Энергия и энтропия

Тезис о неуничтожимой материи и ее движении в естествознании полу­чил подтверждение в результате установления закона сохранения и превра­щения энергии.

Закон сохранения и превращения энергии, однако, лишь констатирует на­личие процессов превращения видов энергии и ее сохранение. Но он не по­зволяет решать вопросы о возможности осуществления того или иного про­цесса, не указывает направление происходящих превращений энергии. Ответ на эти вопросы был найден в результате открытия второго закона тер­модинамики. Этот закон устанавливает, что самопроизвольные процессы возможны лишь в том случае, когда в системе нет равновесия, и что эти про­цессы всегда протекают в направлении, при котором система приближается к равновесному состоянию.

Таким образом, второй закон термодинамики позволяет указать направ­ление теплового потока и устанавливает максимально возможный предел превращения теплоты в работу в тепловых машинах. Наиболее общая фор­мулировка второго закона термодинамики дана Клаузиусом в виде следую­щего постулата: " Теплота не может самопроизвольно (без компенсации) пе­реходить от менее нагретого тела к более нагретому ". Что такое компенсация, а также другие формулировки второго закона термодинамики будут рассмотрены ниже (см. § 3.4).

С открытием первого закона термодинамики было осознано значение энергии в материальном мире. Замечено, что все виды энергии, в конечном счете, превращаются в теплоту, которая затем рассеивается в окружающей среде. Мера этого рассеивания была названа энтропией. Чем больше рассеи­вается (обесценивается) энергия, тем больше увеличивается энтропия.

Энергия и энтропия являются неотъемлемыми свойствами материи, при­чем энергия есть мера движения материи, а энтропия - мера рассеивания (деградации) энергии.

Под энергией понимается физическая мера движения материи. Существо­вание видов энергии обусловлено различными способами движения материи. Так, например, электрической форме движения материи соответствует элек­трическая энергия, химической - химическая и т.д. Энергия служит количе­ственной мерой движения материи. Превращение видов энергии происходит при переходе движения материи из одних форм в другие.

Кроме видов энергии различают формы передачи энергии. В термодина­мике приняты две формы обмена энергии: работа и теплота процесса.

Теплота, связанная с движением молекул и атомов, является микроскопи­ческой формой передачи энергии, а работа, связанная с перемещением тела или его частей, - макрофизической.

Необходимо помнить, что теплота и работа, должны связываться не с ка­ким - то «запасом» энергии, а с некоторым процессом, в результате которого происходит передача энергии. В связи с этим ошибочно считать теплоту и работу видами энергии. Любой вид энергии является однозначной функцией состояния, не зависящей от пути процесса, тогда как зависимость теплоты и работы от пути процесса есть их неотъемлемое свойство.

Следует заметить, что теплота и работа не являются равноценными фор­мами передачи энергии. Работа непосредственно может быть преобразована в любой вид энергии. Теплота без промежуточного превращения в работу может быть направлена на увеличение запаса лишь внутренней энергии тела. Работа, без каких бы то ни было ограничений, может быть превращена в теп­лоту, а переход теплоты в работу, согласно второму закону термодинамики, без компенсации (без некоторого дополнительного процесса) невозможен.