3.1.2. Энтропия

Мельников В.И.

Как известно, в термодинамике понятие «энтропия» – это функция состояния, характеризующая направление протекания самопроизвольных процессов в термодинамической ЗС [35]. Существование энтропии как функции состояния постулируется вторым началом термодинамики.

Разность энтропии системы в произвольных состояниях A и B

,

где δQ_обр – количество тепла, сообщаемое системе при бесконечно малом квазистатическом изменении ее состояния; T – абсолютная температура, при которой тепло поглощается системой.

Интеграл берется по любому обратимому пути, соединяющему оба состояния. В случае изометрического процесса ΔS = Q_обр/T. Например, изменение энтропии при испарении жидкости равно скрытой теплоте испарения, отнесенной к температуре испарения.

Для произвольного обратимого кругового процесса . Это равенство – необходимое и достаточное условие того, что есть полный дифференциал, а энтропия – функция состояния. Если δQ определить из первого начала термодинамики, то dS = (dU + pdV)/T, где U – внутренняя энергия, p – давление, V – объем, и обратимость заведомо будет гарантирована.

Абсолютное значение энтропии определяется третьим началом термодинамики, согласно которому энтропия при абсолютном нуле температуры обращается в нуль. Это своего рода энтропийно-температурная АЗС.

В адиабатических ЗС при обратимых процессах (т.е. в тепловых АЗС) энтропия остается постоянной, при необратимых увеличивается; во всех реальных процессах энтропия возрастает за счет размыкания всех реальных ЗС (закон возрастания энтропии). Состояние, в котором энтропия адиабатической системы максимальна, есть по определению состояние незаторможенного термодинамического равновесия, в котором дальнейшие макроскопические изменения не происходят до тех пор, пока остаются неизменными внешние условия.

Понятие «энтропия» введено в 1865 г. Клаузиусом для устранения противоречия между законом сохранения энергии и результатами экспериментальных исследований обратимых термодинамических процессов в ЗС. В частности, доказано, что при циклическом превращении тепловой энергии в механическую и обратно с каждым циклом общее количество энергии в системе уменьшается. Энтропия по замыслу ее «создателей» должна была количественно объяснить причину образовавшегося дефицита энергии. Известные формы записи (дифференциальная и интегральная), развитие и расширение содержания этого понятия со временем распространили область его применения на статистическую физику, космологию, теорию информации и другие науки. Непрерывное увеличение ее влияния на развитие физики и других наук говорит о существовании глубинных связей этой феноменологической субстанции с фундаментальными законами мира.

В настоящее время содержание понятия «энтропии» связывают с понятием структуры, хаоса, упорядоченности, монотонности, самоорганизации и др. И, по всей вероятности, расширение содержания этого понятия еще не закончено.

ТЗС позволяет углубить наши представления о понятии «энтропия», расширить границы его применимости и спрогнозировать новые его свойства и взаимозависимости с другими фундаментальными понятиями.

1. В понятиях ТЗС любая реальная замкнутая система – это УЗС, находящаяся в некотором очень слабом взаимодействии с окружающим миром. Соответственно суммарное состояние частей УЗС будет за счет этого меняться, т.е. можно записать:

где ΔQ – энергия, потерянная при превращениях; С_АЗС, С_УЗС – состояние соответственно АЗС и УЗС.

2. В соответствии с разд. 1.2 разделительная зона обладает функцией торможения (сопротивления). Поэтому при преобразовании теплоты в механическую работу и обратно неизбежны потери энергии при прохождении потока взаимодействия через эту зону. С учетом п.1 идеально выполнить условия адиабатического процесса невозможно. Разница в количестве энергии обратимого процесса появляется за счет притока энтропии из окружающей среды.

3. Понятие «состояние» является комплексным, и в него помимо измеряемых и структурированных слагаемых (вещество, энергия) по определению входят и все другие возможные источники действия, включая феноменологические (безструктурные), т.е. в целом понятие «состояние» тоже является феноменологическим.

4. Общность понятия «состояние» предполагает любые соотношения слагающих его частей, включая наличие какой-либо составляющей в чистом виде при отсутствии других. Поэтому для состояния, состоящего только из энтропии, справедливы все зависимости ТЗС.

5. В частности, можно принять, что сближение уровней взаимодействующих объектов (по разд. 1.2), т.е. устранение различий между ними для энтропийного варианта является разрушением структуры и увеличением хаоса или, иначе говоря, является законом повышения энтропии.

6. Вполне вероятно также существование закона сохранения энтропии в АЗС, как частного случая закона сохранения состояния. Отсюда вытекает невозможность тепловой смерти вселенной.

7. Правомерен также «плавный» переход понятия «энтропия» в понятие «состояние» и в связи с этим значительное расширение границ его применения.

Таким образом, рассмотрение понятия «энтропия» с позиций ТЗС способствует углублению представлений о нем, его свойствах и границах применения.

Вполне очевидно также, что представленные рассуждения всего лишь ориентировочная оценка данного вопроса, а серьезные научные результаты – это вопрос дальнейшего исследования.