Самоорганизация материи

Введение

Мир движется к хаосу. Уровень энтропии (неопределенности) в нашей вселенной повышается с каждым мгновением. Вселенная движется к тепловой смерти. Бумаги, наваленные на столе, мусор на городских свалках, объедки продуктов питания, высохшие цветы в вазе, процесс коррозии и разрушения горных пород, смерть живых существ, процесс забывания - вот безрадостные примеры разрушения и деградации.

Но, несмотря на печальную картину, этому процессу противостоят другие процессы самоорганизации.

Узоры на замерзшем стекле представляют собой, несомненно, упорядоченную структуру рядом с хаотично движущимся горячим и влажным воздухом. Кубические кристаллики соли на дне высохшей емкости, узоры снежинок, кирпичи в стенах и процесс смены дня и ночи - все это структуры.

Один любитель футбола без особых усилий найдет себе партнеров для игры. (Чем это не организация?) Если на улицу выйдет один гитарист, то около него будут останавливаться слушатели. Люди будут кидать музыканту пятаки.

Экономист скажет, что гитарист обнаружил общественную потребность и удовлетворил ее. Но гитарист ничего не искал. Не составлял бизнес планов, не убеждал банкиров и инвесторов расстаться с миллионом. А люди вокруг него структурировались и отдали часть своих ресурсов (денег). Не фокус ли это, не чудо ли? А может быть это закон самоорганизации материи? Ничего не искали миллиарды свободных художников и изобретателей, которые делали, а не рассуждали о том, стоит ли делать. Они работали и между делом создавали шедевры.

1. Фридрих Энгельс о гипотезе тепловой смерти Вселенной

В письме Марксу от 21 марта 1869 года Фридрих Энгельс писал:

"Превращение сил природы, особенно превращение теплоты в механическую силу и т.д., послужило в Германии поводом для нелепейшей

теории, которая, впрочем, до известной степени неизбежно вытекает из старой Лапласовской гипотезы, но теперь доказывается, так сказать, математически, что мир становится все холоднее, что температура в пределах Вселенной все более выравнивается, и что в конце концов наступит момент, когда всякая жизнь станет невозможной, и весь мир будет состоять из замерзших, вращающихся один вокруг другого шаров. Я жду теперь, что попы ухватятся за эту теорию как за последнее слово материализма. Ничего глупее нельзя придумать. Так как, согласно этой теории, в существующем мире количество теплоты, которое должно превратиться в другие виды энергии, все более превышает количество других видов энергии, которые могут превратиться в теплоту, то естественно, что первоначальное горячее состояние, с которого начинается охлаждение, становится абсолютно необъяснимым и даже бессмысленным и предполагает поэтому существование бога. Первый толчок Ньютона превращается в первое нагревание. И все же теория эта считается тончайшим и высшим завершением материализма. А господа эти скорее сконструируют себе мир, который начинается нелепостью и нелепостью кончается, чем согласятся видеть в этих нелепых выводах доказательство того, что их так называемый закон природы известен им до сих пор лишь наполовину".

В письме можно выделить две части. Сначала Энгельс сообщает о "нелепейшей теории", излагает выводы из нее (то, что "доказывается, так сказать, математически") и дает оценку, по-видимому, и теории, и выводам: "Ничего глупее нельзя придумать".

Вторая часть письма содержит следующее рассуждение: так как согласно упомянутой теории "в существующем мире количество теплоты... все более превышает количество других видов энергии", то, утверждает Энгельс, "естественно", что первоначальное состояние "становится абсолютно необъяснимым" и предполагает существование бога, первого толчка. Из этих "нелепых выводов" Энгельс заключает, что некий "так называемый закон природы" известен естествоиспытателям лишь наполовину.

Хотя этот закон и не назван, из контекста следует, что это — либо утверждение "в существующем мире количество теплоты... все более превышает количество других видов энергии", либо утверждение, которое называли законом природы, из которого логически следует предыдущее утверждение. Несомненно также, что, по мнению Энгельса, появление нелепых выводов обусловлено ошибочностью "так называемого закона природы". Следовательно, для опровержения вывода о тепловой смерти Вселенной необходимо опровергнуть те ложные положения, из которых этот вывод следует — положение о преобладании во Вселенной перехода всех видов энергии в тепловую над обратными процессами либо так называемый закон природы, логическим следствием которого является это положение.

В тех опровержениях гипотезы тепловой смерти Вселенной, о которых сообщают учебники и энциклопедии, вопрос о протекании во Вселенной превращения всех видов энергии в тепловую не обсуждается; второе начало термодинамики — физический закон, "на основе абсолютизации"² которого формулируется гипотеза тепловой смерти Вселенной, сомнению не подвергается. Таким образом, подходы к проблеме тепловой смерти Вселенной, представленные в учебниках, противоречат мнению Энгельса, высказанному им в письме Марксу. Не исключено, что вследствие этого философам прошлого века не удалось найти решение проблемы тепловой смерти Вселенной. Любопытно, что ссылки на данное письмо в литературе встречаются крайне редко, хотя на русском языке оно впервые было опубликовано в 1931 г. — в 24 т. первого издания сочинений Маркса и Энгельса.

В 1875 году Энгельс написал следующую заметку: "В каком бы виде ни выступало перед нами второе положение Клаузиуса и т.д., во всяком случае, согласно ему, энергия теряется, если не количественно, то качественно. Энтропия не может уничтожаться естественным путем, но зато может создаваться. Мировые часы сначала должны затем они идут, пока не придут в состояние равновесия, и только чудо может вывести их из этого состояния и снова пустить в ход. Потраченная на завод часов энергия исчезла, по крайней мере, в качественном отношении, и может быть восстановлена только путем толчка извне. Значит, толчок извне был необходим также и вначале; значит, количество имеющегося во Вселенной движения, или энергии, не всегда одинаково; значит, энергия должна была быть сотворена; значит, она сотворима; значит, она уничтожима. Ad absurdum!"¹ . Допуская, что энергия теряется качественно, Энгельс заключает, что в будущем энергия исчезнет в качественном отношении, что мир придет в равновесие, что когда-то был первый толчок, что энергия сотворима и уничтожима. Из этих абсурдных выводов следует ложность принятого допущения.

