Сигнал о некоторых понятиях кибернетики - Полетаев И.А.
Скачать (прямая ссылка):
Приведенные выше утверждения справедливы не только для тепловой машины с рабочим телом в виде газа. То же самое справедливо, например, и для процессов непосредственного превращения тепла в энергию электрического тока. Можно практически осуществить приближение к идеальному обратимому процессу, используя термоэлектрический эффект (явление Зеебека) и явление Пельтье.
Явление Зеебека заключается в появлении электрического тока в замкнутой цепи, состоящей из двух последовательно включенных проводов различного материала, когда один спай нагревается, а другой охлаждается извне. При этом часть тепла, получаемая нагретым спаем, превращается в электрическую энергию и часть передается холодильнику.
Явление Пельтье заключается в самопроизвольном нагреве одного из спаев в цепи, подобной только что описанной, и в охлаждении другого спая при пропускании через цепь электрического тока от постороннего источника. Энергия электрического тока превращается при этом в
64
тепло, выделяющееся в нагретом спае, и, кроме того, некоторое количество тепла переносится от холодного спая к горячему. Последний факт часто вызывает утверждение, будто бы термоэлектрический холодильник «имеет коэффициент полезного действия больше единицы». Такое же утверждение можно было бы сделать, как мы видели, и относительно газовой холодильной машины. Однако, если мы попытаемся осуществить замкнутый обратимый процесс превращения электрической энергии в тепло (явление Пельтье), а затем обратное превращение полученного тепла в электрическую энергию (явление Зеебека), то даже в идеальном случае «выигрыш» оказался бы равным нулю, а к. п. д. — равным единице.
В реальном же эксперименте нагревание проводов за счет джоулева тепла вызовет понижение к. п. д. В этом случае, как и в любом другом, реализовать вполне обратимый процесс не удается.
Внутреннюю энергию тела можно разделить на две части: ту, которая может быть превращена в работу (свободная энергия), и ту, которая при этом неизбежно будет передана более холодному телу в виде тепла (связанная энергия). Физическая энтропия тела характеризует долю этой «бесполезной» энергии, которая не может быть превращена в работу. Энтропия является реальной величиной, которая может быть определена расчетом или измерением. При физических изменениях тела энтропия его меняется. Энтропия аддитивна: энтропия суммы нескольких тел равна сумме их энтропий. Размерность энтропии— калории/градус.
Приращение энтропии тела .при изменениях его физического состояния определяется суммой «приведенных теп-лот» dQ/T:
2
S,-S2 = ^. (3.21)
1
Самым существенным свойством энтропии является то, что в замкнутой системе, для которой невозможен обмен энергией с внешним миром, энтропия никогда не уменьшается. Она остается постоянной при обратимых процессах и повышается при необратимых.
Связанная энергия тела пропорциональна его энтропии. Таким образом, трение, теплопроводность, увеличивая долю связанной энергии, повышают энтропию системы.
Изменение энтропии является мерой «необратимости»
65
данного процесса или мерой «неполноценности» внутренней энергии данного тела. Второе начало термодинамики в формулировке Клаузиуса звучит так; «С течением времени энтропия всякой изолированной системы стремится к максимуму». Достигнув максимума энтропии, изолированная система пребывает в состоянии теплового равновесия.
Как мы уже упоминали, некоторыми особенностями в этом отношении обладают тела живой природы. Они самопроизвольно поддерживают свою энтропию неизменной за счет увеличения энтропии перевариваемых питательных веществ или за счет поглощения энергии извне (главным образом, солнечной радиации). Однако живые тела сами по себе не представляют собой изолированной системы, так как не могут существовать без взаимодействия со средой. Поэтому утверждение, будто бы «живые организмы не подчиняются второму началу термодинамики», является неверным. Поддержание энтропии некоторого тела постоянной за счет соответствующего увеличения энтропии окружающих тел вовсе не представляет собой чего-то исключительного и может быть воспроизведено. Особенностью живых тел является собственно лишь тот способ, которым они достигают этого непрерывно и «автоматически».
Свойство изолированных систем изменять свою энтропию только в одном направлении—в сторону увеличения— было блестяще объяснено Больтцманом на основе теории вероятностей. Сущность этого объяснения вкратце сводится к следующему: «Физические тела переходят от состояний менее вероятных к более вероятным».
Энтропия, так же как и температура, свойственна только телам макроскопическим, т. е. состоящим из очень большого числа молекул. Для одной молекулы энтропии не существует. Расположение и движение молекул газа в объеме могут быть самыми разнообразными. Большое число соударений с другими молекулами делает координаты и скорости молекул случайными величинами, которые имеют некоторые распределения вероятностей. Число молекул чрезвычайно велико: в кубике с ребром 4 микрона при атмосферном давлении содержится больше молекул, чем имеется людей на земном шаре. Понятие «массовое явление» как нельзя более подходит к газовому состоянию.
