Начала классической термодинамики. Замкнутые, изолированные и открытые системы. Порядок и хаос. Энтропия

Закон сохранения энергии называют еще первым началом термодинамики. Это фундаментальный закон, согласно которому важнейшая физическая величина - энергия - сохраняется неизменной в изолированной системе В изолированной системе, согласно этому закону, энергия может только превращаться из одной формы в другую, но ее количество всегда остается постоянным. Если система не изолирована, энергия может изменяться за счет обмена между частями системы или разными системами.

Следует отметить, что для макроскопических систем энергия не является непосредственно измеряемой величиной, хотя современная физика дает довольно подробную картину молекулярного строения макроскопического объекта, а теоретическая и экспериментальная физика позволяет различными методами определить уровни энергии или их разности для частиц в системе. Термодинамика позволяет с точностью до некоторой неопределенной постоянной вычислить эту величину из опытных данных.

Первый закон термодинамики гласит: тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил.
Первый закон термодинамики более известен в другой редакции, абсолютно эквивалентной первой: нельзя построить периодически действующую машину, которая бы совершала работу, больше подводимой к ней извне энергии (или - вечный двигатель первого рода невозможен).

Существование вечного двигателя второго рода запрещает второе начало термодинамики. Вечный двигатель второго рода - это циклически действующая машина, способная совершать работу за счет переноса тепла от холодного тела к горячему. Это не запрещено первым началом термодинамики, но практически невозможно.

Второе начало термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии - теплоты (связанной с неупорядоченным, хаотическим движением) и работы, связанной с упорядоченным движением. Мерой неупорядоченности, или мерой хаоса, в термодинамике является энтропия. Энтропия не бывает отрицательной, она всегда положительна, за исключением случая, когда идеальный кристалл находится при абсолютном нуле (но на этот счет есть третье начало термодинамики, говорящее о недостижимости абсолютного нуля, равного -273° С), что невозможно. Иногда используется отрицательная величина энтропии - н егэнтропш, которая является мерилом упорядоченности системы. Эта величина может быть только отрицательным числом. Рост негэнтропии соответствует возрастанию порядка, энтропии - росту хаоса.

Таким образом, в соответствии со вторым началом термодинамики, в случае изолированной системы (то есть системы, не обменивающейся энергией с окружающей средой) неупорядоченное состояние не может самостоятельно перейти в упорядоченное. При нагревании тела энтропия увеличивается, растет степень неупорядоченности. В изолированной системе энтропия может только расти.

Так мы сталкиваемся с принципом возрастания энтропии -важнейшим принципом термодинамики. Он соответствует стремлению любой системы к состоянию термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом.