2. Второе начало термодинамики

Существование вечного двигателя второго рода запрещает второе начало термодинамики: теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему. Поэтому невозможно построить такую машину, которая работала бы 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 молекул (например, броуновское движение молекул, скорость которого напрямую связана с температурой), и работы, связанной с упорядоченным движением. Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло — вспомните, как наши предки получали огонь трением. В то же время тепло в эквивалентную ему работу полностью превратить нельзя, всегда останется некоторое количество теплоты, которое пропадет бесполезно. Другими словами, неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную. Мерой неупорядоченности, или мерой хаоса, системы в термодинамике является энтропия. Энтропия не бывает отрицательной, она всегда положительна. Исключением является случай, когда идеальный кристалл находится при температуре абсолютного нуля (но на этот счет существует третье начало термодинамики, говорящее о недостижимости абсолютного нуля, равного —273°С), что невозможно, так как это означало бы прекращение любого движения, в том числе движения атомов и элементарных частиц.

Таким образом, в соответствии со вторым началом термодинамики в случае изолированной системы (не обменивающейся веществом, энергией или информацией с окружающей средой) неупорядоченное состояние не может самостоятельно перейти в упорядоченное. Представим себе закрытую систему, в которой вся энергия находится в упорядоченном состоянии (энергия-работа). Если в этой системе начнется процесс преобразования энергии, то мы увидим, что вся энергия-работа постепенно перейдет в энергию-тепло. Полученное тепло может быть использовано для совершения какой-либо полезной работы, но не полностью. Так появится энтропия. При следующем цикле преобразования работа опять полностью перейдет в тепло, но тепло вновь не сможет полностью превратиться в работу, и поэтому энтропия вновь увеличится. Так будет происходить до тех пор, пока вся энергия системы не превратится в тепло и не установится состояние термодинамического равновесия. Таким образом, в изолированной системе энтропия может только возрастать. Поэтому второе начало термодинамики также называют принципом возрастания энтропии. Эта более точная формулировка второго начала термодинамики утверждает, что при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает. Иными словами, любая система стремится к состоянию термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом.

Именно из этого принципа вытекали пессимистические представления о развитии Вселенной, характерные для второй половины XIX в. Они воплотились в идею тепловой смерти Вселенной, сформулированную В. Томсоном в 1851 г. Упорядоченными источниками энергии во Вселенной являются звезды, возраст которых хотя и велик, но не бесконечен. До открытия второго начала термодинамики считалось, что на смену погасшим звездам загораются новые, и процесс этот будет идти бесконечно. Но признание того факта, что все виды энергии деградируют, со временем превращаясь в тепло, требовало признать, что новых звезд должно загораться меньше, чем погасло старых. Поэтому со временем должны закончить свое существование все звезды, отдав свою энергию в окружающее пространство, и вся Вселенная придет в состояние хаоса — термодинамического равновесия с температурой лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. В этом пространстве будут разбросаны безжизненные, остывшие шары планет и звезд. Не будет источников энергии — не будет жизни.

Хотя эту концепцию пытались опровергнуть крупнейшие философы и ученые того времени, в рамках существовавших тогда гносеологических предпосылок это было невозможно. Лишь в XX в., признав Вселенную открытой системой, удалось отказаться от идеи тепловой смерти.

Утверждение о стремлении к нулю энтропии при стремлении к абсолютному нулю температуры не связано непосредственно со вторым законом термодинамики и представляет собой отдельный закон (тепловую теорему Нернста, иногда называемую также третьим законом термодинамики).

Современные электрообогреватели, например, масляные, не более вредны для здоровья, чем радиаторы центрального отопления. Превращение электроэнергии в теплоту не требует сложных устройств, и потому даже очень эффективные и мощные электрообогреватели стоят недорого. Строить линии электропередачи и подстанции тоже существенно дешевле, чем тянуть трубопроводы горячей воды, постоянно их ремонтировать, мириться с тем, что они обогревают не столько дома, сколько окружающую среду. Однако с точки зрения термодинамики, электрообогреватели – чистое расточительство. Сначала на тепловой или атомной электростанции с большими трудностями превращают теплоту, получаемую от атомного реактора или сгорающего топлива, в электроэнергию, причем 60% и более этой теплоты бесполезно рассеивается в окружающей среде. Эти потери можно оправдать, если за счет полученной высококачественной электроэнергии делать что-нибудь сложное – например, питать компьютер, телевизор или прецизионный станок. Но если втыкать в розетку электрообогреватель и сразу перегонять высококачественную электроэнергию в теплоту … Зачем, спрашивается, тогда нужны ЭЛЕКТРОстанции?

