Тема 21. Законы термодинамики. Энтропия в природе

Формы энергии – тепловая (низкокачественная ФЭ), механическая, химическая, электрическая (высококачественные ФЭ). Качество (ценность) любой формы энергии определяется легкостью ее превращения в другие формы энергии. С понижением температуры снижается качество тепловой энергии.

Термодинамика (от греч. thermē – теплота) – наука, изучающая превращение теплоты в иные виды энергии. Т. строится на основе трех фундаментальных законов (начал). Первый закон Т. – это закон сохранения энергии при ее превращениях; он утверждает, что если система совершает термодинамический цикл (то есть возвращается в конечном счёте в исходное состояние), то полное количество теплоты, сообщенное системе на протяжении цикла, равно совершенной ею работе (это утверждение эквивалентно утверждению о невозможности вечного двигателя первого рода). Второй закон Т. существует в нескольких формулировках: 1) теплота самопроизвольно переходит только от горячего тела к холодному; обратный самопроизвольный процесс невозможен (принцип направленности теплообмена от горячего – к холодному, гипотеза о тепловой смерти Вселенной); 2) энтропия замкнутой системы возрастает, т.е. разрушаются упорядоченные структуры и нарастает беспорядок (принцип существования и возрастания энтропии; утверждение о невозможности вечного двигателя второго рода). Третий закон Т. (тепловая теорема В.Нернста), утверждает, что энтропия всех тел в состоянии равновесия стремится к нулю по мере приближения к абсолютному нулю температуры, поскольку универсальную константу в энтропии можно положить равной нулю.

Равновесие термодинамическое – состояние термодинамической системы, в которое она самопроизвольно приходит через достаточно большой промежуток времени в условиях изоляции от окружающей среды, после чего параметры состояния системы уже не меняются со временем. Признаки равновесного состояния: однородность, отсутствие потоков вещества, энергии, заряда и т.п.

Открытые системы – термодинамические системы, которые обмениваются с окружающей средой веществом , энергией и импульсом. Биологические системы, живые организмы можно рассматривать как открытые химические системы, т.к. они добывают упорядоченность из окружающей среды.

Замкнутые (закрытые) системы – системы, элементы которой взаимодействуют только друг с другом, не имея контактов с внешней средой, т.е. системы, не обменивающиеся с окружающей средой веществом , энергией и импульсом.

Энтропия (от греч. entropia – поворот, превращение) – понятие, впервые введенное в термодинамике для определения меры неупорядоченности, или меры хаоса системы, меры необратимого рассеяния энергии. Э. может служить мерой количества теплоты в системе (Э. как измеряемая физическая величина); мерой беспорядка и бесструктурности в системе; индикатором направления времени (мера необратимости какого-то процесса в замкнутой системе). В замкнутой системе энтропия может только возрастать. Поскольку закон роста энтропии применим лишь к замкнутым системам, то он не противоречит выводам биологии, имеющей дело с открытыми системами.