Система есть совокупность материальных элементов, которые взаимодействуют друг с другом во времени. Состояние системы определяется комплексом параметров, которые можно измерить. Вообще наука всегда имеет дело с явлениями, параметры, характеристики которых можно измерить. То есть нечто, открытое одним ученым, могут проверить (измерить) другие. Подчеркнем что понятие системы многозначно. Например, есть системы уравнений, системы управления и т.п. У нас далее используется понятие именно материальных систем. Например, организм человека и других организмов, «железо» компьютера, но не система команд, которая заставляет это железо работать, телефонная сеть, солнечная система и т.д.
Термодинамическая система – физическая система, состоящая из большого числа частиц и не требующая для своего описания привлечения характеристик отдельных частиц. Единицей измерения числа частиц в термодинамической системе обычно служит число Авогадро. Это примерно 6·1023 молекул на единицу массы вещества в килограммах численно равную его молекулярному весу, дающее представление, о величинах какого порядка идёт речь. Такое количество молекул, например, содержится в 18 граммах воды (H2O → 2 + 16 = 18 – сумма атомных весов водорода и кислорода). Ограничения на природу материальных частиц, образующих термодинамическую систему, не накладываются: это могут быть атомы, молекулы, электроны, ионы, фотоны и т. д.
Исторически это понятие, да и сама наука термодинамика обозначились при постройке тепловых машин. Практически приходилось иметь дело с ограниченными объемами газа и пара, которые сжимались или расширялись, нагревались или охлаждались. Затем это понятие несколько расширилось, но все равно, характерной особенность термодинамической системы является огромное множество хаотически движущихся частиц, которые соударяются друг с другом.
Несколько слов о системном подходе, который мы также используем. Главная сущность его заключается в том, что в сложной системе могут существовать общие закономерности, никак не вытекающие из свойств элементов её составляющих (свойство эмерджентности). Простой пример. Имеется множество радиодеталей (микросхем, конденсаторов, резисторов и т.п.) любых номиналов и видов, но, изучив все их свойства, мы никак не сможем вывести из них конструкцию, например телевизора или радиоприемника. Эти аппараты можно только изобрести, т.е. изобрести их функционирование (алгоритм работы).
Ранее считалось, что наука – это исследование только природных закономерностей. Основателем этого направления «чистой науки» (редукционизма – метода разделения сложных явлений на более простые и изучения именно их, и после этого, сложное явление почти всегда становится понятным) можно считать И. Ньютона. Проводилась резкая граница между изобретениями и «истинно научными исследованиями», где, в основном, выводились и решались дифференциальные уравнения.
Но не вся природа описывается этими уравнениями. Алгоритмы, например, не описываются, а в Природе их сколько угодно. Ну, ни как не вытекает из всех уравнений физики алгоритм действия двигателя внутреннего сгорания. Его можно было только придумать, изобрести. Редукционизм и системный подход – два научных метода, дополняющих друг друга.
Мерой неупорядоченности материальных систем принимают энтропию. Чем больше энтропия, тем больше неупорядоченность. Энтропия максимальна при полном хаосе, когда невозможно выделить, найти отдельные объекты (или их системы), соответственно, нет и связей между ними. Нуль энтропии также непредставим, как и абсолютный хаос, так как невозможно вообразить предел сложности функционирования, упорядоченности материи и энергии. Заметим аналогию со временем. У него также невозможно представить начало и конец. Об энтропии будет еще много разговоров ниже, при обсуждении второго закона термодинамики.
Термины: самоорганизация и эволюция приняты идентичными в этой книге.
1. Обобщение закона о необратимости явлений реального мира
В термодинамике есть два главных закона, основанных на опыте многих столетий обращения людей с нагреванием различных веществ. Первый закон, это практически закон сохранения энергии – «теплота эквивалентна механической работе». Я не удержусь, чтобы не привести эту эквивалентность в цифрах. Нагревание одного килограмма (литра) воды всего на один градус можно сделать за несколько минут, подержав в руках литровую банку с водой. И эта теплота соответствует механической работе, которую надо затратить, чтобы поднять на один метр тело массой 427 килограмм! Этого не сможет сделать ни один человек (без приспособлений и с ограничением времени).
