Проблема белка. Том 2: Пространственное строения белка - Попов Е.М.
ISBN 5-02-001697-7
Скачать (прямая ссылка):
Основу равновесной феноменологической термодинамики составляют несколько, на первый взгляд, предельно простых утверждений.
434
называемых началами или законами термодинамики. Обычно принято выделять четыре начала, которые, согласно А. Зоммерфельду, кратко формулируются следующим образом [317]:
1. температура является функцией состояния (нулевое начало);
2. закон сохранения энергии (первое начало);
3. энтропия и энергия (второе начало);
4. тепловая теорема Нернста (третье начало).
Второе начало термодинамики было впервые сформулировано в 1850 г. Р. Клаузиусом в виде следующего принципа: ’’Теплота не может переходить сама собой (позднее Клаузиус заменил последние слова на выражение ’’без компенсации”) от более холодного тела к более нагретому”. Энтропию (S) как функцию состояния Клаузиус ввел в 1865 г. при рассмотрении кругового обратимого процесса типа цикла Карно и поиске соотношения между имеющими место двумя превращениями тепла. Одно из них— переход тепла в работу, другое — переход тепла более высокой температуры в тепло более низкой температуры. Прийдя к выводу об увеличении энтропии изолированной системы при протекании в ней самопроизвольных процессов, Клаузиус обобщил второе начало термодинамики до вселенского закона, который сформулировал так: ’’Энтропия Вселенной стремится к максимуму”. Из этого заключения следует, что эволюция Вселенной направлена к установлению равновесного состояния с максимальным значением энтропии и dS = 0.
Р. Клаузиус, как и другие создатели термодинамики, считал равновесную термодинамику началом и концом термодинамического подхода к объяснению природных явлений, т.е. наукой, в принципе доведенной до окончательного завершения. Такая точка зрения подтверждалась логической стройностью равновесной термодинамики, основанной на нескольких аксиомах, не знающих противоречий с физическим экспериментом и теоретически полностью обоснованной статистической физикой. Вплоть до середины XX столетия не возникало сомнения в том, что статистическая термодинамика полностью исчерпывает содержание и определяет возможности термодинамического подхода. Многие выдающиеся физики и физико-химики, в частности В. Нернст, не подозревали, что равновесная термодинамика окажется всего лиш% элементарным введением к термодинамике будущего.
История естествознания, особенно последних десятилетий, показала, что самый высокий потенциал развития скрывался как раз во втором начале термодинамики, в этом важнейшем достижении физики
XIX века, а также в теории флуктуаций, которые практически не принимались во внимание равновесной термодинамикой. ”В истории науки, — говорил И. Пригожин в своей Нобелевской лекции (1977 г.),— второй закон термодинамики сыграл выдающуюся роль, далеко выходящую за рамки явлений, для объяснения сущности которых он был предназначен. Достаточно упомянуть работы Больцмана в области кинетической теории, разработку Планком квантовой теории излучения и Эйнштейном теории спонтанной эмиссии: в основе всех этих достижений лежит второй закон термодинамики”.
435
В следующем разделе будет показано, какое богатейшее, качественно новое содержание открыл во втором начале сам Пригожин при разработке основ неравновесной термодинамики. Но и до этого формулировка второго начала, нахождение строгих и экспериментально проверяемых критериев неравновесного состояния и направленности неравновесных, самопроизвольных процессов и установление пределов их протекания открыли перед физикой принципиально новые возможности в описании картины окружающего мира. Приобретением своего дополнительного качества физика обязана введенному посредством второго начала термодинамики (закона возрастания энтропии) понятию о времени, но не просто о времени как таковом, а об ориентированном времени, или, по образному выражению А. Эддингтона, о ’’стреле времени”.
В чем же здесь дело, ведь время и раньше входило во все уравнения динамики и являлось предметом особого рассмотрения в теории относительности? Это действительно так, однако в динамическом описании Системы, как в классическом, так и в квантовом, время играет ограниченную роль, поскольку и уравнение Гамильтона, и уравнение Шредингера инвариантны относительно обращения времени t в Динамика Галилея и Ньютона, как и квантовая механика, не знают различий между прошлым и будущим, не знают эволюции физического мира; в их описании мир — это набор траекторий. И. Пригожин по этому поводу замечает: ”...из всех изменений, происходящих в природе, классическая физика выделяет только движение. Все, что дает классическая физика, сводится к утверждению: изменение есть не что иное, как отрицание возникновения нового, и время есть всего лишь параметр, не затрагиваемый преобразованием, которое он описывает. Образ устойчивого мира — мира, избегающего процесса возникновения, вплоть до нашего времени оставался идеалом теоретической физики. Динамика И. Ньютона, дополненная его великими последователями П. Лапласом, Ж. Лагранжем и сэром У. Гамильтоном, представляла собой замкнутую универсальную систему, способную дать ответ на любой поставленный вопрос. Любой вопрос, на который динамика не могла дать ответ, отвергался как псевдопроблема почти по определению” [318. С. 41].