Чтобы решить проблему тепловой смерти Вселенной, следует рассмотреть следующие вопросы:

1) истинно ли то, что в процессах, протекающих в природе, энергия теряется качественно, и что процессы, в которых происходит превращение всех форм движения в теплоту, преобладают над процессами, в которых происходит превращение теплоты в другие формы движения?

2) следует ли из второго закона термодинамики заключение о том, что энергия теряется (может теряться) качественно и что процессы, в которых происходит превращение всех форм движения в теплоту, преобладают над обратными процессами?

3) следует ли из второго закона термодинамики заключение о том, что Вселенная стремится к равновесию?

2. Энгельс о превращении форм движения

В работе "Людвиг Фейербах и конец классической немецкой философии" Энгельс назвал открытие превращения энергии одним из трех великих открытий, благодаря которым "познание взаимной связи процессов, совершающихся в природе, двинулось гигантскими шагами вперед". Это открытие показало, что "все бесчисленные действующие в природе причины, которые до сих пор вели какое-то таинственное, не поддававшееся объяснению существование в виде так называемых сил — механическая сила, теплота, излучение (свет и лучистая теплота), электричество, магнетизм, химическая сила соединения и разложения,— являются особыми формами, способами существования одной и той же энергии, т. е. движения".

В "Диалектике природы" Энгельса есть фрагмент "О классификации суждений", содержащий чрезвычайно важные для термодинамики идеи относительно превращений форм движения (энергии). В этом фрагменте в качестве примера, подтверждающего рациональное содержание гегелевской диалектики, анализируется развитие познания человеком закономерностей превращения форм движения.

Вначале Энгельс приводит гегелевскую классификацию суждений: суждение наличного бытия, суждение рефлексии, суждение необходимости и суждение понятия. "1-я группа — это единичное суждение, 2-я и 3-я — особенное суждение, 4-я — всеобщее суждение". Далее Энгельс показывает, "какое глубокое основание эта группировка имеет не только в законах мышления, но также и в законах природы", для чего рассматривает развитие закона превращения движения от формулировки "трение есть источник теплоты" до формулировки "всякое механическое движение способно посредством трения превращаться в теплоту" и, наконец — "любая форма движения способна, и вынуждена при определенных для каждого случая условиях превращаться, прямо или косвенно, в любую другую форму движения".

Согласно Энгельсу, закон превращения формы движения, является абсолютным не только по форме (к его формулировке ничего прибавить), но и, что следует отметить особо, по содержанию. Кроме прочего, это означает, что его действие не может ограничиваться никаким иным законом. Та же мысль была выражена Энгельсом несколько раньше в другой форме: "закон о смене форм движения является бесконечным, замыкающимся в себе"¹ .

Также, по Энгельсу, закон превращения форм движения является суждением понятия, суждением всеобщности. Это означает, что способность к превращению в иные формы является атрибутом любой формы движения, внутренне присуща любой форме движения и не может быть уничтожена без уничтожения самой формы движения, что в отношении превращаемости в иные формы все формы движения совершенно "равноправны". Абсолютно невозможной, согласно Энгельсу, является ситуация, в которой какая-нибудь форма движения полностью утратила бы способность превращаться в качественно иные формы движения, перестала бы превращаться в иные формы движения.

Поскольку неограниченная превращаемость из одной формы в другую — атрибут движения, то "движение, которое потеряло способность превращаться в свойственные ему различные формы, хотя и обладает еще dynamis (возможностью), но не обладает уже energeia (действительностью).

Соответственно, слова "движение обладает dynamis, но не обладает energeia" означают: движение является движением только в возможности, но не в действительности.

Для сравнения "Железная дорога, по которой не ездят, которая не используется, не потребляется, есть железная дорога только δυηαμει (в возможности (по Аристотелю)), а не в действительности".

То, что Энгельс написал в формулировке закона превращения форм движения и в комментариях, — это не философское обобщение достижений естествознания, а всего лишь адекватное выражение сути полученных естествознанием результатов. Именно благодаря открытию неограниченной взаимной превращаемости "различные физические силы"— эти, так сказать, неизменные "виды" физики — превратились в различным образом дифференцированные и переходящие по определенным законам друг в друга формы движения материи". Суждение "механическая сила, теплота, излучение... являются особыми формами, способами существования одной и той же энергии, т. е. движения" получено не путем отыскания видимых общих признаков у всех этих "предметов мышления", а благодаря открытию превращений одних форм в другие. "Когда рассматриваются эти многообразные формы явлений под одно общее название движения, то дело тут отнюдь не в том только, что наш рассудок объединяет их вместе. Напротив, эти формы сами доказывают своим действием, что они являются формами одного и того же движения, ибо при известных обстоятельствах они переходят друг в друга". А что они действительно переходят друг в друга, доказывается тем, что эти переходы происходят "без какой бы то ни было потери силы" "таким образом, что определенному количеству движения одной формы всегда соответствует точно определенное количество движения другой формы". Например, можно привести одну аналогию. Жидкая, кристаллизационная, адсорбционная вода, а также лед и пар есть виды, формы существования одной и той же субстанции — воды, H₂ O. Такое заключение было сделано не на основе сравнения их видимых признаков, а на том основании, что при известных условиях они превращаются друг в друга, причем количеству воды, исчезнувшей в одной форме, соответствует появление такого же количества другой формы воды.

Способность к превращению в иные формы, в частности, в пар, есть атрибут любой формы воды. Если после контакта с натрием вода не появляется в виде пара при нагревании продуктов реакции, то не потому, что она потеряла способность превращаться в пар, а потому, что произошла химическая реакция, и вода была уничтожена как таковая, исчезла в качестве воды. Вода уничтожима в качественном смысле в химических превращениях. Движение отличается от воды, кроме прочего, и тем, что, являясь атрибутом материи, не может стать недвижением, превратившись в нечто такое, которое не превращается в иные формы движения. Движение, потерявшее способность превращаться в иные формы (движение, не превращающееся в иные формы) в свете идей Энгельса — такая же нелепость, как четырехугольный треугольник.

