3. Второе начало термодинамики

Вечный двигатель второго рода – воображаемая тепловая машина, которая в результате совершения кругового процесса (цикла) полностью преобразует теплоту, получаемую из какого-либо одного «неисчерпаемого» источника (океан, атмосфера и т.п.), в работу. Действие вечного двигателя второго рода не противоречит закону сохранения энергии (т.е. первому началу термодинамики), но нарушает второе начало термодинамики.

При любых превращениях энергии какая-то часть её превращается в тепло, которое рассеивается в более холодную окружающую среду. Это рассеянное тепло нельзя использовать повторно, не затратив дополнительного количества энергии. Следовательно, какими бы путями не переходила энергия из одной формы в другую, часть её теряется системой в виде тепла. В этом – суть второго начала термодинамики. Оно имеет большое количество формулировок.

1. Любой необратимый энергетический процесс сопровождается потерей энергии в виде тепла;

2. При преобразовании энергии в работу некоторое количество её переходит в теплоту, с помощью которой значительно труднее совершить работу;

3. При любых превращениях энергии часть её теряется в виде тепла.

Часто такие потери превышают 50%. Это значит, что эффективность большинства энергетических превращений (кпд) меньше 50%. Во многих биологических процессах КПД составляет всего лишь 1–10%, остальные 90–99% теряются в виде тепла. Поэтому для функционирования любой машины, в том числе биологической системы, требуется постоянный приток энергии извне. Без пищи человек может прожить 15-30 дней, без воды – 5–10 дней, а без кислорода, принимающего участие в трансформации энергии в живых системах, – 5 минут.

Математическая формулировка второго начала термодинамики тесно связана с понятием энтропии. Было показано, что отношение теплоты, полученной в ходе обратимого процесса, протекающего при постоянной температуре, к самой температуре dQ/T не зависит от того, каким образом протекал этот процесс. Следовательно, это отношение представляет собой изменение некоторой функции состояния, тогда как ни теплота Q ни работа A не являются функциями состояния. Эта функция состояния была названа энтропией (S)

dS = S_конеч. – S_нач. = dQ/T

Обозначим через A_max – максимально возможную работу, которую могла бы совершить термодинамическая система, если бы вся подводимая энергия без потерь могла превратиться в работу. Последнее уравнение описывает ту часть энергии, которая не используется для совершения работы, а превращается в тепло и рассеивается, уменьшая величину действительной работы (A_дейст.) до

A_дейст = A_max – Q = A_max – T dS

Тогда изменение энтропии характеризует величину энергии, рассеянной в виде тепла и не используемой для совершения полезной работы.

Второе начало термодинамики говорит о том, какая часть подведенной энергии может быть преобразована в полезную энергию, а какая деградирует. В соответствии с этим законом, изменение энтропии характеризует долю энергии, превращаемой в тепло в процессах трансформации энергии.

Деградированную энергию нельзя использовать повторно, не затратив при этом ещё большего количества энергии. Деградация энергии сопровождается деградацией массы и даже выбросом абиогенных веществ, загрязняющих биосферу. Именно эта часть энергии и является объективным, т.е. закономерным и не зависящим от нас с вами источником и причиной загрязнения биосферы и возникновения ряда глобальных экологических проблем.

На базе понятия энтропии также были даны различные формулировки второго закона термодинамики, в том числе

• для необратимых процессов возможно лишь одно направление движения времени, при котором энтропия возрастает;

• в изолированных системах энтропия возрастает;

• теплота не может переходить самопроизвольно от тела с низкой температурой к телу с высокой температурой (Клаузиус);

• невозможно создать двигатель, полностью преобразующий тепло в работу (Карно);

• в ходе обратимого процесса суммарная энтропия остается постоянной.

Итак, термодинамика равновесных систем базируется на двух основных принципах (законах, началах): (i) принцип сохранения энергии и (ii) принцип возрастания энтропии в изолированной системе.

В практическом отношении термодинамика состояния равновесия представляет собой упрощенный, но приемлемый подход для анализа изменений уровня энергии в биологической системе. В чем недостаток классической равновесной термодинамики? Поскольку живая система находится в равновесии, в соответствии со вторым законом термодинамики в этой системе должна возрастать энтропия, т.е. неопределённость и хаос, а не упорядоченность и высокая организованность в пространстве и во времени, характерные для биологических систем. Уже поэтому жизнь с точки зрения термодинамики – абсолютно невероятное событие. Некоторое время полагали, что второй закон термодинамики противоречит выводам эволюционной теории Ч. Дарвина, согласно которой в живой природе, благодаря механизму естественного отбора, происходит процесс самоорганизации.

Современная интерпретация этих противоречий заключается в следующем. Классическая термодинамика применима к описанию изолированных систем. В качестве изолированной системы можно рассматривать солнечную систему. Для неё в целом энтропия возрастает. Биологические же системы, включая отдельные индивидуумы, экосистемы и биосферу в целом, являются открытыми, т.е. они могут существовать при непрерывном обмене с окружающей средой веществом, энергией и информацией. Известно, что процесс эволюции в биосфере идет в сторону более сложной и совершенной организации биологических систем, т.е. для отдельных биологических объектов и экосистем энтропия не возрастает и может даже убывать.

5. ТРЕТЬЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

Третье начало термодинамики (теорема Нернста) устанавливает, что энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю не зависит от параметров системы и остается неизменной.

НУЛЕВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

Если две системы находятся в тепловом равновесии с третьей системой, то они должны находиться и в равновесии между собой.