Термодинамическая система – физическая система, состоящая из большого числа частиц и не требующая для своего описания привлечения характеристик отдельных частиц. Единицей измерения числа частиц в термодинамической системе обычно служит число Авогадро. Это примерно 6·1023 молекул на единицу массы вещества в килограммах численно равную его молекулярному весу, дающее представление, о величинах какого порядка идёт речь. Такое количество молекул, например, содержится в 18 граммах воды (H2O → 2 + 16 = 18 – сумма атомных весов водорода и кислорода). Ограничения на природу материальных частиц, образующих термодинамическую систему, не накладываются: это могут быть атомы, молекулы, электроны, ионы, фотоны и т. д.
Исторически это понятие, да и сама наука термодинамика обозначились при постройке тепловых машин. Практически приходилось иметь дело с ограниченными объемами газа и пара, которые сжимались или расширялись, нагревались или охлаждались. Затем это понятие несколько расширилось, но все равно, характерной особенность термодинамической системы является огромное множество хаотически движущихся частиц, которые соударяются друг с другом.
Несколько слов о системном подходе, который мы также используем. Главная сущность его заключается в том, что в сложной системе могут существовать общие закономерности, никак не вытекающие из свойств элементов её составляющих (свойство эмерджентности). Простой пример. Имеется множество радиодеталей (микросхем, конденсаторов, резисторов и т.п.) любых номиналов и видов, но, изучив все их свойства, мы никак не сможем вывести из них конструкцию, например телевизора или радиоприемника. Эти аппараты можно только изобрести, т.е. изобрести их функционирование (алгоритм работы).
Ранее считалось, что наука – это исследование только природных закономерностей. Основателем этого направления «чистой науки» (редукционизма – метода разделения сложных явлений на более простые и изучения именно их, и после этого, сложное явление почти всегда становится понятным) можно считать И. Ньютона. Проводилась резкая граница между изобретениями и «истинно научными исследованиями», где, в основном, выводились и решались дифференциальные уравнения.
Но не вся природа описывается этими уравнениями. Алгоритмы, например, не описываются, а в Природе их сколько угодно. Ну, ни как не вытекает из всех уравнений физики алгоритм действия двигателя внутреннего сгорания. Его можно было только придумать, изобрести. Редукционизм и системный подход – два научных метода, дополняющих друг друга.
Мерой неупорядоченности материальных систем принимают энтропию. Чем больше энтропия, тем больше неупорядоченность. Энтропия максимальна при полном хаосе, когда невозможно выделить, найти отдельные объекты (или их системы), соответственно, нет и связей между ними. Нуль энтропии также непредставим, как и абсолютный хаос, так как невозможно вообразить предел сложности функционирования, упорядоченности материи и энергии. Заметим аналогию со временем. У него также невозможно представить начало и конец. Об энтропии будет еще много разговоров ниже, при обсуждении второго закона термодинамики.
Термины: самоорганизация и эволюция приняты идентичными в этой книге.
1. Обобщение закона о необратимости явлений реального мира
В термодинамике есть два главных закона, основанных на опыте многих столетий обращения людей с нагреванием различных веществ. Первый закон, это практически закон сохранения энергии – «теплота эквивалентна механической работе». Я не удержусь, чтобы не привести эту эквивалентность в цифрах. Нагревание одного килограмма (литра) воды всего на один градус можно сделать за несколько минут, подержав в руках литровую банку с водой. И эта теплота соответствует механической работе, которую надо затратить, чтобы поднять на один метр тело массой 427 килограмм! Этого не сможет сделать ни один человек (без приспособлений и с ограничением времени).
Впервые это удивительное соотношение определил английский ученый Джеймс Джоуль в 1843 году. Можно себе представить, как отнеслись к такому заявлению современники Джоуля. Тогда теплота считалась некоей жидкостью, перетекающей из горячего тела в холодное (теплород). Только через некоторое время работа Джоуля получила признание Томсона (лорда Кельвина) и Максвелла. Авторитет этих людей сломил отчужденность к исследованиям выдающегося ученого, среди которых надо еще упомянуть закон Джоуля о количестве выделяемого тепла электрическим током (Q=I2·R·t) и закон Джоуля-Томсона, на котором основан один из методов получения низких температур (например, в домашних холодильниках).