Сигнал о некоторых понятиях кибернетики - Полетаев И.А.
Скачать (прямая ссылка):
Вероятность в физике. Энтропия
Мы упоминали выше о термодинамике. Эта область физики дает нам настолько интересную иллюстрацию плодотворного применения математического понятия вероятности, что уместно сказать об этом подробнее.
Как известно, энергия существует в различных видах: механическая энергия, электрическая, магнитная, химическая, тепловая и т. д. Многочисленные физические процессы сопровождаются превращениями энергии из одного вида в другой, причем, согласно первому началу термодинамики, энергия не возникает и не исчезает. Однако, хотя количество энергии всегда сохраняется, в некоторых процессах происходит, как говорят, «обесценение» энергии. Это значит, что уменьшаются возможности дальнейшего преобразования энергии в другие виды. В этом отношении особую роль играет тепловая энергия.
Тепловая энергия представляет собой кинетическую энергию движения молекул вещества или же элементарных частиц. Собственно, о теплов-ой энергии можно говорить только в тех случаях, когда мы имеем дело с макроскопическим телом, состоящим из -очень большого числа движущихся молекул, скорости которых распределены по некоторому закону. Для малого числа молекул, и тем более для одной молекулы, следует говорить не о тепловой, а о кинетической энергии.
Особая роль тепловой энергии в процессах преобразования энергии из одного вида в другой заключается в том, что тепловая энергия тела не может быть целиком превращена в механическую работу или в другой вид энергии без того, чтобы этому процессу не сопутствовали какие-то другие процессы, приводящие в конечном итоге к превращению в тепло некоторых количеств других видов энергии. Второе начало термодинамики, сформулированное на основании практики и результатов эксперимента, утверждает именно это: «Невозможен процесс, един-
ственным результатом которого явилось бы превраще-
62
ние тепла в работу». Однако возможны процессы, единственным результатом которых является переход в тепло других видов энергии (трение, нагревание провода электрическим током и т. д.).
Преобразование тепла в работу возможно, например, при использовании изменений состояний газа. Нагревая газ, заключенный в цилиндре машины, мы заставляем его расширяться, перемещать поршень и поднимать груз. Тепло при этом отбирается у некоторого нагретого тела (котла). Чтобы продолжить этот процесс, необходимо вернуть поршень в исходное положение, т. е. охладить газ, а это значит, что часть тепловой энергии газа должна быть передана холодильнику. Таким образом, завершив цикл, мы отняли у горячего источника тепла некоторое количество тепловой энергии Qi, часть ее превратили в работу Л, а другую часть Q2 отдали холодильнику в виде тепловой энергии. При этом Qi— A + Q2 (все величины измерены в калориях). Коэффициент полезного действия машины ц оказывается меньше единицы, так как часть энергии не перешла в работу,
с5-19'
Последнее, однако, не означает, что в данном случае тепло Q2 безвозвратно потеряно. Можно осуществить обратный процесс, сообщив тепловой машине механическую энергию, т. е. совершив за счет посторонних источников работу А и заставив машину работать как холодильник. При этом не только работа А полностью превратится в тепло и будет передана горячему котлу, но, кроме этого, количество тепла Q2 будет отнято у холодильника, который при этом еще сильнее охладится, и передано также котлу, который еще более нагреется. Цикл работы холодильной машины полностью восстанавливает -исходное состояние, с которого начала свой цикл тепловая машина. Таким образом, превращение тепла в работу тепловой машиной является процессом обратимым. Это значит, что с помощью процесса, обратного данному, можно вернуть систему в первоначальное состояние, не внося при этом никаких изменений в окружающие тела.
Однако обратимый процесс является лишь теоретической идеализацией реальных процессов. Для того чтобы приблизиться к осуществлению обратимого процесса, нужно исключить трение, теплопроводность и производить все изменения в газе чрезвычайно медленно, не нарушая его
63
равновесного состояния. В действительности при превращении тепла в работу, кроме тепла Q2> бесполезно рассеивается еще некоторое количество тепла за счет трения и теплопроводности. Это рассеяние не сопровождается превращением в работу соответствующей части тепла, и, следовательно, для того чтобы вернуть систему в исходное состояние, необходимо почерпнуть дополнительную работу откуда-то извне. Процесс с участием треиия оказывается необратимым.
Принципиально важно то, что коэффициент полезного действия (к. п. д.) идеальной тепловой машины, осуществляющей обратимый процесс превращения тепла в работу, не зависит от свойств газа («рабочего тела») и определяется только температурами котла Т\ и холодильника Т2
Если котел и холодильник имеют одинаковую температуру, то к. и. д. равен нулю, т. е. невозможно никакую часть тепла превратить в работу. Всякое выравнивание температур котла и холодильника ведет к понижению к. п. д. машины, т. е. к уменьшению той части тепла котла, которая может быть превращена в работу. Отсюда ясен смысл утверждения, что теплопроводность «обесценивает» тепловую энергию.
