Реферат: Что такое энтропия?

где Q – содержащееся в рассматриваемом теле количество теплоты или собственно его “тепловой заряд”,

T – его абсолютная температура или “тепловой потенциал”.

Естественно, что данную формулу легко можно преобразовать и в другие хорошо знакомые нам выражения для энергии в целом, если использовать дополнительно понятие соответствующей емкости. В теории тепловых явлений само понятие емкости хорошо известно (почему мы и сделали с самого начала ставку именно на данную конкретную характеристику при исходном рассмотрении электромеханических аналогий) и носит здесь специальное название теплоемкости тела C, определяемой в простейшем случае, как и обычно, в виде отношения соответствующего заряда к соответствующему потенциалу: С=Q/T. При этом опять же нужно иметь в виду, что если сама теплоемкость зависит от температуры, то приведенное сейчас выражение определяет лишь среднюю теплоемкость тела, которая и входит в собственно формулу для его тепловой энергии:

E = QT/2 = CT2/2 = Q2/2C. (5)

Важно также подчеркнуть теперь особо, что во всех сформулированных сейчас выводах нет ничего по-настоящему нового – они отнюдь не являются нашим собственным “открытием”, а хорошо известны мировой науке уже почти две сотни лет. Действительно первым их автором следует считать величайшего ученого начала ХIХ века Никола Леонара Сади Карно, еще 1824 г. сформулировавшего практически все сейчас нами сказанное. И потому описанную выше тепловую энергию вообще нужно называть по справедливости попросту “энергией Карно”, имея в виду его безусловный приоритет в открытии таковой! Именно ссылка на его теорию, напомним, фигурирует, в частности, и в названии той самой исходной статьи У. Томсона, в которой впервые вводится понятие абсолютной температуры, что тоже далеко не случайно - Карно вообще предвосхитил многие выводы всей настоящей статьи в целом, о чем мы еще поговорим подробно в специальном историко-научном приложении к ней. Но пока подчеркнем лишь следующую наиболее важную в историческом плане мысль, ради которой и затеян весь данный особый разговор - современная термодинамика, на словах вроде бы восхваляющая выдающиеся научные достижения Карно, на деле же со всеми описанными сейчас его выводами абсолютно не согласна! И главное - она категорически возражает против буквально напрашивающейся, исходя из рассмотренной в предыдущем разделе универсальной физической логики, трактовки важнейшего понятия “количество теплоты” как определенного теплового заряда, считая эту характеристику по ряду причин самой же энергией!

Тем самым термодинамика по сути дела вновь смешивает, как уже говорилось, понятия теплоты и температуры, придавая обеим этим характеристикам принципиально одинаковый энергетический смысл - в некоторых вариантах теории их вообще измеряют сегодня в одних и тех же энергетических единицах! Но об этом речь еще впереди, ибо именно о причинах данного весьма странного решения современной термодинамики, изгоняющего по сути дела из науки о тепловых явлениях само фундаментальное понятие заряда, и пойдет теперь откровенный разговор во всей остающейся части статьи. Для начала же посмотрим, что думают по этому поводу те же Эйнштейн и Инфельд, книгу которых “Эволюция физики” мы начали подробно цитировать выше.

“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 те