выступали закрытые системы, т.е. системы, которые не обмениваются энергией, веществом и информацией с окружающей средой.

Основу классической термодинамики составляют несколько постулатов (начал).

Первое начало термодинамики, представляющее собой закон сохранения и превращения энергии, в современной формулировке звучит так: количество теплоты, сообщаемое системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы против внешних сил.

Результаты многочисленных наблюдений показывают, что в отличие от механических процессов, тепловые процессы необратимы. Всякая замкнутая система с течением времени стремится перейти в состояние термодинамического равновесия. Достигнув состояния термодинамического равновесия, замкнутая физическая система остается в нем сколь угодно долго. Таким образом, все термодинамические процессы в замкнутых физических системах являются необратимыми и носят направленный характер. Австрийский физик Людвиг Больцман (1844–1906) утверждал, что когда произвольная система тел будет предоставлена сама себе и не подвержена действию других тел, всегда может быть указано направление, в котором будет происходить каждое изменение состояния. Направление протекания процессов характеризуется функцией состояния – энтропией, которая неотрицательна, максимальна в состоянии термодинамического равновесия, и отсюда следует вывод: всякая замкнутая система тел стремится к определенному состоянию (состоянию термодинамического равновесия), для которого энтропия будет максимальной (второе начало термодинамики).

Л. Больцман дал статистическую интерпретацию второго начала термодинамики и вскрыл его вероятностный характер. Согласно Л. Больцману энтропия характеризует меру хаоса, беспорядка в системе. Наибольшей вероятностью осуществления обладает состояние термодинамического равновесия. При переходе системы из неравновесного состояния в состояние равновесия вероятность состояния возрастает, система переходит от состояния порядка к состоянию хаоса, беспорядка.

Если в равновесной классической термодинамике изучались замкнутые системы, то неравновесная термодинамика изучает процессы в открытых системах, находящихся далеко от равновесного состояния. Исследованием поведения открытых систем занимается синергетика.

Основные свойства открытых систем: 1) реакция системы на внешние условия; 2) случайный характер поведения системы; 3) наличие переломных точек в развитии системы – точек бифуркации; 4) согласованное поведение всех частей системы, ее когерентность.

Изучение поведения открытых систем позволило прийти к пониманию целого ряда вопросов эволюции в неживой и живой природе. Отметим термодинамический аспект синергетики, открытые системы способны не только поддерживать упорядоченность системы, но и создавать ее из хаоса, беспорядка. Такие системы носят название диссипативных систем. Диссипативные системы рассеивают энергию в окружающую среду, т.е. производят энтропию. В результате этого в системе возникает порядок, а общая энтропия (энтропия системы и окружающей среды) возрастает.