СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕРМОДИНАМИКИ – РАССЕИВАНИЕ СВОБОДНОЙ ЭНЕРГИИ

Введение. Смит труд «Исследование о природе и причинах богатства народов» представил общественности в 1776 г., спустя семь лет после Джеймса Уатта (1736-1819) получившего патент на один из вариантов парового двигателя. Они работали в одном университете Шотландии. Адам Смит единственную пользу от угля видел в том, что он служит источником тепла для рабочих. А машины в то время работали от ветра, воды и мышечной силы животных. Около 2000 лет прошло с того времени, как Герон Александрийский сделал так, чтобы сферический сосуд начал вращаться вокруг оси из-за действия силы пара, но как тепло заставляет возникнуть движение частей машин было неизвестно. Из-за этого Адам Смит не видел в каменном угле скрытый источник обогащения стран [1]. Но двигатель, работающий на пару, открыл новые горизонты. Изобретение парового двигателя, позволившее превратить теплоту в механическое движение, не только ознаменовало наступление индустриальной революции, но и породило новую науку − термодинамику. В отличие от ньютоновской механики, основанной на теории движения небесных тел, термодинамика возникла из приземленного интереса: учёные хотели знать, как теплота порождает движение. Время заставило превратиться термодинамику в теорию, которая описывает преобразования состояний веществ. А теплота движения является лишь следствием некоторых этих преобразований.

Задачи и предмет современной термодинамики. Термодинамика − вторая составляющая классической физики. Термодинамика: описывает тепловые явления в макромире и опирается на положения молекулярно-кинетической теории строения вещества. Положения молекулярно-кинетической теории (МКТ): 1) любое вещество состоит из большого числа молекул; 2) молекулы вещества находятся в состоянии непрерывного хаотического движения; 3) скорость движения молекул зависит от температуры тела; 4) между молекулами действуют силы притяжения и отталкивания. В соответствии этим положениям МКТ, теплота − характеристика внутреннего движения частиц: то есть чем больше скорость движения частиц, тем выше температура тела. Отсюда вытекает, что теплота − мера изменения энергии тела.

Для термодинамики характерно рассмотрение явлений, которые обусловлены совокупностью действий большого числа движущихся в непрерывности частиц (электронов, атомов, молекул и др.), составляющих тела. При беспорядочном движении они приобретают новые свойства: макроскопические свойства этих систем абсолютно не зависят от начального положения частиц, в то время как механическое состояние по существу зависит от первоначальных условий. При возрастании механически движущихся частиц количественно в системе возникает абсолютно новый вид движения – тепловое. И тут возникновение теплового движения определяется не механическим движением отдельных частиц системы, а существованием целого большого коллектива числа частиц. Законы теплового движения проявляются и в атомно-молекулярных совокупностях, и в таких системах, как электромагнитное излучение, заключенное в некотором объеме. Итак, термодинамика – наука, изучающая законы теплового (термо) движения и его превращениях в другие виды движения (динамика) [2]. Термодинамика изучает тепловые свойства макро − систем, не обращаясь к микростроению в составе её частей. Термодинамика основана на дедукции и черпает свое содержание из двух исходных законов – начал и из-за этого, как и электродинамика, работает на учении о феноменах. Первое и второе начала термодинамики имеют около десятка различных формулировок, многие из которых идентичные одна другой. И это разнообразие форм связано с проявлением этих законов в тех или иных конкретных явлениях. Постулат Клаузиуса: «Невозможен процесс возникновения и исчезновения энергии – первое начало, а второе – невозможен процесс, имеющий единственным своим результатом превращение теплоты в работу» [3].

Предмет изучения: все факты физики и химии, представляющие собой статистически закономерный результат молекулярных и атомных явлений. Факты, подлежащие термодинамическому исследованию: неупорядоченное проникновение молекул одного вещества в гущу молекул другого (растворение, абсорбция); охлаждение и нагревание, сопровождающиеся изменением интенсивности движения отдельных элементарных частиц вещества; химические реакции; кристаллизация, плавление, испарение, поляризация и т.п.

