Таким образом, второй закон термодинамики состоит из констатации двух положений — существования и постоянства энтропии в обратимых процессах (Карно) и возрастания энтропии в необратимых процессах (Клаузиус).
Уменьшение энтропии в изолированных системах второй закон запрещает: оно в принципе невозможно: Примеров таких воображаемых невозможных процессов можно привести много: это самопроизвольный переход теплоты от холодного тела с температурой Т2 к более теплому с температурой Т1 > Т2, например, закипание чайника с водой, поставленного на лед (или замерзание в жару воды в водопроводной трубе). Нетрудно видеть (рис. 3.5), что энтропия при этом уменьшалась бы, поскольку энтропия S воды в чайнике возрастала бы на Q/T1, а энтропия S льда уменьшалась на Q/T2. Двигатель, работающий на «концентрации тепловой энергии, отводимой из окружающего пространства» (т. е. производящий работу или электроэнергию из внутренней энергии равновесной окружающей среды)[53], относился бы к этой же группе нереализуемых систем. Действительно, получая некоторое количество теплоты QO.C. от среды при ее температуре TO.C. (а с ней неизбежно и соответствующую энтропию S = QO.C./TO.C., он выдавал бы некоторую работу, в которой энтропии нет. К чему это привело бы?
Если бы вся теплота QO.C. превратилась в работу, то энтропия исчезла бы совсем. Если же в работу L превратилась бы только часть теплоты QO.C., а остальную ее часть Q2 двигатель отдал бы обратно, то все равно отданная энтропия была бы меньше, чем полученная так как Q2 < QO.C. и S2 = Q2/TO.C. < QO.C./TO.C.
Чтобы завершить знакомство с энтропией, остается затронуть еще один аспект этой замечательной величины — ее статистическую трактовку. Она была дана двумя великими физиками — Л. Больцманом (1844-1906 гг.) и М. Планком (1858-1947 гг.).
Они подошли к понятию энтропии с другой стороны, так сказать, «изнутри», от молекулярного строения материи. Больцман исследовал законы поведения всего множества молекул, составляющих взаимодействующие части системы, и установил, что существует непосредственная связь энтропии с тем состоянием, в котором эти молекулы находятся.
Каждая молекула обладает в каждый определенный момент определенной энергией, связанной с ее движением и взаимодействием с другими молекулами. Общая внутренняя энергия вещества представляет собой сумму энергий этих частиц. Поскольку молекулы постоянно находятся в хаотическом движении и взаимодействуют между собой, между ними происходит энергетический обмен, приводящий к тому, что энергия все время перераспределяется между ними. Поэтому каждый следующий момент соответствует уже другому микросостоянию системы с другим распределением энергии между молекулами.
Таким образом, микросостояние системы — это такое ее состояние в данный момент, при котором для каждой молекулы определены положение в пространстве и скорость. Это, если так можно выразиться, мгновенный снимок системы.
Изучить в такой ситуации хаоса и беспорядка, существующей в каждом микросостоянии, поведение каждой молекулы, чтобы предсказать ее поведение в дальнейшем, практически невозможно. Но это и не нужно: достаточно знать возможные варианты общего поведения системы, т. е. число всех ее возможных микросостояний.
Число w таких микросостояний может быть очень велико, огромно, но оно все же не бесконечно, так как число молекул конечно, как и число энергетических уровней, на которых они могут находиться.
Но каково же будет состояние системы, определяемое общими характеристиками (плотность, энергия и т. д.), т. е. ее макросостояние в данных условиях? Какое из многочисленных микросостояний она «выберет»? Оказывается, зная число и особенности различных возможных микросостояний, можно установить ее наиболее вероятное макросостояние. Этот закон будет статистическим, что, однако, ничуть не снижает его силы и надежности.
53
Такой воображаемый ppm-2 иногда называют монотермическим двигателем, так как он должен работать от одного теплоотдатчика с одной температурой