Понятие времени в классической термодинамике

До возникновения термодинамики понятие времени, по существу, отсутствовало в классической физике в том виде, в каком оно рассматривается в реальной жизни и в науках, изучающих процессы, протекающие во времени и имеющие свою историю.

Положение существенно изменилось после того, как физика вплотную занялась изучением тепловых процессов, законы которых были сформулированы в классической термодинамике. Если прежняя динамика описывала законы движения тел под воздействием внешних сил, сознательно отвлекаясь от внутренних изменений, происходящих в механических системах, то термодинамика вынуждена была исследовать физические процессы при различных преобразованиях тепловой энергии. Однако она не анализирует внутреннего строения термодинамических систем, как это делает статическая физика, рассматривающая теплоту как беспорядочное движение огромного числа молекул.

Термодинамика возникла из обобщения многочисленных фактов, описывающих явления передачи, распространения и превращения тепла. Самым очевидным является тот факт, что распространение тепла представляет собой необратимый процесс. Хорошо известно, например, что теплоту, возникшую в результате трения или выполнения другой механической работы, нельзя снова превратить в энергию и потом использовать для производства работы. Не менее известно, что тепло передается от горячего тела к холодному, а не наоборот.

С другой стороны, путем точных экспериментов было доказано, что тепловая энергия превращается в механическую энергию в строго определенных количествах. Существование такого механического эквивалента для теплоты свидетельствовало о ее сохранении.

Если к системе подводится теплота Q и над ней производится работа А, то энергия системы возрастает до величины U: U = Q + А.

Эту энергию называют внутренней энергией системы, и она показывает, что теплота, полученная системой, не исчезает, а затрачивается на увеличение внутренней энергии и производство работы, т.е. Q = U—А.

Процесс, единственным результатом которого было бы изъятие теплоты из резервуара, невозможен.

Приведенные формулировки отражают связи, которые существуют между тепловой энергией и полученной за ее счет работой. В первом законе речь идет о сохранении энергии, во втором — о невозможности производства работы исключительно за счет изъятия теплоты из одного резервуара при постоянной температуре. Например, нельзя произвести работу за счет охлаждения озера, моря или иного резервуара при установившейся температуре. Таким образом, второй закон, или начало термодинамики, можно сформулировать проще, как впервые это сделал французский ученый Сади Карно (1796—1832).

Невозможно осуществить процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты в работу при постоянной температуре.

Иногда этот закон выражают в еще более простой форме.

Теплота 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 такяе системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.

Поскольку об изменении систем в классической термодинамике мы можем судить по увеличению их энтропии, то последняя и выступает в качестве своеобразной стрелы времени. В механических системах ни о каком реальном времени говорить не приходится. Задав в них начальное состояние (координаты и импульсы), можно согласно уравнениям движения как характеристику однозначно определить любое другое их состояние в будущем или прошлом. Поэтому время в них выступает просто как параметр, знак которого можно менять на обратный, и, таким образом, вернуться к первоначальному состоянию системы. Ничего подобного не встречается в термодинамических процессах, которые являются необратимыми по своей природе.

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 временной промежуток прошла система в своей эволюции.

Очевидно, что такое понятие о времени, и особенно об эволюции системы, коренным образом отличается от понятия эволюции, которое лежало в основе теории Дарвина. В то время, как 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 вплоть до 60-х гг. нашего века, пока не появилась новая, неравновесная термодинамика, которая опирается на концепцию термодинамики 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.

Фиксация концепций естествознания, предусматривающих в своем содержании воспроизведение алгоритмов экономического развития, позволяет провести исследование углубления причинно-следственных взаимосвязей в исследуемом экономическом явлении на основе выявления аналогичных алгоритмов самоорганизации элементов в живой и неживой природе.