Поскольку способность к превращениям в другие формы в равной мере присуща всем формам движения, то в бесконечной Вселенной одновременно протекают процессы противоположно направленные, а в целом движение материи остается неизменным как качественно, так и количественно.

Если допустить, что какая-то форма движения во Вселенной вдруг утратила частично способность к превращению в другие формы, то это означает, что во Вселенной процессы превращения различных форм движения в эту форму преобладают над обратными, что во Вселенной началось постепенное преобразование первоначально бесконечно многообразного движения в одну эту форму, что многообразие движения материи теряется, — происходит деградация движения материи. Пределом такой деградации является смерть материи. Необходимо отметить, что "движение в применении к материи — это изменение вообще"¹ , в том числе жизнь, социальные процессы. Конечно, формулировка "всякая форма движения способна и вынуждена превращаться во всякую другую форму движения" относится не ко всем формам движения, а к тем, с которыми имеет дело физика, т.е. к тем, которые Р.Майер называл "силами", "силами неживой природы"² . Эти формы лучше называть абстрактными формами движения, чтобы отличать, с одной стороны, от высших, конкретных форм движения, примером которых является жизнь, а с другой — от физической величины, которая остается постоянной в ходе взаимных превращений абстрактных форм движения и называется энергией.

Только абстрактные формы движения превращаются друг в друга. Конкретные формы движения являются атрибутами соответствующих форм материи (материальных систем) и развиваются в ходе развития материальных систем в соответствии с законами развития.

По вышесказанному, Энгельса высказывал и такие мысли.

"Сохранение энергии. Количественное постоянство движения было высказано уже Декартом и почти в тех же выражениях, что и теперь...

Зато превращение формы движения открыто только в 1842 г., и это, а не закон количественного постоянства, есть новое"¹ .

"Если еще десять лет назад новооткрытый основной закон движения принимался лишь как закон сохранения энергии, лишь как выражение того, что движение не может быть создано, то есть понимался только с количественной стороны, то это узкое, отрицательное выражение все более вытесняется положительным выражением в виде закона превращения энергии, где впервые вступает в свои права качественное содержание процесса и стирается последнее воспоминание о внемировом творце. Теперь уже не нужно проповедовать как нечто новое, что количество движения (так называемой энергии) не изменяется, когда оно из кинетической энергии (так называемой механической силы) превращается в электричество, теплоту, потенциальную энергию положения и т. д., и обратно; мысль эта служит добытой раз навсегда основой гораздо более содержательного отныне исследования самого процесса превращения, того великого основного процесса, в познании которого находит свое обобщение все познание природы".

Таким образом, Энгельс различал закон сохранения энергии (движения) и закон превращения энергии (движения), а также высказывал (в 1885 г.) мнение то, что мысль о сохранении энергии служит основой более содержательного исследования самого процесса превращения. Поэтому можно ожидать, что за более чем сто лет после 1885 г. в исследовании этих процессов превращения достигнут заметный прогресс.

Теперь можно попробовать решить вопрос, теряется ли энергия качественно в природных процессах и следует ли вывод о качественной потере энергии из второго закона термодинамики.

3. Второй закон термодинамики – "закон деградации энергии"

Имеется множество работ, авторы которых без тени сомнения говорят о качественной потере энергии и о связи этого утверждения со вторым законом термодинамики.

Л. Больцман (1886 г.): "Энергия может принимать три формы — форму видимого движения тел, теплоты, т.е. движения мельчайших частиц, наконец, работы, т.е. взаимного отдаления притягивающих друг друга тел или сближения тел оттталкивающихся... Теплоту, видимую живую силу и работу можно было бы по желанию получать друг из друга и переводить из одной формы в другую, причем количество всегда было бы сохранено.

Наряду с этим общим принципом механическая теория тепла поставила второй, малоутешительным образом ограничивающий первый, — так называемый второй закон механической теории тепла. Это положение формулируется следующим образом: работа и видимая живая сила могут безусловно переходить одна в другую и без всяких ограничений превращаться в теплоту; наоборот, обратное превращение теплоты в работу или видимую живую силу или совсем невозможно, или возможно только отчасти... Энергия в форме тепла часто обозначается как рассеянная или деградированная энергия. Таким образом, второй закон констатирует непрерывный рост деградации энергии, пока, наконец не прекратятся все видимые движения во Вселенной"¹ .

О. Д. Хвольсон (1923 г.): "Тепловая энергия есть энергия движения неправильного, беспорядочного; это движение представляет крайнюю противоположность движению данного тела (системы молекул), как целого, при котором скорости всех частиц тесно связаны между собою…

Тепловое движение частиц есть движение наиболее вероятное. Всякое нетепловое движение материи должно иметь стремление к переходу в движение тепловое. Такой переход вызывается малейшими причинами, расстраивающими нетепловое, т. е. более или менее упорядоченное движение. Иначе: Heтепловая энергия движения материи имеет стремление перейти в энергию тепловую. Такой переход мы наблюдаем при всяком ударе, при трении и т. д. Энергия тепловая лишь при исключительных условиях, так сказать, искусственно, может быть преобразована в нетепловую энергию движения материи"² .

Н.В. Кашин (1925 г.): "Условием возможности всякого преобразования энергии является качественное ухудшение (деградация) части энергии, которое понимаем, как понижение способности этой части энергии к дальнейшим превращениям"³ .

Б.М. Гессен (1928 г.): "…В фундаменте современного естествознания лежит не только закон сохранения энергии, но и закон рассеяния энергии"⁴ .

И.А. Каблуков (1934 г.): "Все виды энергии могут совершенно свободно и сполна превращаться в тепловую, последняя же только в известных случаях может целиком переходить в химическую, при переходе же ее в механическую или электрическую энергию часть ее остается в виде тепла, падая только с более высокой температуры на более низкую. Вследствие этого происходит непрерывное увеличение теплового движения за счет других форм энергии и постепенный переход теплоты от тел высокой температуры к телам более низкой температуры"¹ .

К.А. Путилов (1939 г.): "В качестве первого и второго начал термодинамики приняты два главенствующих закона физики, смыкающие физику с общими вопросами философии — закон сохранения энергии и закон деградации энергии"² .

П. Лаберенн (1953 г.): "…Теплота должна рассматриваться как низшая или деградированная форма энергии; она не может целиком превращаться в механическую работу"³ .

