Границы применимости второго закона термодинамики

Второй закон термодинамики в изложении по Больцману формулируется так: природа стремится от состояний менее вероятных к состояниям более вероятным. При такой статистической трактовке закона утверждения, содержащиеся в ранее приведенных формулировках этого закона, теряют свою категоричность.

Переход системы в равновесное состояние со статистической точки зрения лишь более вероятен, чем, например, самопроизвольный переход от равновесного состояния к неравновесному. Но это не означает, что такой переход в принципе невозможен. Так, например, в результате броуновского движения пылинка может подняться на значительную высоту. Работа по подъему пылинки совершается за счет кинетической энергии хаотического движения молекул. Следовательно, газ, в котором поднимается пылинка, в результате ее подъема остывает, и его энтропия уменьшается. Этот пример доказывает ограниченный характер второго закона.

Между трактовками второго закона термодинамики в статистической физике и термодинамике существует принципиальное различие. В термодинамике этот закон обычно рассматривается как абсолютно строгий закон, согласно которому энтропия замкнутой системы только возрастает, а при достижении максимума она остается неизменной неограниченное время. В действительности же, как показывает статистическая физика, второй закон термодинамики не является абсолютно строгим. В изолированной системе, наряду с процессами перехода системы в состояние с максимумом энтропии, возможны, хотя и очень редко, процессы уменьшения энтропии.

Справедливость второго закона термодинамики ограничивается прежде всего рамками самой термодинамики: она изучает закономерности теплового движения, существующего лишь в системах, состоящих из очень большого числа частиц. Это обстоятельство определяет нижнюю границу применимости второго закона: он неприменим к микросистемам, то есть к системам, состоящим из малого числа частиц.

Второй закон термодинамики - опытный закон, установленный для замкнутых земных макросистем. В случае галактических систем определяющую роль в их поведении начинают играть дальнодействующие гравитационные силы, и такие системы уже нельзя считать замкнутыми. Этим определяется верхняя граница применимости второго закона: он неприменим к достаточно большим участкам Вселенной.

Между тем, некритическое перенесение закономерностей земного макроскопического опыта на Вселенную как целое приводило к антинаучным выводам о так называемой "тепловой смерти Вселенной", сделанным рядом физиков и философов в прошлом столетии. Распространяя действие второго закона на всю Вселенную, Р.Клаузиус пришел к выводу, что энтропия Вселенной стремится к максимуму. Следовательно, все виды движения во Вселенной должны самопроизвольно перейти в тепловое хаотическое движение, температура всех тел во Вселенной выравняется и наступит состояние "тепловой смерти" - в результате этого исчезнут причины, способствующие возникновению каких бы то ни было процессов.

Ошибочность подобных рассуждений заключалась в том, что Вселенной неправомерно приписывались свойства замкнутой системы. Кроме того, Вселенная непрерывно развивается, примерами чего могут служить ее расширение (данные астрофизики и космологии) и образование новых звездных систем. Для Вселенной само понятие термодинамического равновесия лишено смысла, поэтому для нее не существует состояния максимальной энтропии. Энтропия Вселенной в каждой ее области может возрастать неограниченно без приближения к состоянию максимальной энтропии, то есть к "тепловой смерти".

Таким образом, второй закон термодинамики применим только к изолированным термодинамическим системам.