Устройство, которое производит больше энергии, чем потребляет, – это вечный двигатель первого рода. Он запрещен первым законом термодинамики. Устройство, полностью превращающее низкокачественную энергию в высококачественную, – это вечный двигатель второго рода. Он запрещен вторым законом термодинамики. Утверждение о создании энергии из вещества с точки зрения термодинамики бессмысленно или, как минимум, неграмотно. Любое вещество обладает энергией, и задача термодинамики заключается в изучении превращений этой энергии в различных процессах. Следовательно, электроэнергетика, с точки зрения термодинамики, – это превращение неудобных для использования форм энергии в удобную электрическую энергию за счет перевода части входной энергии в низкокачественные формы – в конечном счете, в теплоту.

На тепловой электростанции химическая энергия топлива при его сжигании превращается в тепловую энергию воды и пара, которая частично трансформируется в механическую энергию вращения ротора турбины, а последняя затем с помощью генератора трансформируется в электрическую энергию. Состояние и энергия ядер атомов во всех этих процессах не меняются.  

Второй закон термодинамики запрещает понижение энтропии изолированной системы. Все остальное не запрещено, то есть может происходить в реальности, в частности любое изменение энтропии системы открытой.

Возникновение структур означает рост упорядоченности. Поскольку энтропия есть мера беспорядка, возникновение структур на Земле должно было сопровождаться понижением энтропии планеты. А это возможно лишь в том случае, если отвод энтропии с Земли в космическое пространство перекрывает ее поступление на Землю с солнечным светом и собственное производство вместе взятые, или, по крайней мере, компенсирует эти две «приходные статьи»: 

Первый закон термодинамики (закон сохранения количества энергии при ее превращениях) утверждает невозможность вечного двигателя первого рода – гипотетического устройства, которое производило бы полезной работы больше, чем потребляло энергии. Второй же закон термодинамики можно сформулировать как запрет на создание вечного двигателя второго рода – гипотетического устройства, единственным результатом работы которого было бы превращение тепловой энергии в равное количество полезной работы.

Тема: Закономерности самоорганизации. Принципы универсального эволюционизма

• Синергетика изучает закономерности самоорганизации в природных и социальных системах

Основная проблема синергетики – закономерности самоорганизации.

Самоорганизация происходит только в неравновесных нелинейных системах, когда степень неравновесности превосходит определенное критическое значение.

Согласно общим закономерностям самоорганизации, прохождение точки бифуркации – это системный кризис, характеризующийся развитием неустойчивости системы, ростом амплитуды и продолжительности существования всевозможных отклонений от нормы (флуктуаций) и, как следствие, невозможностью предсказать даже ближайшее будущее системы.

Диссипативная структура – это неравновесная упорядоченная структура, возникшая в результате самоорганизации. Название отражает тот факт, что диссипативная структура рассеивает (диссипирует) постоянно поступающую в нее энергию, то есть трансформирует ее в энергию более низкого качества.

Синергетика утверждает, что путь выхода развивающейся системы из точки бифуркации непредсказуем, поскольку определяется флуктуациями, игрой случая. С каждой следующей точкой бифуркации неопределенность только нарастает. Поэтому дальние прогнозы для эволюционирующей системы невозможны в принципе, а вот траектория ее развития между точками бифуркации (то есть в течение относительно небольшого периода времени) вполне поддается достаточно точному расчету и прогнозированию.

Согласно закономерностям самоорганизации, возникновение диссипативной структуры всегда сопровождается скачкообразным ростом производства энтропии. Потому структура и называется «диссипативной», то есть «рассеивающей» энергию, переводящей энергию в менее качественные формы. Чтобы при этом обеспечить рост упорядоченности, то есть снижение энтропии системы, необходимо одновременно столь же резко ускорить вынос энтропии за пределы системы, в окружающую среду. Именно поэтому любое человеческое поселение непременно окружено кольцом свалок, постоянно и быстро растущих, пока это поселение существует и развивается.