Семь начал современной термодинамики

      Эткин В. А. считает, что в основе современной термодинамики лежит семь начал. Нулевое, первое, второе и третье начала известны, с последующими (нумерация, название, содержание) –  неопределённость. Сказанное ниже,  следует рассматривать как материал к дискуссии. Определения со знаком «*» даются мной в порядке обсуждения.

1. Термины и определения

кинетика – теория  процессов, связанных с переходом в состояние равновесия.

классическая термодинамика –  это область физики, которая занимается изучением общих свойств макроскопических систем в равновесии, а также общих закономерностей при установлении равновесия.

начало термодинамики* – закон, гипотеза, постулат, принцип.

термодинамическое равновесие – предполагает наличие в системе механического, теплового и химического равновесий, а также равновесия фаз.

диатермическая перегородка – неподвижная теплопроницаемая перегородка, позволяющая системам обмениваться внутренней энергией, но не пропускающая вещество.

 

2. Семь начал современной термодинамики

Нулевое начало: любая изолированная система стремится  к равновесию.

Первое начало: построить вечный двигатель первого рода невозможно.

Второе начало: построить вечный двигатель второго рода невозможно.

Третье начало (теорема Нернста): энтропия и внутренняя энергия при абсолютном нуле обращаются в нуль.

Четвёртое начало: в открытых хаотических системах флуктуации  могут стать началом эволюции «хаоса –> порядок».

Пятое начало:  принцип взаимности Ларе Онзагера для необратимых процессах.

Шестое начало:  генетическая система имеет дезэнтропийную характеристику.

 

Нулевое начало  изолированная термодинамическая система с течением времени самопроизвольно переходит в состояние термодинамического равновесия и остаётся в нём сколь угодно долго, если внешние условия сохраняются неизменными» [2]. Оно было так названо потому, что  было сформулировано после того, как первое и второе начало вошли в число устоявшихся научных понятий. Синоним термина –  общее начало. Классическая термодинамика лишь постулирует существование состояния термодинамичекого равновесия, но ничего не говорит о времени его достижения.

Тепловое равновесие может существовать между системами, разделёнными диатермической перегородкой. В нулевое начало термодинамики обычно включают и постулат о транзитивности теплового равновесия: если два тела, разделённые диатермической перегородкой, находятся между собой в тепловом равновесии, то любое третье тело, находящееся в тепловом равновесии с одним из них, будет находиться также в тепловом равновесии и с другим телом.

 

Первое начало выражает универсальный закон сохранения энергии применительно к задачам термодинамики и исключает возможность создания вечного двигателя первого рода – устройства, способного совершать работу без соответствующих затрат энергии. Внутреннюю энергию U термодинамической системы можно изменить двумя способами, совершая над ней работу или посредством теплообмена с окружающей средой.

Первое начало термодинамики утверждает, что теплота, полученная системой, идёт на увеличение внутренней энергии системы и на совершение этой системой работы, что можно записать как δQ = δA + dU, где dU – полный дифференциал внутренней энергии системы,  δQ – элементарное количество теплоты, переданное системе, а δA — бесконечно малая или элементарная работа, совершённая системой. Символы δ используется для того, чтобы подчеркнуть, что теплота и работа не являются функциями состояния, а зависят от способа перехода системы из одного состояния в другое. Принято считать, что δQ положительна, если система получает тепло; δA положительна в том случае, когда она сама совершает работу.

 

Второе начало термодинамики исключает возможность создания вечного двигателя второго рода. Имеется десятки различных, но в то же время эквивалентных формулировок этого закона. Вот два из них:

Кельвин: «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт  охлаждения теплового резервуара».

Клаузиус: «Теплота не может самопроизвольно переходить от тела, менее нагретого,  к телу более нагретому».

Второе начало термодинамики позволяет ввести для термодинамических систем ещё одну функцию термодинамического состояния  – энтропию (S). Её полный дифференциал для квазистатических процессов  dS=δQ/T.  Температура, внутренняя энергия и энтропия составляет полный набор величин, необходимых для математического описания термопроцессов. Лишь две из этих величин независимы.

 

Третье начало термодинамики утверждает: 1):  энтропия любой равновесной системы по мере приближения температуры к абсолютному нулю перестает зависеть от каких-либо параметров состояния и стремится к определённому пределу. 2) все процессы вблизи абсолютного нуля, переводящие систему из одного равновесного состояния в другое, происходят без изменения энтропии. Численное значение предела энтропии принято полагать равным нулю (абсолютная энтропия. Нулевое значение температуры служит реперной точкой для построения термодинамической шкалы температур. В справочниках термодинамических величин часто приводятся значения энтропии при температуре 298,15 К.

