Природа тепловой формы энергии.

Все вещества и тела состоят из атомов и молекул, находящихся в постоянном движении, соответственно, каждая молекула в процессе движения приобретает определенную, в зависимости от своей массы и скорости беспорядочного движения, кинетическую энергию. Поэтому, даже если само тело находится в покое и имеет нулевую потенциальную и кинетическую энергию, оно обладает внутренней энергией, связанной с движением атомов и молекул.  Суммарная кинетическая энергия молекул вещества и представляет собой тепловую (внутреннюю) энергию этого вещества или тела. Если мы изменим, состояние системы и заставим атомы  и молекулы двигаться более интенсивно, мы говорим, что добавили в систему тепловой энергии, увеличивая ее внутреннюю энергию.

В 18-м веке инженерная мысль открыла возможность превращения тепла в механическую работу. Согласно одному историческому анекдоту, Дж. Уатт создал первую паровую машину, увидев прыгающую крышку на кастрюле с кипятком. Он построил автоматическое паровое устройство для непрерывной работы, основными частями которого были поршневой цилиндр и устройство для периодического выброса отработавшего пара. Паровые машины оказались чересчур прожорливыми, неэкономными в плане расхода топлива. Их эффектность оказалась сравнительно невелика, да и точного способа измерить ее у физиков в распоряжении не имелось. С целью совершенствования тепловых машин проводились исследования работы пара, что привело к возникновению нового направления в физике: термодинамики.

Термодинамика (греч. «терме» — тепло, «динамис» — сила) — физическая наука, изучающая тепловые и энергетические проявления в любых физических процессах. Перенос вещества, передача энергии, выделение или поглощение теплоты сопровождают самые разнообразные природные феномены, среди которых можно назвать химические реакции, обмен веществ в живых организмах, излучение, изменение агрегатного состояния, механические реформации и т. д. Всеми этими процессами, их энергетической стороной занимается термодинамика. Термодинамика отвечает на главные вопросы, связанные с протеканием и самим существованием природных процессов.

Во-первых, возможен ли рассматриваемый процесс при определенных условиях. Во-вторых, в каком направлении станет развиваться реально существующий процесс при изменении условий. В-третьих, каково будет завершение этого процесса. Конечная стадия известна физикам заранее — это тепловое равновесие. Термодинамика устанавливает, как тело (система) приходит к тепловому равновесию. Великий А. Эйнштейн писал: «Классическая термодинамика производит на меня очень глубокое впечатление. Это — единственная общая физическая теория, и я убежден, что в рамках применимости своих основных положений она никогда не будет опровергнута». Термодинамика обладает фантастическим охватом. Она затрагивает буквально все, что только происходит в мире.

Можно сказать, что термодинамика изучает тепло и энергию как формы движения материи. Эта физическая дисциплина основана на «трех китах» — трех законах, которые носят название начал термодинамики, поскольку определяют всеобщие свойства материи и ее движение. Три начала термодинамики справедливы для всей Вселенной, они управляют процессами, событиями, превращениями, живой и неживой природой, самим ходом времени и свойствами пространства. Каждый из этих законов касается какого-либо свойства движения энергии.

Первое начало касается процесса энергообмена, его количественной стороны. Оно указывает, сколько энергии участвует в превращениях, на что она расходуется и как переходит от тела к телу.

Сообщенное телу (или системе) количество теплоты увеличивает внутреннюю энергию этого тела и заставляет его совершать работу. При этом работа не может превышать количество сообщенной телу тепловой энергии, т. е. «вечный двигатель первого рода» невозможен.

Второе начало указывает направление движения энергии: от каких тел, в каком соотношении, через какие формы. Основные положения второго начала термодинамики  формулируются следующим образом:

1.               Тепловая энергия передается только в одном направлении – от теплого к менее теплому.

2.               Превращаться в работу может только часть тепловой энергии, передаваемой от теплого к холодному.  То есть главным условием работы тепловой энергии является не источник тепла («нагреватель»), а «холодильник».

Следствиями этих положений являются:

а) полное преобразование любой формы энергии в работу или другую форму энергии, за исключением тепловой, невозможно; часть энергии обязательно теряется в форме тепла.

б) совершение работы за счет внутренней энергии замкнутой системы возможно только при неравномерном распределении этой энергии внутри системы.

С целью увеличения К.П.Д. тепловых машин были предприняты теоретические исследования работоспособности идеальных закрытых тепловых систем, т. е мысленных систем, полностью изолированных от возможности обмена энергией с внешней средой, общее количество внутренней энергии которых не может измениться. В результате этих мысленных экспериментов были сделаны следующие выводы, также ставшие основными положениями второго начала термодинамики:

• Невозможно использовать для работы внутреннюю энергию вещества путем его охлаждения, так как даже если энергия, потраченная на работу по охлаждению (работу «холодильника») будет равна отдаваемому веществом теплу (идеальный случай), в полезную работу может быть преобразована только часть этого, отданного веществом тепла. Следовательно, реализация проектов, предлагающих использовать внутреннюю тепловую энергию природных объектов (например водоемов) путем их охлаждения – проекты вечного двигателя второго рода – невозможна.
• Работоспособность замкнутой закрытой системы, не смотря на  сохранение исходного количества внутренней энергии, неизбежно снижается до нуля. Другими словами, внутренняя энергия системы необратимо обесценивается, хотя никуда и не исчезает.

Для определения меры этого необратимого обесценивания энергии было введено новое физическое понятие – энтропия.