Г.Н. Алексеев (1966 г.): "Таким образом, качество энергии характеризуется степенью упорядоченности и степенью концентрации ее. Чем более упорядочена и чем более концентрирована энергия, тем, естественно, выше возможность ее применения, ибо перейти от упорядоченности к беспорядку и от высокой концентрации к низкой ничего не стоит, обратный же переход может быть осуществлен только при затрате энергии.

Однако все виды энергии постепенно деградируют — их упорядоченность и особенно концентрация уменьшается и постепенно сходит на нет.

Деградация всех видов энергии происходит одним, единственным путем — превращением их в тепловую хаотическую и рассеяния последней (т.е. уменьшением концентрации до концентрации тепла в окружающей среде на Земле — воде океанов, морей и в атмосфере"⁴ .

Д.П. Гохштейн (1963 г.): "Энергия бывает разной ценности. Два количества энергии могут быть равны между собой по количеству калорий, но разными по пригодности к преобразованию в другие виды"⁵ .

"Деградация энергии сопровождает любой реальный процесс"⁶

"Позволяя нам использовать тепло для получения работы, природа как бы налагает на нас "налог" в виде отдачи обесцененной энергии окружающей среде... Между ростом количества обесцененной энергии и энтропией системы имеется четко установленная прямая связь. Если выбрать изолированную от других систему, то легко представить, что протекание необратимых (т.е. реальных) процессов в ней будет вызывать рост ее энтропии, который прекратится тогда, когда исчезнет всякая возможность использования энергии и последняя станет полностью обесцененной, т.е. непревратимой в другие виды. При этом энтропия достигнет своего максимума, а систему постигнет "тепловая смерть". "Химическая, механическая и электрическая энергия могут целиком переходить в другие виды энергии (в том числе и в тепло); тепло же не в состоянии полностью перейти в другие виды энергии. А тепло, попавшее в окружающую среду, не может даже частично перейти в другие виды энергии". "Невозможность полного перехода тепла в другие виды энергии и составляет ту специфичность тепла, которая ему присуща".

П. Шамбадаль (1967 г.) "Работа может быть преобразована в тепло без остатка.., тогда как обратное превращение может быть только частичным.

…Работа представляет собой как бы более "благородную форму энергии, чем тепло".

И. Пригожин, И. Стенгерс (1984 г.): "Тепло и механическая энергия эквивалентны с точки зрения сохранения энергии.., но отнюдь не второго начала… Коротко говоря, механическая энергия более "высокого сорта" (более когерентна), чем тепло и всегда может быть превращена в тепло. Обратное неверно".

Эти и другие высказывания такого рода можно резюмировать следующим образом.

1. Закон превращения форм движения не является абсолютным: условия и направление превращений энергии устанавливаются вторым законом термодинамики.

2. Формы движения (виды энергии) различаются по своей способности к превращению в другие формы, причем тепловая энергия — это энергия низшего (второго) сорта, малоэффективная, неполноценная, деградированная форма энергии; она не способна полностью превращаться в другие формы энергии.

3. Деградация (рассеяние, диссипация) энергии происходит во всех реальных (природных) процессах и означает превращение части энергии в тепловую.

4. В некоторых условиях энергия полностью теряет способность к дальнейшим превращениям. "Энергия может быть и неработоспособной", "покоющейся", а теплота — "совершенно неработоспособной" .

5. Ограничения на превращение тепла в иные формы энергии накладывает второй закон термодинамики .

6. Вывод о качественной потере, т.е. деградации, рассеянии, диссипации энергии не просто следует из второго закона термодинамики, для многих авторов второй закон термодинамики — это закон деградации (рассеяния, рассеивания, диссипации) энергии.

Таким образом, можно утверждать, что в термодинамике, этой науке "о закономерностях превращения энергии"¹ , на протяжении полутора веков господствуют воззрения, противоречащие идеям Энгельса о превращении форм движения, господствуют воззрения, на основе которых Энгельс делал заключение о грядущей тепловой смерти Вселенной.

На основе этих представлений существует утверждение, что во Вселенной происходит увеличение доли тепла за счет других видов энергии, что со временем вся энергия превратится в тепловую, а Вселенную постигнет тепловая смерть² .

Для анализа процессов преобразования энергии в энергетических установках применяются величины эксергии (максимальной полезной работы, работоспособности) и анергии³ .

"Всякий энергетический ресурс окажется состоящим из двух слагаемых: первое, названное эксергией, даст предельную работу, какую можно произвести в идеальном случае, второе определит оставшуюся принципиально не превращенной в работу часть энергетического ресурса. Для этого второго слагаемого предложен термин анергия"⁴ .

Соответственно, подвергая сомнению положение о деградации энергии и "второсортности" теплоты как формы движения, нельзя не обойтись без критического рассмотрения "мер рассеяния" энергии и критериев ее "работоспособности".

4. Физики против "деградации" энергии

Положение о рассеянии (обесценении) энергии на протяжении многих лет критиковалось Максом Планком, который был не только одним из основателей квантовой физики, но и внес заметный вклад в развитие классической термодинамики.

В одной из статей Макс Планк писал:

"Но что я категорически отрицаю и против чего я всегда боролся, это положение, сформулированное г-ном Хевисайдом по поводу универсального рассеяния энергии. Если верно, что энергия идеального газа зависит только от температуры, но не от объема, тогда энергия смеси газов по окончании процесса их взаимной диффузии должна остаться в точности такой, какой она была до начала диффузии. Где же здесь рассеяние энергии? Этот пример, во всяком случае, требует пояснения.

Я прекрасно понимаю, что в целях сохранения положения о рассеянии энергии можно ввести понятие "доступной" или "свободной" энергии, как это было сделано лордом Рэлеем и Гельмгольцем. Но действительно ли закон "потери доступности энергии" является универсально верным законом? Ни в коем случае, ибо он справедлив только для изотермических процессов (т.е. процессов, протекающих при постоянной температуре). Когда изменяется температура, свободная энергия может увеличиваться в такой же мере, как и уменьшаться, при условии, разумеется, что мы придерживаемся одного и того же определения свободной энергии, а не вводим для каждого специального рода процессов новое определение, как это иногда фактически делалось".