Начало возникновения термодинамики − потребности теплотехники. Потребности теплотехники поставили главные задачи в создании теории действия тепловых машин как основы для проектов и совершенства ППМ (паровых поршневых машин), ДВС (двигателей внутреннего сгорания), паровых турбин, холодильных машин и т.д. Пунктом отталкивания стала теорема С. Карно при решении практической задачи улучшения характеристик паровой машины [4]. Из-за этого получила развитие в XIX в. термодинамика газов и паров, где главное содержание: 1. исследование различных циклов с точки зрения их КПД; 2. изучение свойств паров, газов; 3. разрабатывание, создание диаграмм термодинамики для практики расчетов в теплотехнике. С этими исследованиями связаны Сади Карно, Бенуа Пьер Клайперон, Роберт Майер, Уильям Томсон (Джоуль), Рудольф Клаузиус. Начало XX века: на основе предыдущих исследований возникла теория течения и истечения паров − линия технической термодинамики [5]. Предметы исследования − свойства паров, жидкостей и твердых тел (темпы развития этой области − разные авторы предложили больше ста уравнений состояния). Далее были изучены фазовые равновесия, фазовые превращения и термодинамика электрических и магнитных процессов.

Существенную роль для развития физики имеет термодинамика лучистой энергии. С термодинамикой лучистой энергии связаны Г.Р. Кирхгоф, В. Вин, Д. Рэлей, Д. Джинс, Х. Лоренц, М. Планк, Л. Больцман. М. Планк создал на основе термодинамики лучистой энергии теорию квантов [6]. Исследования учёных стали толчком для развития металлургии, металлофизики, минералогии, геохимии. Химические реакции также являются предметом изучения современной термодинамики. Теория активности, обобщающая формулировки термодинамики идеальных газов (растворов) на любые реальные системы, занимает одно из главных мест в химической термодинамике. Феноменология термодинамики ограничивает глубину изучения свойств, не позволяя вскрыться природе исследуемых явлений. Это стало основой развития молекулярно-кинетической теории свойств физических систем. Термодинамика – первый этап на пути к изучению закономерностей в коллективе большого числа непрерывно движущихся и взаимодействующих частиц. Для полного рассмотрения закономерностей термодинамики необходимо применение статистических методов. Феноменологическая (т. е. основанная на феноменах) термодинамика в современности делится на: равновесную, которая изучает в состоянии равновесия термодинамические системы и процессы в них; и неравновесную, которая изучает неравновесные процессы в системах, где отклонение от термодинамического равновесия сравнительно небольшое и ещё допускается возможность термодинамического описания. Переменные (термодинамические параметры (величины)) равновесной термодинамики: внутренняя энергия, температура, энтропия, химический потенциал. В классической термодинамике изучаются их связи между собой и с физическими величинами, которые вводят в рассмотрение другие разделы физики, в качестве примера, гравитационное или электромагнитное поле, действующее на систему. Также классическая термодинамика изучает химические реакции и фазовые переходы [7]. Предмет химической термодинамики изучает термодинамические системы, где главные роли играют химические превращения, а технические приложения изучаются теплотехникой. Разделы классической термодинамики: начала термодинамики (законы или аксиомы), уравнения состояния и свойства простых термодинамических систем (идеальный газ, реальный газ, диэлектрики и магнетики и т.д.), равновесные процессы с простыми системами, термодинамические циклы, неравновесные процессы и закон не убывания энтропии, термодинамические фазы и фазовые переходы. Также современная термодинамика имеет направления: строгая математическая формулировка термодинамики на основе выпуклого анализа, не экстенсивная термодинамика, применение термодинамики к нестандартным системам (термодинамика чёрных дыр).

