Основы термодинамики
Закон сохранения энергии называют еще первым началом термодинамики. Это фундаментальный закон, согласно которому важнейшая физическая величина - энергия - сохраняется неизменной в изолированной системе. Науке сегодня не известна ни одна причина, которая могла бы привести к нарушению этого закона. Иначе можно было бы создать вечный двигатель - давнюю мечту человечества, двигатель, создающий энергию из ничего. 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. Например, ежедневно мы сталкиваемся с тем, что чайник, охлаждаясь, нагревает воздух.
Когда мы говорим о сохранении энергии, мы имеем в виду механическую, тепловую и внутреннюю энергии, то есть энергию, зависящую лишь от термодинамического состояния. Она складывается из движения атомов, энергии химических связей и других типов энергий, связанных с состоянием электронов в молекулах.
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. Однако до настоящего времени отсутствуют способы непосредственного измерения самой энергии системы в целом. Термодинамика позволяет с точностью до некоторой неопределенной постоянной вычислить эту величину из опытных данных. Для этого следует учесть теплообмен системы с окружающей средой и измерить работу, совершаемую системой.
Первый закон термодинамики гласит: тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил. Например, если вы поместите градусник, используемый для измерения температуры тела, в стакан с водой с температурой 50° С, то через несколько минут вы услышите характерный звон разбитого стекла: это ртуть, расширившись (а расширение связано с увеличением межатомных расстояний, то есть с увеличением внутренней энергии ртути), и не имея выхода, надавила на стекло резервуара и совершила работу, разрушив его.
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. Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло - вспомните, как наши предки добывали огонь. В то же время тепло в эквивалентную ему работу полностью превратить нельзя. Другими словами, неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную. 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 - негэнтропш, 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.
Из этого принципа следует идея тепловой смерти Вселенной. Раз все виды энергии деградируют, превращаясь в тепло, то когда-нибудь закончат свое существование звезды, отдав свою энергию в окружающее пространство, и вся Вселенная придет в самое простое 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, не будет ничего.
План семинарского занятия (2 часа)
1. Симметрия. Виды симметрии в физике.
2. Принципы симметрии и законы сохранения физических величин.
3. Принцип соответствия.
4. Принцип дополнительности и соотношение неопределенностей.
5. Принцип суперпозиции.
6. Три начала термодинамики.
Темы докладов и рефератов
1. Современные исследования в области симметрии и суперсимметрии.
2. Вечные двигатели: история проблемы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андреев Э.П. Пространство микромира. М., 1969.
2. Готт B.C. Философские вопросы современной физики. М., 1988.
3. Гудков Н.А. Идея «великого синтеза» в физике. Киев, 1990.
4. Девис П. Суперсила. М., 1989.
5. Пахомов Б.Я. Становление современной физической картины мира. М,1985.
6. Философские проблемы естествознания. М., 1985.
- Т.Г.Грушевицкая, а.П.Садохин
- Тема 1. Наука и ее роль в жизни общества
- Тема 1 наука и ее роль в жизни общества проблема определения науки
- Соотношение науки, философии и религии
- Структура науки и ее функции
- Критерии научности знания
- Тема 2 научная теория. Структура и основания теории
- Теория как форма научного знания. Теория и научные программы
- Структура научной теории
- Гносеологические предпосылки науки
- Классификация научных теорий
- Научные понятия и способ их образования
- Введение и исключение научных абстракций
- Тема 3 методы научного познания. Развитие научного знания
- Методы научного познания
- Законы науки
- Развитие научного знания
- Специфика научных революций
- Тема 4 возникновение науки. Появление первых научных программ проблема начала науки
- Научные знания на древнем востоке
- Начало науки. Античная наука
- Первые научные программы античности
- Тема 5 формирование основ естествознания в эпоху средневековья и возрождения
- Основные черты средневекового мировоззрения
- Наука и научное познание в средние века
- Революция в мировоззрении в эпоху возрождения
- Тема 6 научная революция XVI-xvh вв. И становление классической науки
- Галилей и его роль в возникновении современной науки
- Основные аспекты научной революции
- Исаак ньютон и завершение научной революции
- Тема 7 специфика и природа современной науки
- Особенности классической науки
- Наука XIX века
- Новейшая революция в науке
- Основные черты современной науки
- Кризис современной науки. Постнеклассическая наука
- Тема 8 физическая картина мира
- Механическая картина мира
- Электромагнитная картина мира
- Становление современной физической картины мира
- Тема 9 структурные уровни организации материи структурность и системность материи
- Поле и вещество
- Классификация элементарных частиц
- Тема 10 физическое взаимодействие проблемы учения о взаимодействии и движении
- Общая характеристика физических взаимодействий
- Гравитационное взаимодействие
- Электромагнитное взаимодействие
- Слабое взаимодействие
- Сильное взаимодействие
- Теории большого объединения и суперобъединения
- Тема 11 концепции пространства и времени в современном естествознании
- Развитие представлений о пространстве и времени
- Теория относительности
- Единство и многообразие свойств пространства и времени
- Тема 12 детерминизм и причинность в современной физике. Динамические и статистические законы
- Динамические законы и теории и механический, детерминизм
- Статистические законы и теории и вероятностный детерминизм
- Соотношение динамических и статистических законов
- Тема 13 принципы современной физики
- Принцип симметрии и законы сохранения
- Принцип соответствия
- Принцип дополнительности и соотношение неопределенностей
- Принцип суперпозиции
- Основы термодинамики
- Тема 14 космологические модели вселенной что такое космология?
- Начало научной космологии
- Космологические парадоксы
- Неевклидовы геометрии
- Модель расширяющейся вселенной
- Некоторые трудности гипотезы расширяющейся вселенной
- Тема 15 эволюция вселенной рождение вселенной
- Ранний этап эволюции вселенной
- Структурная самоорганизация вселенной
- Образование солнечной системы
- Тема 16 проблемы самоорганизации материи формирование идеи самоорганизации
- Понятие самоорганизации
- Основы синергетики
- Неравновесная термодинамика и. Пригожина
- Тема 17 становление и развитие химической картины мира возникновение химии
- Алхимия
- Арабская алхимия
- Западноевропейская алхимия
- Период зарождения научной химии
- Теория флогистона
- Закон сохранения массы лавуазье
- Открытие основных законов химии
- Химия как наука
- Тема 18 современные концепции химии структура химии
- Взаимосвязь химии с физикой
- Проблема химического элемента
- Концепции структуры химических соединений
- Учение о химических процессах
- Эволюционная химия
- Взаимосвязь химии с биологией
- Тема 19 происхождение и сущность жизни история проблемы
- Концепция происхождения жизни а.И. Опарина
- Современные концепции происхождения и сущности жизни
- Сущность и определение жизни
- Появление жизни на земле
- Формирование биосферы земли
- Тема 20 эволюция органического мира
- Становление идеи развития в биологии
- Концепция развития ж.-б.Ламарка
- Теория катастроф ж. Кювье
- Эволюционная теория ч.Дарвина
- Антидарвинизм конца XIX-начала XX века
- Тема 21 современные теории эволюции
- Основы генетики
- Синтетическая теория эволюции (стэ)
- Тема 22 человек как предмет естествознания
- Происхождение человека
- Сущность человека
- Телесность и здоровье человека
- Тема 23 человек, биосфера и космос
- Человек и космос
- Космизация современной науки и философии
- Антропный принцип
- Тема 24 на пути к ноосфере
- Современные концепции экологии
- Концепция ноосферы и устойчивого развития