Многими исследователями утверждается, что в природе процесс превращения всех видов энергии в теплоту преобладает над обратным, то К.А. Путилов писал:

"…Как известно, процесс превращения тепла в работу и в природе, и в технике происходит весьма часто. Было бы ошибочным считать, что он имеет меньшую распространенность, чем процесс превращения работы в тепло. Напротив, превращение тепла в работу в природе встречается столь же часто, как и переход работы в теплоту. На поверхности земного шара ветры, дожди, реки, водопады производят непрестанно работу за счет теплоты, которую доставляет Солнце.

Поэтому нельзя рассматривать процессы перехода работы в теплоту, как правило, а процессы превращения тепла в работу как исключение. Выражаясь фигурально, природа имеет одинаковую склонность, как к тем, так и к другим процессам".

В монографии "Термодинамическая пара"² А. И. Вейник писал:

"Парадокс тепловой смерти мира, или деградации Вселенной, заключается в том, что, по Клаузиусу³ , в природе возможны процессы только одного направления — с выделением теплоты трения, возрастанием энтропии, установлением равновесия. В результате все элаты (элементарные формы движения (виды энергии)) рано или поздно превратятся в термическую и в ней найдут свою смерть, т.е. наступит всеобщее равновесие, абсолютный покой. Но, согласно общей теории, в природе не менее распространены процессы прямо противоположного направления — с уничтожением теплоты трения, т.е. с нарушением равновесия. Поэтому тепловой смерти мира быть не может". Разумеется, трудно поверить в то, что "фактически человек сталкивается с поглощением теплоты диссипации (законом экранирования) на каждом шагу", однако при рассмотрении вопроса о судьбах Вселенной нужно принимать во внимание не только повседневный опыт.

В последнее время опубликованы ряд работ, где не только отрицаются ограничения на преобразования энергии, вытекающие из второго закона термодинамики, но и делаются намного более сильные выводы, а именно о возможности преобразования в электрическую и механическую энергию теплоты, рассеянной в окружающей среде, т. е. о возможности создания устройств (машин), в которых осуществляется процесс, обратный "рассеянию" энергии, процесс, названный П. К. Ощепковым⁶ процессом концентрации энергии, соответственно, о возможности создания так называемых вечных двигателей второго рода. Эти работы имели отрицательный отзыв со стороны специалистов в области энергетики. Таким образом, выступая против деградации энергии, исследователь должен рассмотреть и споры о возможности создания вечных двигателей второго рода, коль скоро в них затрагивается вопрос о существовании ограничений на превращение теплоты в другие формы движения.

По вопросам деградации (рассеяния) энергии, "второсортности" теплоты как формы энергии, возможности обращения процесса рассеяния энергии имеются ряд противоречий. Чтобы их разрешить, необходимо обратиться к анализу фактов, начиная с публикаций о вечных двигателях второго рода.

С тех пор, как был сформулирован второй закон термодинамики, физики и инженеры много сил и времени уделили изучению преобразований и преобразователей теплоты. Можно предположить, что все факты, касающиеся превращений теплоты в технических устройствах стали известны. Специалисты в области энергетики утверждают, что теплота (тепловая энергия) есть энергия второго сорта, что она не может полностью превращаться в другие формы энергии, то вряд ли такой вывод можно опровергнуть на основании каких-то новых фактов, полученных в каких-то экзотических устройствах, вроде вечных двигателей второго рода.

По их мнению, "неполноценность" тепловой энергии, невозможность ее полного превращения в другие виды энергии есть существенное свойство теплоты.

Тогда можно сказать, что суждения "теплота есть деградированная энергия", "теплота неспособна полностью превращаться в другие формы энергии", есть суждения понятия. Такие суждения нельзя опровергнуть, просто сославшись на какие-то факты. Их можно опровергнуть только одним способом, показав, что сомнительные, положения о закономерностях преобразования теплоты в другие формы движения из известных фактов не следуют, что при получении такого рода утверждений были допущены ошибки.

Для определения этих ошибок, необходимо рассмотреть рассуждения, в которых появляются заключения о "второсортности" теплоты как формы энергии, о невозможности полного превращения теплоты в другие формы движения и т. п.

5. Об ограничениях на преобразования теплоты

Ограничения, которые второй закон термодинамики накладывает на преобразования теплоты (тепловой энергии) в другие виды энергии, рассматриваются во всех курсах термодинамики. Эти ограничения сжато и ясно рассмотрены в статье "Второй закон термодинамики и энергетика" ¹ . Там сказано: "Коэффициент полезного действия тепловых электростанций не превышает 40%. Еще ниже к. п. д. атомных электростанций…"

Чем же объяснить столь низкий к. п. д. современных электростанций и каковы возможности его повышения? …

Схема любой электростанции предусматривает цепь последовательных преобразований энергии. Так, на ТЭС в процессе сжигания топлива химическая энергия превращается в тепловую. Далее тепловая энергия преобразуется в механическую, а последняя — в электрическую. На АЭС ядерная энергия также сначала преобразуется в тепловую и лишь затем в механическую и далее в электрическую… Объективные закономерности, отражающие особые свойства тепловой энергии, нашли свое отражение во втором законе термодинамики. Именно этот закон накладывает определенные ограничения на процессы преобразования тепловой энергии и в конечном итоге обусловливает относительно низкий к. п. д. электростанций.

Рассматривая процесс превращения теплоты (тепловой энергии) в механическое движение (в работу), необходимо сделать заключение об ошибочности следующих положений, которые часто встречаются в литературе:

— теплота превращается в работу только при наличии двух тел с различной температурой (для получения работы из теплоты нужен не только источник теплоты (нагреватель), но и холодильник);

— теплота не может полностью превратиться в работу;

— необходимым условием превращения теплоты в работу является переход части теплоты к холодильнику.