В термодинамике изучаются системы, которые состоят из огромного числа частиц. Классическая механика не может описать такие системы своими методами, а также это фактически лишено смысла. Термодинамическое описание возникает из-за того, что поведение огромных сообществ частиц подчиняется законам статистики и не может быть сведено к анализу детерминированного (детерминированной функцией, то есть через заданный интервал времени система примет конкретное состояние, зависящее от текущего) развития динамических систем [8]. Для анализа и проведения анализа-мониторинга происходящих процессов применяются физические величины, которые характеризуют свойства материальных тел с макроскопическим количеством вещества: температура; теплоемкость; давление; объем; энергетические эффекты, при помощи которых активизируют процессы: механическая работа; теплообмен; электрическая работа. Механика явлений в современной термодинамике не рассматривается, то есть термодинамические классические методы выступают на основе феноменологий. Такой подход при проведении экспериментов называется термодинамическим способом исследования. Комплексный анализ рабочих процессов мощных устройств преобразования энергии в виде технического приложения термодинамики, составляет основную часть современной физики − техническую термодинамику. Современная техническая термодинамика является базой теории работы тепловых двигателей, машин, разнообразных устройств и технологических явлений, в которых в качестве изначальной энергии, претерпевающей массу превращения в рабочем процессе, используется коэффициент теплоты. Также значение имеет техническая термодинамика для стабильных преобразователей энергии, в которых внутренний энергетический потенциал материальных тел или мощность полей трансформируется в энергию электрического тока. Следовательно, можно утверждать, что появление термодинамики было вызвано потребностями практической теплотехники. Тепловой двигатель является классическим проявлением практической теплотехники. Тепловой двигатель − устройство, которое способно превращать часть полученного количества теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. Тепловой резервуар с более высокой температурой, передающий теплоту тепловому двигателю, называется нагревателем, а забирающий остатки тепла с целью вернуть рабочее тело в исходное состояние – холодильником. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу повторяется по периодам [9].

КПД теплового двигателя − это отношение полезной работы, совершенной двигателем, ко всей энергии Q1, которая получается при сгорании топлива (т.е. от нагревателя):

Если тепловая машина работает по циклу Карно при заданных температурах нагревателя и холодильника, то у неё наибольшее КПД. Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. КПД цикла Карно вычисляется по формуле:

Где T1 – температура нагревателя, T2 – холодильника.

Итак, главные элементы любого теплового двигателя: рабочее тело (газ или пар), который совершает работу; нагреватель, который сообщает энергию рабочему телу; холодильник, который поглощает часть энергии от рабочего тела.

Диссипативные системы. Термин «диссипативная структура» введен Ильёй Пригожиным. Илья Пригожин (1917-2003) – известнейший учёный 20 века, прожил в Бельгии, после переезда туда вместе с родителями из послереволюционной России. Самые известные открытия Илья Пригожин совершил по теории неравновесных процессов – одного из основных понятий термодинамической науки [9]. Его научные интересы распространились на открытые системы, находящиеся в специфической неравновесности, где или материя, или энергия, или в общности вступают в реакции с окружающей средой. Эта ситуация влияет на количество материи и энергии, которые со временем могут увеличиваться или уменьшаться. Для объяснения поведения таких неравновесных систем Илья Пригожин дал формулировку теории диссипативных структур [10]. Пригожин, основываясь на том, что неравновесие может служить началом организации и порядка, математически смоделировал диссипативные структуры, где нелинейные функции зависят от времени, описывая способность систем обмениваться материей и энергией с окружающей средой и спонтанно рестабилизируясь [1]. Илья Пригожин (1977 год) получил Нобелевскую премию по химии «за работы по термодинамике необратимых процессов, особенно за теорию диссипативных структур».

Диссипативная система (или диссипативная структура), лат. Dissipatio – «рассеиваю, разрушаю») – это открытая система, оперирующая вдали от термодинамического равновесия [10]. Термодинамическое равновесие – устойчивое состояние, возникающее в неравновесной среде при условии диссипации (рассеивании) энергии, которая поступает извне. Диссипативную систему изредка называют стационарной открытой системой или неравновесной открытой системой. Для диссипативной системы характерно спонтанное появление сложной, зачастую хаотичной структуры. Её главное отличие в особенности: несохранение объёма в фазовом пространстве, то есть невыполнение теоремы Лиувилля: каждая точка какого-нибудь начального объема в фазовом пространстве если перемещается по траекториям гамильтоновой системы (гамильтонова система – один из случаев динамической системы, которая описывает физические процессы без диссипации, дифференциальные уравнения, которые соответствуют в представлении в симметричной форме), то величина объема V (t), которая займёт точки к моменту времени, не зависит от этого времени [11].

