Сущность состояния любой системы определяется ее внутренней энергией. На вопрос о том, как происходит процесс передачи энергии от одной системы к другой, отвечает первый закон (Первое начало) термодинамики – закон сохранения и превращения энергии.

Его сущность связана с изменением внутренней энергией системы за счет двух процессов: совершение над системой (телом) работы А’ и сообщения ей (ему) тепла Q. Совершение работы сопровождается перемещением внешних тел, воздействующих на систему.

Сообщение газу тепла не связано с перемещением внешних тел и, следовательно, не связано с совершением над газом макроскопической (то есть относящейся ко всей совокупности молекул, из которых состоит тело) работы. В этом случае изменение внутренней энергии обусловлено тем, что отдельные молекулы более нагретого тела совершают работу над отдельными молекулами тела, нагретого меньше. Передача энергии происходит при этом также через тепловое излучение. Совокупность микроскопических (т.е. захватывающих не все тело, а отдельные его молекулы) процессов, приводящих к передаче энергии от тела к телу, носит название теплопередачи.

Подобно тому, как количество энергии, переданное одним телом другому, определяется работой А, совершаемой друг над другом системами (телами), количество энергии, переданное от тела к телу путем теплопередачи, определяется количеством тепла Q, отданному одним телом другому или одной системе другой.

Таким образом, приращение внутренней энергии системы должно быть равно сумме совершенной над системой работы А’ и количества сообщенного системе тепла Q:

U₂ – U₁ = Q – А’ (1)

Здесь U2 и U1 – соответственно, начальное и конечное значения внутренней энергии системы. Обычно вместо работы А¢, совершаемой внешними телами над системой, рассматривают работу А (равную – А’ ), совершаемую системой над внешними телами. То есть, в этом случае получим:

p=. Q = U₂ – U₁ – A (2)

Приведенное уравнение выражает закон сохранения энергии и представляет собой содержание Первого закона (начала) термодинамики: количество тепла, сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение системой работы над внешними телами.

Из сказанного не обязательно следует, что всегда при сообщении тепла системе внутренняя энергия ее возрастает. Может случиться так, что, несмотря на сообщение системе тепла, ее энергия не растет, а убывает (U₂< U₁). В этом случае согласно (2) А>Q, т.е. система совершает работу как за счет получаемого тепла Q, так и за счет запаса внутренней энергии, убыль которой равна U₁ – U₂.

Закон сохранения энергии в механике представляет собой своего рода баланс энергии, которая поступает в систему и энергии, покидающей её.

Относительно энтропии (как меры рассеяния энергии) следует различать закрытые и открытые системы. Закрытые – это такие системы, в которых не происходит обмен ни энергией, ни частицами с окружающим пространством, ни информацией. Открытые – это системы, в которых происходит обмен веществом или энергией или тем и другим, включая информацию.

Система сама по себе стремится к состоянию максимальной энтропии – таков глобальный принцип термодинамического развития.

Для открытых систем действует принцип универсальной эволюции Генсдорфа-Пригожина о минимуме производства энтропии. В упрощенном виде его можно рассматривать как принцип минимума диссипации (рассеяния) энергии. А согласно Н.Н.Моисееву его можно сформулировать следующим образом: в системе, при прочих равных условиях, реализуются такие формы организации или поведения объектов, ее составляющих, при котором данная система поглощает извне минимальное количество энергии (для неживой природы) или использует энергию максимально экономно (для живой природы).

Сущность Второго начала термодинамики, сформулированного немецким физиком Рудольфом Клаузиусом (1822 – 1888) и английским физиком Уильямом Томпсоном (1824 – 1907) можно представить как: «Тепло не может само собой переходить от холодных тел к более нагретым телам без совершения работы». Или: «Тепловая энергия равномерно распределяется между всеми телами, и всякие термодинамические процессы в любой системе полностью прекращаются». Наступает тепловая смерть системы (если система замкнута). Этот закон характеризует рост энтропии во времени. Энергия, которая может превратиться в полезную, уменьшается, как уменьшается степень упорядоченности физической системы. Получается, что если вселенная как система изолирована, в ней неизбежно должны происходить процессы деструкции, саморазрушения. Это понятие в XIX веке вошло в обиход под названием «тепловой смерти вселенной». В условиях существования множества вселенных (и при условии обмена между ними энергией) этот процесс саморазрушения может сопровождаться созданием миров нового уровня самоорганизации.

Энтропия, как мера рассеяния энергии, представляет собой функцию состояния системы, характеризующую направление протекания процесса теплообмена между системой и внешней средой, а также направление протекания самопроизвольных процессов в замкнутой системе. Энтропию с обратным знаком основоположник теории информации Леон Бриллюэн (1889–1969) назвал негэнтропией: N = – S.

Энтропия связана с вероятностями: S = klnW, где W выражает число микросостояний, определяемыми квантовыми законами. В левой части уравнения заложено ключевое понятие Второго начала термодинамики, характеризующее слабые самопроизвольные изменения системы, а справа – величина, связанная с хаосом и служащая мерой рассеяния энергии.

В замкнутой системе, как отмечалось выше, энтропия стремится к максимуму. На языке теории информации (вероятности) замкнутая система переходит из состояния менее вероятного к более вероятному. Наконец, система из структурированного состояния (состояния порядка, в котором части целого упорядочены) переходит к бесструктурному состоянию (беспорядку, в котором части целого неупорядочены). Таким образом, постепенно и повсеместно совершается неумолимый (в условиях замкнутой системы) процесс «вырождения» структуры и энергии… Хаос в этом случае более вероятен, чем порядок… От порядка к хаосу процесс идет самопроизвольно с ростом энтропии. Чтобы перейти от хаоса к порядку, надо затратить энергию или совершить работу. Однако судьба всякого порядка – обратиться снова в хаос за счет действия того же Второго закона термодинамики.

Третье начало термодинамики утверждает, что энергия всякой равновесной системы, при стремлении температуры к абсолютному нулю, при изотермических процессах, стремится к некоторой постоянной величине. Причем это стремление не зависит от каких-либо термодинамических параметров ее состояния (недостижимость нуля энтропии, как абсолютного нуля температуры по М.Планку).

С появлением термодинамики и статистической физики в естественные науки вошло понятие необратимости состояний и движений.

Квантовая механика продемонстрировала, что мы принципиально лишены возможности измерить с заранее заданной точностью одновременно координату и импульс элементарной частицы (принцип неопределенности Гейзенберга). Не поддаются одновременному измерению и многие другие величины. Множество непреодолимых барьеров позволила обнаружить теория относительности. Все эти теории, в сущности, сузили круг тех вопросов, которые можно задавать Природе. Осознание новых ограничений стало признаком фундаментальных теорий¹.

И в этом ряду большое место занимают работы последних лет, связанные с предсказуемостью и так называемым динамическим хаосом. Они позволили осознать еще один барьер. Оказалось, что мы, в принципе, не можем дать «долгосрочный прогноз» поведения огромного количества даже сравнительно простых механических, физических, химических и экологических систем. Можно предположить, что предсказуемое на малых и непредсказуемое поведение на больших временных интервалах характерно для многих объектов, которые изучают физика, биология, экономика, и социология.

Ссылки