Все эти ограничения касаются преобразования теплоты (тепловой энергии) в работу (механическую энергию) в тепловых двигателях, в которых осуществляются круговые процессы (циклические изменения состояния рабочего тела). Если преобразование тепловой энергии в механическую происходит не в круговом процессе, все названные ограничения недействительны. Имея в виду то обстоятельство, что на основании особенностей превращения теплоты в другие формы энергии делали вывод о грядущей тепловой смерти Вселенной, заметим, что в природе преобразование тепловой энергии в другие формы энергии происходит не в тепловых двигателях и не в круговых процессах. Названные ограничения на преобразование тепловой энергии недействительны для природных процессов. Помня о существовании названных ограничений на превращение теплоты в другие формы движения и забывая о том, что они касаются круговых процессов, Можно найти в литературе утверждения некоторых исследователей примерно в такой форме: "все виды энергии легко превращаются в тепловую, обратный же процесс связан с определенными трудностями и требует дополнительной затраты энергии".

Кстати, К. Э. Циолковский отмечал: "Но и последняя (т. е. механическая работа) никогда на практике целиком не переходит в одно тепло, одно электричество, свет и проч. Возьмем, например, механическое трение. Тут кроме тепла обязательно получается электричество; может, конечно, получиться и свет"¹ .

Однако среди положений, огранивающих превращение теплоты в другие формы движения, есть такое, которое выглядит более обоснованным и специфическим для теплоты. Это теорема Карно.

Следует ли из теоремы Карно заключение о невозможности полного преобразования теплоты в другие виды энергии?

Эффективность преобразования энергии количественно характеризуется величиной коэффициента полезного действия (КПД). "Коэффициент полезного действия (кпд) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии; определяется отношением η полезно использованной энергии W_ПОЛ к суммарному количеству энергии W_СУМ , полученному системой: η = W_ПОЛ / W_СУМ . КПД — величина безразмерная… Из-за неизбежных потерь энергии на трение, нагревание окружающих тел и т.п. всегда η <1..."² . Величина КПД меньше единицы из-за потерь на трение, нагревание и т. п.; если бы такого рода потерь не было, КПД равнялся бы 1. В случае же преобразования тепла в механическое движение, которое происходит в тепловых двигателях, КПД не может достигать 1 даже в идеальном случае, когда нет трения. "Для всех идеальных двигателей, кроме тепловых, КПД равен единице. А вот для тепловых двигателей он всегда меньше единицы и зависит от температуры источника теплоты и окружающей среды"³ .

В идеальном тепловом двигателе, преобразующем теплоту в механическую энергию нет побочных процессов преобразования энергии. КПД идеального теплового двигателя, в отличие от КПД названных выше преобразователей, меньше единицы потому, что при определении КПД теплового двигателя W_СУМ означает не теплоту, преобразованную в двигателе в иные формы, а величину другого рода — теплоту, подведенную к двигателю, аналогом которой является энергия излучения, упавшего на приемник в случае преобразования излучения. КПД теплового двигателя можно сравнивать с величиной интегральной чувствительности К приемника излучения, которая пропорциональна отношению полезной формы энергии к энергии, упавшей на приемник. Если интегральную чувствительности приемника излучения разделить на коэффициент пропорциональности с, получим величину, подобную КПД теплового двигателя.

В КПД (по его определению) должны находить отражение потери энергии, обусловленные эффектами, которые возникают в ходе процесса, совершающегося в соответствии с назначением устройства. Эффекты эти, сопутствующие основному процессу, совершенно чужеродны по отношению к нему и никак не связаны с принципом действия устройства. Теоретическая идеальная модель рабочего устройства совершенно свободна от такого рода процессов и по определению понятия ее КПД следует придать значение, равное единице. Отклонение КПД реального устройства от единицы характеризует различие между практически достигнутой эффективностью и принципиально возможной.

Таким образом, поскольку КПД тепловых двигателей и КПД ряда других преобразователей энергии (например, электродвигателей, ГЭС, источников излучения) характеризуют соответствующие преобразователи в разных отношениях, то сопоставление тепловых двигателей с другими преобразователями энергии по величине КПД логически некорректно.

Из того, что, согласно теореме Карно, КПД идеального теплового двигателя не может достигать 1, не следует заключение о невозможности полного превращения теплоты в другие формы энергии.

Также из теоремы Карно не следует вывод, будто теплота имеет какие-то особенности в отношении преобразования в другие формы движения по сравнению с взаимными преобразованиями других форм движения.

6. Сомнительные выводы из второго закона термодинамики, касающиеся Вселенной

Можно предварительно сделать заключение, что все аргументы в пользу того, что теплота — энергия низкого качества, что в природных процессах происходит деградация энергии, являются несостоятельными. Однако, устранение из термодинамики ложных положений, касающиеся закономерностей превращения энергии (форм движения), не приведет к устранению из нее всех положений, которые могут служить основаниями для ложных заключений.

Есть заключения некоторых исследователей, которые, не упоминая о превращениях энергии, делали на основе второго закона термодинамики или одной из его формулировок — закона возрастания энтропии — следующие противоречащие диалектико-материалистическим воззрениям выводы, например:

Р. Клаузиус: "Второе начало термодинамики, в том виде, какой я ему придал, гласит, что все совершающиеся в природе превращения в определенном направлении, которое я принял в качестве положительного, могут совершаться сами собою, т.е. без компенсации, но в обратном, т.е. отрицательном, направлении они могут происходить только при условии, если они компенсируются происходящими одновременно с ними положительными превращениями. Применение этого начала ко всей Вселенной приводит к заключению, на которое впервые указал У.Томсон. В самом деле, если при всех происходящих во Вселенной изменениях состояния превращения в одном определенном направлении постоянно преобладают по своей величине над превращениями в противоположном направлении, то общее состояние Вселенной должно все больше и больше изменяться в первом направлении и таким образом оно должно непрерывно приближаться к предельному состоянию".

Г.А. Лоренц: "Энтропия изолированной системы, т.е. системы, не обменивающейся теплотой с окружающей средой, не может убывать. Но тогда энтропия всей Вселенной не может убывать, ибо Вселенная представляет собой изолированную систему"² .

И.А. Каблуков: "При необратимых процессах энтропия может только увеличиваться. Так как жизнь Вселенной есть сцепление ряда необратимых процессов, то Клаузиус высказал положение: энтропия Вселенной стремится к максимуму"³ .

Дж. Фен: "Любой спонтанный процесс в любой изолированной системе всегда приводит к росту энтропии этой системы"⁴ .