Примеры диссипативной системы: простые – ячейки Бенара, например, вулканические образования в форме пучков вертикальных колонн – памятники природы Девилс-Тауэр (США) и Мостовая гигантов (Северная Ирландия). Здесь диссипативная структура возникает при нагревании снизу слоёв легкоподвижной жидкой среды; при высоких температурах тепло передается через легкоподвижную жидкую среду, как обычно, и большое число молекул в жидкости образуют формы, резко специфические и геометрические, которые напоминают живые клетки. Сложные – лазеры от англ. laser – «усиление света посредством вынужденного излучения»), или квантовые оптические генераторы; реакция Белоусова-Жаботинского, протекающая в режиме колебания где цвет, концентрация компонентов, температура и другие параметры реакции изменяются периодически, образуя сложную пространственную и временную структуру среды реакции; циркуляция атмосферы; биологическая жизнь в форме развития, представленная борьбой двух противоположностей: сохранения гомеостазиса и поиска новых организационных форм, которые уменьшают локальную энтропию. В дальнейшем стало ясно, что и человеческое общество является примером диссипативных и не диссипативных структур в качестве биологической среды.

Итак, круг вопросов, при исследовании которых эффективен термодинамические подходы, очень широки: а) новые исследования по теории упругости; б) исследования биологии (термодинамика живых организмов); в) термодинамика оптических явлений; г) термодинамика космических процессов. При этом результаты имеют схожести и не требуют привлечения упрощенных моделей систем при рассматривании.

Таким образом, в ходе написания представленного исследования, был раскрыт ряд теоретических вопросов согласно проблемной тематики, а именно: ключевым предметом современной термодинамики является комплексное изучение общих характеристик различных физических тел, которые возникают в процессе обмена энергетическим потенциалом между веществами. В современности термодинамику отличает изучение природных процессов с позиции внезапности превращений внутренней энергии. Из этого вытекает, что современная неравновесная термодинамика направлена на изучение систем, где химические реакции постоянны и в нелинейной сфере проходит диффузия. Если рассматривать такие системы в свете теории взаимодействия элементов, то эта теория еще не завершена. Методы современной термодинамики, включающие вычисление энтропии и других показателей термодинамики стали главными видами исследования основных свойств материальных тел и решения сложных прикладных задач, а конкретно в детализации химических расчетов.

Список литературы:

1. Пригожин И.Р., Кондепуди Д.С. Современная термодинамика. От тепловых двигателей до диссипативных структур. – М.: Мир. 2002. – 464.
2. Словари и энциклопедии на Академике. Современная термодинамика. [Электронный ресурс] − Режим доступа. − URL: https://dic.academic.ru/
3. Второе начало термодинамики [Электронный ресурс]. − Режим доступа. − URL: http://www.heuristic.su/effects/catalog/est/byId/description/568/index.htm
4. Путилов К.А.Теорема Карно [Электронный ресурс] − Режим доступа. − URL: https://ido.tsu.ru/schools/physmat/data/res/molek/uchpos/text/m4_13.htm
5. Квант [Электронный ресурс] − Режим доступа. − URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Квант
6. Термодинамика [Электронный ресурс] − Режим доступа. − URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Термодинамика
7. «Порядок из хаоса Илья Пригожин Изабелла Cтенгерс» [Электронный ресурс] − Режим доступа. − URL: https://scorcher.ru/art/theory/determinism/order_from_chaos.php
8. Молекулярная физика и термодинамика [Электронный ресурс] − Режим доступа. − URL: https://physics.ru/courses/op25part1/content/chapter3/section/paragraph11/
9. Пригожин Илья Романович (Рувимович) [Электронный ресурс] − Режим доступа. − URL: https://vikent.ru/author/324/
10. Диссипативная система [Электронный ресурс] − Режим доступа. − URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/
11. Гамильтонова система [Электронный ресурс] − Режим доступа. − URL: http://femto.com.ua/articles/part_1/0670.html