Представьте себе замкнутую изолированную тепловую систему в виде химически однородного предмета, одна часть которого значительно теплее другой его части (допустим: +900 – одна часть, и +450 – другая часть), полностью изолированного от какого бы то ни было теплового обмена с окружающей средой. Данное неравномерное распределение тепловой энергии внутри системы (предмета) на молекулярном уровне можно себе представить  как упорядоченное распределение молекул вещества в зависимости от скорости их беспорядочного движения.  Молекулы с высокой скоростью движения и соответственно более высокой кинетической энергией сосредоточены в одной части системы (предмета), а молекулы с низкой скоростью и энергией – в другой. В силу беспорядочного движения и неизбежных столкновений и тех и других молекул друг с другом между ними идет постоянный обмен частью кинетической энергии, в результате которого скорость движения и кинетическая энергия одних молекул повышается, а других понижается, то есть идет передача энергии от теплой части предмета к холодной. Часть этого тепла в соответствии со вторым началом термодинамики может быть использована в работе. Но, по мере того как разница температур между частями предмета уменьшается, распределение тепла внутри системы становится все более равномерным, и количество тепловой энергии, передаваемое в единицу времени от теплой части предмета к холодной, становится все меньше, способность внутренней энергии системы совершать работу снижается. Когда разница в тепловой энергии между частями системы полностью нивелируется, продолжение работы станет невозможно, так как, хотя общее количество энергии в системе не изменилось, переход энергии от теплого к холодному   прекратился. В условиях тепловой однородности системы (предмета) скорость движения молекул не может быть одинаковой  в силу передачи части энергии одних молекул другим при неизбежных столкновениях. В то же время в силу беспорядочного, случайного непредсказуемого характера движения молекул наиболее вероятным является статистически равномерное распределение внутри системы (предмета) молекул с разной скоростью движения и кинетической энергией.

Таким образом, наиболее вероятным, а значит, и устойчивым состоянием изолированной (закрытой) замкнутой тепловой системы является максимально беспорядочное движение молекул, что приводит к равномерному распределению внутри системы тепловой энергии и невозможности использования этой энергии в работе.

В качестве другого примера представим себе две соединенные трубкой емкости с двумя разными газами, допустим, водородом  и азотом. Такое состояние является наименее вероятным и потому неустойчивым, но зато высокоупорядоченным. При равенстве температур оба газа постепенно распределятся равномерно во всей системе, так как это состояние  наиболее вероятно и устойчиво.

Таким образом, понятие энтропии, отражавшее абстрактный умозрительный процесс «деградации и обесценивания» энергии становится отражением реального процесса перехода систем от неустойчивого  упорядоченного состояния с неравномерным распределением энергии к устойчивому беспорядочному состоянию с равномерным распределением энергии. С учетом всеобщности и фундаментальности закона сохранения и превращения энергии, энтропии можно дать определение как меры перехода системы от упорядоченного состояния к хаосу, или меры беспорядка в системе.

 Следовательно, третьим основным положением второго начала термодинамики будет:      

3.               В замкнутых закрытых системах энтропия неизбежно возрастает или остается на максимальном уровне. Другими словами, любая закрытая упорядоченная система неизбежно стремится к беспорядку.

Законы термодинамики носят статистический вероятностный характер и не отрицают возможности случайного формирования более упорядоченного состояния системы. Именно в условиях максимально беспорядочного непредсказуемого поведения движущихся частиц и квантов энергии максимально высока вероятность их случайного временного неравномерного (упорядоченного) распределения.  Так, в нашем примере со смесью газов, в силу беспорядочного непредсказуемого движения молекул, всегда есть вероятность их временного неравномерного распределения между сосудами. Так как это состояние маловероятно, а значит неустойчиво, молекулы быстро распространятся опять по всему объему и система вернется к равновесию и максимальной энтропии. Такие случайно возникающие временные зоны упорядоченности в равновесных системах называют флуктуации. В замкнутых закрытых системах флуктуации всегда носят временный характер, так как в соответствии с законом возрастания энтропии случайно образовавшаяся зона упорядоченности и неравномерного распределения энергии неизбежно переходит к равномерному распределению энергии и максимальному беспорядку.

Однако, рассматривая реальные природные замкнутые системы, мы видим, что закон неизбежного возрастания энтропии не проявляется. Почему вода на Земле существует в жидком состоянии, хотя должна была уже несколько миллиардов лет тому назад перейти в пар — состояние с максимальной энтропией? Потому что это было бы возможно только в полностью изолированной системе. Вода есть система из бесчисленного множества молекул. Но она взаимодействует с окружающей средой, в частности с воздухом. Вместе они образуют новую систему, в которой являются всего лишь отдельными телами. И эти тела ничем не изолированы друг от друга, поэтому их энтропия стремится к наиболее вероятному состоянию в конкретных земных условиях. Закрытые изолированные системы существуют только как идеальные мысленные системы. Все реально существующие системы изолированными не являются, так как полностью исключить возможность обмена разных систем  веществами и/или энергией невозможно. Этим обменом веществами и энергией каждая система связана с множеством других систем. При этом каждая система является окружающей средой для элементарных систем, являющихся ее составной частью, (подсистем) и одновременно подсистемой (составной частью) для системы более высокой иерархии (надсистемы). Таким образом, все реально существующие системы являются открытыми, так как постоянно обмениваются веществами и/или энергией с другими системами.