Понятие времени в классической термодинамике

До возникновения термодинамики понятие времени отсутствовало в классической физике в том виде, в каком оно рассматривается в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающие во времени и имеющих свою историю. Хотя в качестве переменной время входит во все уравнения классической и квантовой механики, но оно не отражает внутренние изменения, которые происходят в системе. Именно поэтому в уравнениях физики его знак можно менять на обратный, т.е. относить его как будущему, так и к прошлому.

Положение изменилось после того, как физика занялась изучением тепловых процессов, законы которых были сформулированы в классической термодинамике. Если прежняя динамика описывала законы движения тел под воздействием внешних сил, отвлекаясь от внутренних изменений, то термодинамика исследовала процессы преобразования тепловой энергии.

Распространение тепла представляет собой необратимый процесс. Тепло, возникшее в результате трения или другой механической работы, нельзя снова превратить в энергию и использовать для работы. Или другой пример, тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот.

С другой стороны, путем экспериментов было доказано, что тепловая энергия превращается в механическую энергию в определенных количествах. Существование такого механического эквивалента для теплоты свидетельствовало о ее сохранении. Все эти многочисленные факты и нашли свое обобщение и теоретическое объяснение в законах классической термодинамики. Законы термодинамики отражают связи, которые существуют между тепловой энергией и полученной за ее счет работой:

1. Это закон о сохранении энергии. Если к системе подводится тепло Q и над ней производится работа W, то энергия системы возрастает до величины U: U= Q + W.

Эту энергию называют внутренней энергией системы, и она показывает, что тепло, полученное системой, не исчезает, а затрачивается на увеличение внутренней энергии и производство работы, т. е. Q = U-W.

2. Это закон о невозможности производства работы исключительно за счет изъятия тепла из одного резервуара при постоянной температуре. Процесс, единственным результатом которого было бы изъятие тепла из резервуара, невозможен.

Например, нельзя произвести работу за счет охлаждения озера, моря или иного резервуара при установившейся температуре. Иногда этот закон выражают в еще более простой форме: тепло не может перетечь самопроизвольно от холодного тела к горячему. В дальнейшем немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822-1888) использовал для формулировки второго закона термодинамики понятие энтропии, которое впоследствии австрийский физик Людвиг Больцман (1844-1906) интерпретировал в терминах изменения порядка в системе.

Когда энтропия системы возрастает, то соответственно усиливается беспорядок в системе. В таком случае второй закон термодинамики постулирует: энтропия замкнутой системы, т.е. системы, которая не обменивается с окружением ни энергией ни веществом, постоянно возрастает.

А это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.

Энтропия выступает в качестве своеобразной стрелы времени. Термодинамика впервые ввела в физику понятие времени в весьма своеобразной форме, а именно необратимого процесса возрастания энтропии в системе. Чем выше энтропия системы, тем больший период прошла система в своей эволюции.

Такое понятие о времени и эволюции системы отличается от понятия эволюции в теории Дарвина. В дарвиновской теории происхождения новых видов растений и животных путем естественного отбора эволюция направлена на выживание более совершенных организмов и усложнение их организации, в термодинамике эволюция связывалась с дезорганизацией систем. Это противоречие оставалось неразрешенным до 1960-х гг., появилась неравновесная термодинамика, опирающаяся на концепцию необратимых процессов.

Классическая термодинамика оказалась неспособной решить и космологические проблемы характера процессов, происходящих во Вселенной. Первую попытку распространить законы термодинамики на Вселенную предпринял один из основателей этой теории − Р. Клаузиус, выдвинувший два постулата: энергия Вселенной всегда постоянна; энтропия Вселенной всегда возрастает. Если принять второй постулат, то необходимо признать, что все процессы во Вселенной направлены в сторону достижения состояния термодинамического равновесия, соответствующего максимуму энтропии, а следовательно, состояния, характеризуемого наибольшей степенью хаоса, беспорядка и дезорганизации. В таком случае во Вселенной наступит тепловая смерть и никакой полезной работы в ней произвести будет нельзя.

Некоторые авторы предполагали, что наряду с энтропийными процессами в природе происходят антиэнтропийные процессы, которые препятствуют наступлению "тепловой смерти" во Вселенной. Другие высказывали сомнение в правомерности распространения понятий термодинамики, с отдельных систем на Вселенную в целом. Но только единицы догадывались, что само понятие закрытой, или изолированной, системы является далеко идущей абстракцией, не отражающей реальный характер систем, которые встречаются в природе.