 

Четвёртое начало термодинамикив открытых неравновесных хаотических системах флуктуации, при определённых условиях, могут стать началом эволюции системы от хаоса к порядку*. Приведу из [7] несколько основополагающих тезисов из синергетики.

- Природа иерархически структурирована в несколько видов открытых нелинейных систем разных уровней организации: динамически стабильные, адаптивные, эволюционирующие системы.

- Связь между ними осуществляется через хаотическое, неравновесное состояние систем соседствующих уровней.

- Когда нелинейные динамические системы объединяются, новое образование не равно сумме частей, а образует систему иного уровня.

- Общее для всех эволюционирующих систем: неравновесность, спонтанное образование новых микроскопических (локальных) образований, изменения на макроскопическом уровне, возникновение новых свойств системы, этапы самоорганизации и фиксации новых качеств системы.

- В сильно неравновесных состояниях системы начинают воспринимать те факторы воздействия извне, которые они бы не восприняли в более равновесном состоянии.

- В неравновесных условиях относительная независимость элементов системы уступает место корпоративному поведению элементов: вблизи равновесия элемент взаимодействует только с соседними, вдали от равновесия — «видит» всю систему целиком и согласованность поведения элементов возрастает.

- В состояниях, далёких от равновесия, начинают действовать бифуркационные механизмы – наличие кратковременных точек раздвоения перехода к тому или иному относительно долговременному режиму системы – аттрактору.

 «Новым четвертым законом термодинамики будет Синергетика!» – пишет Стекеольщиков М.В. [3]. – Научная дисциплина, очевидно, не может стать законом. Не могу согласиться и с фразой: «Синергетика» и «термодинамика»: это лишь два разных физических подхода к одному и тому же – явлениям самоорганизации [4].  «Синергетика»  и «термодинамика» – не два разных физических подхода, а две разные научные дисциплины. И самоорганизацию в бригаде плотников, к примеру, должна изучать именно синергетика, а не термодинамика. Области применения последней там, в частности, где не превалируют социальные и им подобные факторы.

• Пятое начало термодинамикисоотношения взаимности Ларе Онзагера для необратимых процессов. При небольших отклонениях от равновесия термодинамический поток можно представить в виде линейной комбинации термодинамических движущих сил [5]:

Ji = Li1X1+Li2X2+…+LiiXI+…+LiNXN,

где Xi – движущая сила, сопряжённая с потоком Ji, определяющая прямой эффект; 

Xj (ji) движущие силы, сопряжённые с другими потоками и характеризующими  перекрёстные эффекты по отношению к процессу i. Коэффициенты L называют феноменологическими коэффициентами: Lii при прямом эффекте, Lij (ji)  при перекрёстных, причём влияние прямого эффекта существенно превышает влияние перекрёстных эффектов.

 

• Шестое начало

                                                                           «Термодинамика генома – самостоятельный

                                                                             закон термодинамики».  И.А.Рапопорт

Во всем температурном диапазоне, при котором протекает активная жизнь, генетическая система имеет дезэнтропийную характеристику* (Т > 0, - dS). Захидов С. [6] предлагает эту гипотезу считать четвёртым началом термодинамики и в честь автора назвать её законом Рапопорта.

 

Заключение

• Количество начал у термодинамики в принципе неограничено, а наши познания с пополнением этого списка становятся всё глубже и разносторонней.  
• Проблемы тепловой смерти Вселенной не существует, поскольку мир движется одновремённо «в разные стороны».

 

Источники информации

 

1. Эткин В. А. Энергодинамика (синтез теорий переноса и преобра-

зования энергии). СПб.: Наука, 2008. – 409 с.

2. Термодинамика. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A2%D0%B5%D1%80%D0%BC% D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%B0#.D0.9D.D0.B0.D1.87.D0.B0.D0.BB.D0.B0_.D1.82.D0.B5.D1.80.D0.BC.D0.BE.D0.B4.D0.B8.D0.BD.D0.B0.D0.BC.D0.B8.D0.BA.D0.B8

3. Стекольщиков М. В. Синергетика – четвёртое начало термодинамики.

<https://share.yandex.net/go.xml?service=vkontakte&url=file%3A%2F%2F%2FC%3...

4. Климонтович Н.Ю.Термодинамика узнает себя в… синергетике. "Знание - сила", №3, 1983.

5. Онзагера принцип взаимности. Справочник химика, 21. chem21.info/info/1426000/

6. Захидов С.Т. ЧЕТВЕРТЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ ... – Синергетика.

     pkurdyumov.ru/uploads/2013/09/Zachidov20.pdf

7. Синергетика. Википедия. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%BD%D0%B5%D1%80%D0%B3%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%BA%D0%B0