Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики можно выразить различными способами, каждый из которых по сути своей эквивалентен другим. За независимым определением снова обратимся к Азимову (который является не креационистом или теистом, а атеистом и эволюционным гуманистом). Он говорит так:

Мы можем сказать: «Ни одно устройство не может совершать работу, если в связанной с ним системе энергия распределена равномерно, независимо от объема используемой энергия».

Это одна из возможных формулировок так называемого второго закона термодинамики. Формулировок много, все они эквивалентны, хотя, чтобы показать эквивалентность некоторых из них, требуется очень глубокое знание математики в физики. [84]Далее Азимов приводит еще одно очень яркое определение:

А вот другая формулировка второго закона: «Беспорядок во Вселенной постоянно увеличивается».

С такой точки зрения, второй закон есть все, что окружает нас. Нам приходится потрудиться, чтобы убрать комнату, но если оставить ее на произвол судьбы, она очень быстро и без каких-либо усилий снова придет в беспорядок. Даже если мы не будем в нее заходить, она станет пыльной и грязной. Как трудно поддерживать дома, машины и наши собственные тела в полноценном работающем состоянии и как легко позволить им обветшать! Фактически нам ничего не нужно делать - и все обветшает, разрушится, сломается и износится само по себе. Об этом и говорит второй закон. [85]

Второй закон, несомненно, не менее универсален, чем первый. Ветшает все, причем само по себе! Более того, как и в случае с первым законом, никто не знает, почему так происходит - просто события развиваются именно так. Азимов особо упоминал «Вселенную» и говорил об увеличивающимся в ней беспорядке, и он же говорил, что именно во Вселенной общее количество энергии сохраняется постоянным.

В любую так называемую «открытую» систему меньшего, чем Вселенная, размера, безусловно, можно внести энергию, массу или порядок за счет уменьшения энергии и т.п. за ее пределами, но это лишь кажущееся исключение из закона. Условия, при которых может создаться видимость такого нарушения, мы обсудим позднее. Сейчас же мы можем сказать, что эти законы распространяются:

1. На всю Вселенную без исключения, насколько это позволяют установить научные наблюдения. [86]

2. На частную и (теоретически) изолированную от Вселенной систему без исключения, как показывают все научные измерения.

3. На отдельную «открытую» систему в большинстве случаев и всегда при нормальном протекании процессов в этой системе; исключения возможны лишь при определенных особых условиях (которые всегда оговариваются), да и то ценой компенсирующих изменений во внешней среде, что не отменяет действия этих двух законов во Вселенной как едином целом.

Говоря о втором законе, необходимо сказать, что такое энтропия. Обычно энтропия системы выражается математически, поэтому ей трудно дать определение, не обращаясь к математическому описанию конкретной системы. Однако в общих чертах энтропию можно определить как математическую функцию, количественно выражающую «беспорядок» или «недоступность энергии» (в зависимости от задачи могут быть использованы другие термины) в системе. В любом случае, второй закон утверждает, что энтропия любой системы либо увеличивается (в изолированной или универсальной системе), либо склонна к увеличению (в отдельной открытой системе).

Более того, как заметил Азимов, второй закон, а в частности, его количественную характеристику, энтропию, можно описать различными способами, эквивалентными друг другу и взаимозаменяемыми. Применительно к физическим системам энтропия - это обычно:

1. Мера увеличения в системе недоступности энергии для совершения полезной работы (классическая термодинамика).

2. Мера увеличения беспорядка, уменьшения вероятности распределения или степени организации компонентов системы (статистическая термодинамика).

3. Мера внесения ошибок в информацию при передаче кодового сообщения через систему (информационная термодинамика).

Таким образом, энтропия - это количественная оценка бесполезной энергии в системе, совершающей работу, беспорядок в структурированной системе или «помехи» в информационной. Все три способа используют однотипные математические формулировки и, таким образом, по сути эквивалентны.

Понятие энтропии можно расширить. В биологических системах такие явления, как болезни, смерть и вымирание представляют собой последствия проклятия. Другой пример - тенденция жизнеспособных некогда сообществ к упадку и разложению в социальных и экономических системах. Еще один пример - превращение сильной и ревностной веры в вялость и отступничество в религиозных системах.

Итак, ясно, что первый и второй законы термодинамики - чрезвычайно важные всеобщие принципы. Совершенно не ограничиваясь тепловыми машинами, как можно было бы заключить из названия, они распространяются на множество явлений, связанных со всеми сферами человеческого знания - а ведь всеобщее следствие требует всеобщей причины!