Что такое энтропия? (стр. 4 из 9)

“Получив понятие теплоты,- пишут они, закончив описание специального опыта, представляющего саму необходимость разделения понятий теплоты и температуры наиболее наглядным образом (см. последнее из приведенных выше их высказываний),- мы можем исследовать его природу ближе. Пусть мы имеем два тела: одно горячее, а другое холодное, или точнее, одно тело более высокой температуры, чем другое. Установим между ними контакт и освободим их от всех других внешних влияний. Мы знаем, что в конечном итоге они достигнут одной и той же температуры. Но как это получается? Что происходит с того времени, когда они приведены в соприкосновение, до достижения ими одинаковой температуры? На ум приходит картина течения теплоты от одного тела к другому, аналогично тому, как вода течет с более высокого уровня к низшему. Эта, хотя и примитивная, картина оказывается соответствующей многим фактам, так что можно провести аналогию:

Вода - Теплота

Более высокий уровень - Более высокая температура

Низший уровень - Низшая температура

Течение продолжается до тех пор, пока оба уровня, т. е. обе температуры, не сравняются.

Этот наивный взгляд,- продолжают Эйнштейн и Инфельд,- можно сделать более полезным для количественного рассмотрения. Если смешиваются вместе определенные массы воды и спирта, каждая при определенной температуре, то знание удельных теплот (т. е. теплоемкостей единицы массы этих веществ, а значит - и их полных теплоемкостей - И. Л.) позволяет предсказать конечную температуру смеси… (Данным рассуждением подчеркивается еще одна важнейшая аналогия между количеством теплоты и “количеством воды”: первое из этих количеств предполагается точно так же сохраняющимся в замкнутой системе, как и второе - сколько теплоты “теряет” при теплообмене более горячее тело, столько и приобретает более холодное, откуда и само название рассматриваемого сейчас процесса – “теплообмен”! Именно благодаря этому ключевому обстоятельству и удается составить так называемое уравнение теплового баланса Рихмана, из которого легко рассчитывается, в частности, конечная температура смеси. Далее цитируемые авторы рассматривают принцип сохранения полного количества теплоты в замкнутой системе более подробно - И.Л.)

Мы приходим к понятию теплоты,- пишут они,- которое оказывается здесь похожим на другие физические понятия. Согласно нашему взгляду, теплота - это субстанция, [которая]… в изолированной системе остается неизменной… Теплота сохраняется даже в том случае, когда она переходит от одного тела к другому. Даже если теплота употребляется не на повышение температуры тела, а, скажем, на таяние льда или превращение воды в пар, мы можем по-прежнему думать о ней как о субстанции, так как можем снова получить ее при замерзании воды или сжижении пара... Но теплота, разумеется, не субстанция... Если теплота - субстанция, то она - невесомая субстанция. “Тепловое вещество” обычно называлось калорием (теплородом)” [6, С.35-37].

Итак, как видим, пока все описанные Эйнштейном и Инфельдом многочисленные тепловые явления (и свойственные им количественные закономерности!) вроде бы однозначно подтверждают наиболее важный здесь для нас факт сохранения полного количества теплоты в любой замкнутой системе. А такое сохранение, напомним, и есть важнейшее свойство любого заряда в целом, вследствие чего мы получаем очень весомое доказательство принадлежности к таковым и собственно количества теплоты. Причем для обладания указанным свойством сохранения теплоте, подчеркнем, вовсе не обязательно быть субстанцией в вещественном смысле этого слова, как не являются ею те же механический импульс или электрический заряд. А прямую аналогию количества теплоты не только с весомой жидкостью, но и собственно с тем же электрическим зарядом (а температуры, соответственно, с электрическим потенциалом), опять-таки весьма красноречиво иллюстрируют сами же цитируемые сейчас авторы

“Здесь возникает тот же самый вопрос,- пишут Эйнштейн и Инфельд по поводу электрических явлений,- который мы рассматривали в связи с теплотой. Являются ли электрические [заряды] невесомыми субстанциями или нет? Другими словами, будет ли вес куска металла одинаков, когда он нейтрален и когда он заряжен? Весы никакого различия не обнаруживают. Мы заключаем, что электрические [заряды] тоже являются членами семейства невесомых субстанций. Дальнейший прогресс в теории электричества требует введения двух понятий. Мы опять будем избегать строгих определений, используя вместо них аналогии с уже известными понятиями. Мы помним, как существенно было для понимания тепловых явлений различать между самой теплотой и температурой. Равным образом и здесь важно различать электрический потенциал и электрический заряд. Различие между обоими понятиями станет ясно из следующей аналогии:

Электрический потенциал - Температура

Электрический заряд - Теплота

Два проводника, например, два шара различной величины (а значит, и различной электрической емкости, которая просто пропорциональна радиусу шара - И. Л.), могут иметь одинаковый заряд..., но потенциал будет различным в обоих случаях, а именно: он выше для меньшего шара и ниже для большего...

Чтобы ясно показать различие между зарядом и потенциалом,- продолжают цитируемые авторы,- мы сформулируем несколько предложений, описывающих поведение нагретых тел, и соответствующие им предложения, касающиеся заряженных проводников.