"...Рассматривая всю Вселенную как единую систему, можно сделать следующее утверждение, вытекающее из второго начала термодинамики: энтропия Вселенной всегда растет" ⁵ .

Н. Винер: "Мы погружены в жизнь, где мир в целом подчиняется второму закону термодинамики: беспорядок увеличивается, а порядок уменьшается"; "Вселенной в целом, если действительно существует Вселенная как целое, присуща тенденция к гибели"² .

Ф. Рейф: "Принцип возрастания энтропии создает впечатление, что мир приближается к ситуации, характеризующейся все возрастающим беспорядком".

Соответственно, диалектическому материализму противоречат не только положения о нарастании во Вселенной хаоса, ее стремлении к предельному состоянию, тепловой смерти, конечном времени ее существования, но и об одностороннем (в определенном направлении) изменении (эволюции) Вселенной (мира в целом).

7. Две части второго закона термодинамики. Принцип существования энтропии

То обстоятельство, что принцип существования энтропии и принцип возрастания энтропии — это два различных положения, первое из которых можно доказывать, а затем использовать независимо от второго, человеку, незнакомому с историей термодинамики может показаться очевидным и тривиальным: математики часто сначала доказывают существование какой-то функции, а затем начинают исследовать ее свойства. Между тем, в термодинамике, начиная с работ Р. Клаузиуса, существование и возрастание энтропии рассматривались в неразрывной связи — как следствия одной и той же аксиомы, а второй закон термодинамики для обратимых (равновесных) процессов - как частный случай более общего закона, включающего и положение, относящиеся к неравновесным процессам, и то, что излагается как должное, есть результат длительного исторического развития и горячих дискуссий.

Впервые необходимость доказательства существования энтропии, независимо от ее возрастания, осознал в конце XIX в. профессор Киевского университета Н. Н. Шиллер, опубликовавший ряд работ, посвященных этой теме⁴ . В 1909 г. немецкий математик К. Каратеодори доказал существование энтропии, исходя из аксиомы: "В любой окрестности произвольно заданного начального состояния имеются состояния, которые нельзя как угодно точно аппроксимировать адиабатическими изменениями состояния"⁵ .

С возражением против идей Каратеодори выступил Планк, который обращал внимание на то, что "никто еще никогда не ставил опытов с целью достижения всех смежных состояний, какого-либо определенного состояния адиабатическим путем"¹ .

Он также написал, что содержание второго закона термодинамики шире аксиомы Каратеодори и что к этой аксиоме "необходимо прибавить еще вторую, не зависящую от первой, аксиому, относящуюся к необратимым процессам, — момент, который впрочем, всегда вполне отчетливо возникал при всех изложениях этого принципа"² .

Принцип существования энтропии относится к равновесным системам, т. е. системам, в которых на макроуровне не протекают никакие процессы, которые не обмениваются с другими системами ни энергией, ни веществом, в которых не только отсутствуют градиенты интенсивных параметров состояния (температуры, давления, концентраций), но и любые части которых имеют одинаковые значения интенсивных параметров состояния. Поэтому на основе принципа существования энтропии невозможно вывести никакого заключения о будущем не только бесконечной Вселенной, но и о любой конечной системы, в которой протекают какие-либо процессы.

Абсолютно ложным является утверждение, будто "из Второго начала термодинамики следует, что со временем наступит "смерть" Вселенной"³ . Та часть второго начала термодинамики, с использованием которой выводят множество применяемых в практике уравнений, не может служить основанием для такого вывода.

Вторая имеет ряд формулировок, в числе которых — закон (принцип) возрастания энтропии: "Энтропия изолированной системы при наличии в ней неравновесных процессов всегда возрастает"⁴ .

Именно на основе закона возрастания энтропии некоторые исследователи делают заключения: "энтропия всей Вселенной не может убывать"⁵ ; "энтропия мира (Вселенной) стремится к максимуму" Последняя формулировка и есть одна из формулировок гипотезы тепловой смерти Вселенной.

Таким образом, анализируя логические основания гипотезы тепловой смерти Вселенной, необходимо тщательно рассмотреть второй закона термодинамики для неравновесных процессов (закон возрастания энтропии).

8. Общее начало термодинамики

Говоря о двух частях второго закона термодинамики — принципах существования и возрастания энтропии, — приводилось современная трактовка этого закона. Однако в литературе встречаются формулировки второго закона термодинамики, в которых понятие энтропии не упоминается.

"В традиционной интерпретации второй закон термодинамики указывает на одностороннюю тенденцию в развитии систем. В одной из формулировок он гласит: замкнутая изолированная система стремится к равновесию"¹ .

Согласно² , второй закон термодинамики "может быть выражен в общей форме следующим образом: все системы стремятся к состоянию равновесия".

В наше время такие формулировки второго закона термодинамики встречаются редко. В современных курсах термодинамики постулат "изолированная макроскопическая система с течением времени приходит в состояние термодинамического равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может"³ называется "общее начало термодинамики"⁴ "первый, или основной, постулат термодинамики"⁵ , "принцип самоненарушимости равновесного состояния системы"⁶ , "постулат о термодинамическом равновесии"⁷ . Этот постулат является "результатом обобщения опыта"⁸ . В сочетании с теоремой о возрастании энтропии общее начало термодинамики позволяет сделать заключение: энтропия изолированной системы стремится к максимуму. Ведь теорема о возрастании энтропии выражается неравенством и утверждает только то, что энтропия изолированной системы в конечном состоянии больше, чем в начальном.

Как указывал академик АН СССР М. А. Леонтович, "экстраполяция основного положения о том, что ограниченная система с течением времени приходит в состояние равновесия, ...порождала выводы довольно спекулятивного свойства о тепловой смерти Вселенной.

Следует заметить, что эти выводы получаются непосредственно как результат распространения на Вселенную одного этого положения, а вовсе не из каких-либо специальных математических формулировок термодинамики, связанных с существованием энтропии"¹ .