Впервые это удивительное соотношение определил английский ученый Джеймс Джоуль в 1843 году. Можно себе представить, как отнеслись к такому заявлению современники Джоуля. Тогда теплота считалась некоей жидкостью, перетекающей из горячего тела в холодное (теплород). Только через некоторое время работа Джоуля получила признание Томсона (лорда Кельвина) и Максвелла. Авторитет этих людей сломил отчужденность к исследованиям выдающегося ученого, среди которых надо еще упомянуть закон Джоуля о количестве выделяемого тепла электрическим током (Q=I2·R·t) и закон Джоуля-Томсона, на котором основан один из методов получения низких температур (например, в домашних холодильниках).
Второй закон термодинамики, на первый взгляд, тоже довольно прост и очевиден. «Теплота не может самопроизвольно переходить от холодного предмета к горячему предмету». Это его простейшая формулировка. Это единственный закон в физике, который не безразличен к смене знака времени. Поясним примером. Пройденный путь равен скорости помноженной на время (s = v·t). Если знак времени положителен, то, зная скорость, получаем пройденный нами путь. Отрицательный знак – говорит о расстоянии, где мы были раньше на это время. И так со всеми законами физики, кроме Второго Закона. Если в идеальном случае согласно предыдущей простой формуле мы можем вернуться в начало пути, то Второй Закон говорит о том, что вернуться то можно, но только в пространстве, а не во времени.
Это типичный пример из научной и популярной литературы. Но здесь мы с вами, читатель, попались в ловушку, в которую попали и до сих пор находятся в ней многие ученые и популяризаторы науки, связавшие свои исследования с понятием – энтропия!
В приведенном примере все правильно, кроме того, что он никак не связан с термодинамикой, следовательно, с термодинамическими системами, следовательно, со вторым законом термодинамики. Давайте разбираться.
Второй закон термодинамики, который утверждает необратимость процессов во времени только в термодинамических системах, не обменивающихся теплотой с внешней средой, т.е. энтропия таких систем всегда растет. Это есть непреложный факт.
Сделаем небольшой экскурс в историю. Этот закон возник при изучении и постройке двигателей, преобразующих теплоту в механическую работу (паровых машин и проч.). Оказалось, что для получения работы надо обязательно иметь два источника теплоты, как говорят, горячий и холодный. И только поток теплоты от первого источника ко второму совершает работу. Наиболее эффективен этот процесс при использовании, так называемого рабочего тела (обычно газа или пара). Хотя, в принципе, можно обойтись и без него. Например, у Р. Фейнмана в его знаменитых лекциях по физике описано колесо с резиновыми спицами. Если эти спицы подогревать одну за другой, то колесо начнет вращаться. Можно на его ось насадить блок, и через него поднимать небольшой груз – совершать работу. Но опыт изобретений таких машин показывает, что они, например, не могут иметь большую мощность, у них мал коэффициент полезного действия и проч. Никто ими серьезно сейчас уже не занимается. Практически все тепловые машины работают циклически. Возьмем для определенности в качестве рабочего тела воздух. Он нагревается, например, в камере сгорания, где сгорает топливо, создавая при этом большое давление или большую скорость (кинетическую энергию). Давление двигает поршни поршневых машин и, следовательно, вращает их вал; кинетическая энергия преобразуется на лопатках турбин в крутящий момент на её валу. Так работают двигатели внутреннего сгорания (автомобили, речные суда, танки и т.п.) и газовые турбины (самолеты, корабли). Далее рабочее тело поступает в атмосферу (у этих двух двигателей), где оставшаяся в нем теплота теряется (отдается холодному источнику). Цикл замкнулся, так как двигатель забирает рабочее тело из атмосферы, но, понятно, совсем из другого места, где воздух чист, не смешан с продуктами сгорания. Существуют машины, в которых рабочее тело не выходит наружу, но в этом случае необходимы два теплообменных аппарата – в одном из них рабочее тело нагревается, в другом – охлаждается. Это, например, паротурбинные установки, двигатели Стирлинга, обыкновенные домашние холодильники.