В своей первоначальной формулировке второй закон термодинамики запрещал самопроизвольную передачу тепла от тела более холодного к телу более горячему. Впервые это довольно очевидное предположение было выдвинуто Клаузиусом. Более точно, имелось в виду следующее: в начале и в конце рассматриваемого процесса все остальные параметры физической системы остаются неизменными. Нагревание более горячего тела более холодным оказывается единственным его результатом.
Менее очевидным следствие второго начала термодинамики является невозможность постройки так называемого «вечного двигателя второго рода» — тепловой машины, производящей энергию из ничего. Или, что то же самое, — невозможность кругового теплового процесса с положительным или даже нулевым КПД. Такая формулировка второго начала была дана знаменитым английским физиком Томпсоном. В любом курсе классической физики доказывается равноценность обеих формулировок. Мы не станем на этом останавливаться, а перейдем к более актуальным интерпретациям этого фундаментального положения. Фундаментального не только для теплофизики и термодинамики, но и для науки в целом. Второе начало находит применение в химии, биологии, астрономии и других естественнонаучных дисциплинах. А также выступает важным эпистемологическим фактором в формировании мировоззрения учащихся.
Статистика и второе начало
Рассмотрим сосуд с идеальным газом, имеющим некоторую температуру Т. Из самых общих соображений ясно, что наиболее вероятным будет равномерное распределение скоростей молекул газа по всему объему. А, так как, температура в некотором объеме газа пропорциональна средней скорости частиц в этом объеме, то и распределение температуры по объему газа можно считать равномерным. Теперь представим, что наиболее быстрые (и наиболее «горячие») молекулы начнут собираться вместе в небольшом выделенном объеме нашего газа. Очевидно, температура в таком объеме начнет расти и становиться все выше и выше по отношению к остальной среде. В этом мысленном опыте мы допустили прямое нарушение второго начала – весь более холодный объем газа отдает свое тепло небольшой своей части. Мыслимо ли это? Нет. На практике ни с чем таким мы не встречаемся, и крайне трудно представить себе ситуацию, когда более быстрые молекулы сами по себе соберутся в одном месте. Этому противоречат постулаты теории вероятности и математической статистики.
Мы обнаружили прямую связь между статистико-вероятностными представлениями и вторым законом термодинамики. В более полной формулировке эта закономерность звучит так: мир устроен таким образом, что без подачи энергии извне физическая система стремиться перейти из менее вероятного своего состояние в более вероятное. Или, как говорят – энтропия не убывает. В нашем мысленном опыте мы имели обратную картину. Мы представили переход газа из его наиболее вероятного состояния в практически не реализуемое. Небольшие случайные отклонения от данного правила носят название флюктуаций.