Если исходить только из закона возрастания энтропии, то "можно лишь сказать, что если бы когда-либо должна была наступить "тепловая смерть" (состояние равновесия) мира, и еще раньше существовало бы — менее стабильное — состояние равновесия, то новое состояние должно было бы обладать бoльшим значением энтропии, чем прежнее состояние"²

Тот, кто в наше время на основе формулировки "Энтропия изолированной системы стремится к максимуму" выводит заключение о стремлении Вселенной к равновесию, совершает логическую ошибку вида "предвосхищенное основание".

Учитывая общее начало термодинамики, нужно сказать: изолированная система не потому приходит в равновесие, что ее энтропия достигает максимума; возрастание энтропии изолированной системы прекращается потому, что система пришла в равновесие.

Основываясь на общем начале термодинамики, можно было бы заключить: поскольку все неравновесные изолированные системы со временем переходят в равновесие, Вселенная как изолированная неравновесная система тоже перейдет в равновесие. Несложно, однако, показать несостоятельность такого — индуктивного — вывода, причем без привлечения тезиса о бесконечности Вселенной. Достаточно указать, что изоляция какой-нибудь звезды закончится не установлением равновесия, а небольшим космическим взрывом (если изолирующая оболочка окажется достаточно прочной).

Так как согласно диалектическому материализму, Вселенная является вечной, бесконечной, неизменной в целом, то можно сказать, что она является такой "изолированной" системой, в которой происходит вечное движение (мировой круговорот). Следовательно, из общего начала термодинамики вывод о грядущем переходе Вселенной в равновесие получить невозможно: Вселенная не придет в равновесие, так как находится в равновесии всегда.

С точки зрения термодинамики любое равновесное состояние, возможно, назвать состоянием "тепловой смерти вещества". Тем не менее, известно, молекулы всегда находятся в движении, и вечно происходит смена событий микромира.

Так и для мира в целом состояние супратермодинамического равновесия отнюдь не означало бы тепловой смерти в смысле прекращения движения и эволюции звезд.

Напротив, гибель и рождение новых звезд при их соударениях — вечная жизнь космоса — являлись бы необходимой предпосылкой супратермодинамической равновесности мира, подобно тому, как аналогичные явления в микромире поддерживают макрофизическую равновесность".

Следует заметить, что постулат о стремлении всякой изолированной системы к равновесию не имеет ничего общего с известным положением материалистической диалектики о преходящести всех конечных форм материи, которое Энгельс выразил словами: "все, что возникает, заслуживает гибели"² . Это положение является, безусловно, истинным и относится ко всем конечным материальным системам, гибель которых является закономерным финалом их естественного развития.

9. Необратимость природных процессов

Устранение из термодинамики "закона" возрастания энтропии или даже понятия энтропии не устранит из нее посылок, на основе которых возможно получение противоречащих диалектическому материализму следствий. Существует еще одно сомнительное с точки зрения диалектического материализма положение термодинамики — утверждение, будто неравновесные процессы, протекающие в природе, являются необратимыми. Согласно определению, "любой процесс, переводящий изолированную систему из состояния 1 в состояние 2, есть процесс необратимый, если процесс, имеющий единственным своим результатом возвращение системы из состояния 2 в 1, невозможен"³ .

Допущение необратимости природных процессов в сочетании с пониманием того, что совокупность всех природных процессов есть движение материи (Вселенной), влечет заключение о необратимой эволюции Вселенной. Если допустить, что "невозможно каким бы то ни было способом сполна обратить процесс, при котором тепло возникает благодаря трению"⁴ , что "фактически в природе нет процессов, которые бы не сопровождались трением"¹ , то нельзя избежать заключения о постоянном накоплении во Вселенной тепла и движении Вселенной к тепловой смерти.

Соответственно, для опровержения вывода о необратимой эволюции материи необходимо доказать, что процессы превращения форм движения и материи не являются необратимыми. А для опровержения вывода о грядущем превращении всех форм энергии в тепло необходимо опровергнуть представление, будто необратимым является процесс образования тепла путем трения. Это несложно сделать, если учитывать одно обстоятельство, которое касается сущности термодинамической необратимости.

"Из того, что процесс сам по себе не идет в обратном направлении, еще не следует, что он необратим".

То, что какой-то процесс является необратимым (обратимым), не может быть очевидным. Поэтому в курсах термодинамики приводят доказательства существования необратимых процессов. Доказательство состоит из двух частей. Сначала доказывают необратимость ряда процессов (образования тепла путем трения, расширения газа в пустоту, перехода тепла от нагретого тела к холодному, смешения газов), основываясь на постулатах Клаузиуса либо Томсона-Планка, а затем делают заключение:

"Так как фактически в природе нет процессов, которые бы не сопровождались трением или переходом тепла благодаря теплопроводности, то все природные процессы в действительности необратимы...".

Отсюда следует вывод, все процессы превращения конечных форм движения материи во Вселенной являются непосредственно необратимыми, поскольку являются процессами развития. Но при этом Вселенная в целом не меняется — это и есть мировой круговорот.

Заключение

В заключении подведем некоторые выводы:

Логическими основаниями гипотезы тепловой смерти Вселенной являются:

— ложное положение о невозможности полного превращения теплоты в другие формы движения;

— ложное положение о невозможности превращения теплоты в другие формы движения при постоянной температуре и необходимости разности температур для такого превращения;

— ложное положение о деградации (потере способности к дальнейшим превращениям) энергии в природных процессах;

— ложное положение о "второсортности" теплоты как вида энергии, ее меньшей, по сравнению с другими формами движения, способности к превращению в другие формы движения (виды энергии);

— ложное положение о неизбежном переходе всякой изолированной системы в равновесие;

— не имеющий исключений "закон" возрастания энтропии, который не позволяет сделать никакого заключения о естественных процессах, кроме того, что во всех этих процессах энтропия возрастает;

— гипотетическое положение о необратимости процессов преобразования форм движения, протекающих в природе.

Также хочется сказать, что Мир, в котором мы живем, состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых протекает по единому алгоритму. В основе этого алгоритма заложена присущая материи способность к самоорганизации, проявляющаяся в критических точках системы. Самая крупная из известных человеку систем - это развивающаяся Вселенная.

Список литературы

естествознание термодинамика энтропия энергия

1. Игнатович, В.И. Введение в диалектико-материалистическое естествознание: Монография. – Киев, "ЭКМО", 2007 – 468 с.