Вот такая предельно наглядная иллюстрация аналогии тепловых явлений с электрическими (и в частности – собственно количества теплоты с тем же электрическим зарядом), которую мы теперь можем еще более усилить, показав идентичность и собственно энергетических представлений! В самом деле – рассмотрим опять-таки простейший мысленный эксперимент, связанный с приведением в тепловой контакт двух нагретых до различных температур тел. Если температуру одного из них опять же условно принять нулевой, считая тем самым нулевым и собственно его тепловой заряд (содержащееся в нем количество теплоты), то в случае приведения в соприкосновение с ним имеющего ненулевую температуру (и ненулевое количество теплоты) другого тела произойдет перераспределение теплового заряда последнего на оба тела. В итоге содержащееся исходно в системе и остающееся принципиально неизменным общее количество теплоты просто “распределится”, “растечется”, “размажется” по большей теплоемкости, что и приведет к снижению установившейся результирующей температуры по сравнению с исходной температурой второго тела. Понизится, соответственно, и полная тепловая энергия системы, определяемая по формуле (5). И данный факт, обратите внимание, опять-таки должен был бы квалифицироваться в свете всего вышеизложенного как абсолютно тривиальный, если бы весь процесс действительно описывался так и самой термодинамикой. Но в том-то и дело, что он ею описывается сегодня, повторим, совершенно иначе, откуда и все ее прочие вопиющие нелогичности!

Но почему же термодинамика предпочла все же отвергнуть, в конце концов, продемонстрированную сейчас очевидную аналогию тепловых явлений с электрическими и т. д., свернув в итоге на совершенно иной путь своего развития? Ответить на этот важнейший вопрос нам опять-таки помогут Эйнштейн c Инфельдом, специально отмечающие в своей книге далее, что столь наглядно продемонстрированную ими самими “аналогию нельзя продолжать слишком далеко” [5, С. 66]! Сначала, впрочем, приводимые ими возражения против указанной аналогии не очень существенны и потому подробное опровержение этих возражений, требующее обращения к некоторым специальным вопросам физической теории, мы отложим до следующей отдельной статьи, как раз посвященной таковым. Но затем наши авторы переходят уже к действительно важнейшему для всей термодинамики вопросу, вроде бы неопровержимо доказывающему принципиальную невозможность продолжения далее столь удачно начатых аналогий, и потому именно с изложения приводимых ими в связи с этим аргументов мы и начнем теперь следующий третий раздел.

3. Величайшее научное недоразумение

В науке нет вечных теорий… Всякая теория имеет свой период постепенного развития и триумфа, после которого она может испытать быстрый упадок… Почти всякий большой успех в науке возникает из кризиса старой теории как результат попытки найти выход из создавшихся трудностей. Мы должны проверять старые идеи, старые теории, хотя они и принадлежат прошлому.

А.Эйнштейн, Л. Инфельд

“Цель всякой физической теории,- пишут в своей книге “Эволюция физики” А. Эйнштейн и Л. Инфельд, начиная изложение интересующего нас теперь вопроса,- объяснить максимально широкую область явлений. Она оправдывается постольку, поскольку делает события понятными. Мы видели, что субстанциональная теория теплоты объясняет много тепловых явлений. Однако вскоре станет очевидным, что это... ложная идея, что теплоту нельзя считать субстанцией, хотя бы и невесомой. Это ясно, если вспомнить о некоторых простых экспериментах, отметивших начало цивилизации. О субстанции мы думаем, как о чем-то, что никогда не может быть ни создано, ни разрушено. Однако первобытный человек с помощью трения создал теплоту, достаточную для того, чтобы зажечь дерево. Примеры нагревания посредством трения слишком многочисленны и хорошо известны, чтобы нужно было о них рассказывать. Во всех этих случаях создается некоторое количество теплоты - факт, трудно объяснимый с точки зрения субстанциональной теории”. [6, С.38].

Так вот, оказывается, в чем дело - нагрев тел при трении вроде бы нарушает сам принцип сохранения количества теплоты, который действительно не может соблюдаться, и с этим трудно спорить, в рамках упоминаемой цитируемыми авторами пресловутой “субстанционально-вещественной” трактовки данного важнейшего понятия. Но означает ли опровержение приведенными сейчас фактами собственно самой “субстанционально–вещественной теории” нарушение принципа сохранения теплоты в целом? Ответ на этот вопрос, если задуматься, вовсе не так однозначен, как представлялось нашим авторам, ибо трактовка количества теплоты как соответствующего теплового заряда легко разрушает подобную их точку зрения. Ведь сегодня уже никто не будет спорить с тем, что в основе тепловых явлений лежит обычное механическое движение образующих тела молекул и атомов, хотя сама по себе эта мысль, между прочим, была окончательно признана наукой лишь в начале ХХ века. А значит, количество теплоты есть на самом деле все то же количество движения, лишь относящееся к другому уровню строения материи! Иначе говоря, сохранение количества теплоты представляет собой в действительности просто особый частный случай общего принципа сохранения количества движения в целом, в рамках которого вполне возможен в том числе и несколько более сложный эффект перехода этого движения с одного уровня строения материи на другой! Именно таковым и является описанный выше факт нагрева тел при трении, ничем не нарушающий, как теперь ясно, общего закона сохранения заряда!