Относительность. Термодинамика и космология - Толмен Р.
Скачать (прямая ссылка):
формулировкой второго закона термодинамики, обобщающего вывод о
невозможности построить так называемый вечный двигатель второго рода.
Точно так же, формулировка второго постулата теории относительности,
обобщающая результаты измерений скорости света от движущихся источников,
§ 56. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
имеет нечто согцее с первым законом термодинамики, основанным на таких
опытах, как измерения механического эквивалента теплоты.
Экспериментальные основания специальной теории относительности, возможно,
не столь обширны, как в термодинамике. Кроме того, часто заключения,
вытекающие из теории относительности, получаются в результате сложной
цепочки рассуждений и выводов и введения каких-то дополнительных гипотез.
Тем не менее нет оснований опасаться, что сам процесс объе динения двух
теорий приведет к большей неопределенности, так что мы можем говорить со
значительной степенью уверенности об основных принципах релятивистской
термодинамики. Конечно, те приложения теорий, в которых приходится
принимать большое число дополнительных гипотез, требуют и большой
осторожности. Тем не менее в этом и заключается одна из главных задач
теоретической физики: не ограничиваться описанием сложными формулами уже
известных фактов, но проникать во все более новые, еще не исследованные
области, к которым еще только начинает обращаться человеческая
любознательность.
§ 56. Первый закон термодинамики и нулевая точка
отсчета энергии
В соответствии с идеями, которые лежат в основе термодинамики, энергия,
содержащаяся в системе, является определен ной функцией ее состояния и
может изменяться лишь с изменением состояния системы. Когда такие
изменения состояния происходят, то с точки зрения термодинамики важно
различать два разных типа процессов, которые изменяют содержание энергии,
именно - за счет теплового потока или в результате совершенной работы.
Различая эти две возможности, первый закон термодинамики выражает принцип
сохранения энергии в виде
А Е=0-А, (56. П
где Д?- увеличение энергии, сопровождающее некоторое определенное
изменение состояния системы, a Q и А - соответственно, приток тепла в
систему извне и работа, проделанная системой над внешними телами в
результате того определенного процесса, который привел к данному
изменению состояния. Это уравнение можно рассматривать как выражение
принципа сохранения энергии, поскольку оно исключает возможность
исчезновения или возникновения энергии внутри какой-либо области,
отождествляя изменение энергии в ней с потоком энергии через ее границу в
виде теплоты или работы.
9*
132
ГЛ. V. СПЕЦИАЛЬНАЯ ТЕОРИЯ И ТЕРМОДИНАМИКА
Специальная теория относительности никак не нарушает наших представлений
о сохранении и локализации энергии*), а также никак не влияет на наше
представление о возможности различать теплоту и работу. Следовательно,
при объединении термодинамики со специальной теорией относительности
первый закон, очевидно, можно оставить в виде (56.1).
Однако теория относительности существенно дополняет прежнюю формулировку,
вводя добавочное соотношение между энергией и массой, как об этом
говорилось в § 27 и § 29, г. Согласно этому новому соотношению увеличение
энергии системы АЕ можно выразить через приращение массы Ат:
АЕ = с2Ат, (56.2)
где с - скорость света.
Эта формула позволяет производить термодинамические вычисления в тех
случаях, когда об энергии системы можно судить лишь по изменениям массы.
Кроме того, хотя первый закон в виде (56.1) говорит лишь об относительном
изменении энергии и ничего не говорит о начале отсчета, обобщенное
релятивистское соотношение
Е=с2т. (56.3)
показывает, что разумно связать нулевую точку отсчета энергии с
отсутствием каких-либо масс в системе.
§ 57. Второй закон термодинамики и нулевая точка отсчета энтропии
Кроме энергии Е в термодинамике вводится еще одна функция состояния
системы - ее энтропия 5. При этом, подобно тому как перый закон
термодинамики связывает с поглощаемой теплотой и с совершаемой работой
изменение энергии системы, которое происходит при некотором
процессе, изменяющем состояние системы, второй закон
термодинамики связывает изме-
нение энтропии системы с характером процесса, который привел к изменению
состояния.
Чтобы дать определение энтропии и сформулировать второй закон, надо
начать с разделения процессов на необратимые и обратимые. Первые
протекают так, что после изменения состояния системы не представляется
возможным ни систему, ни окружающую ее среду вернуть к их первоначальным
состояниям (реальные процессы всегда бывают необратимыми). Обратимые
процессы - процессы идеализированные (они отвечают
*) Именно релятивистская связь массы с энергией подкрепляет наше
ППР А гтяя npwur" П ППК-Я TIUQiHTWU 5>НРПГТ-Ти
§ 57. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
133
предельному случаю реальных процессов, когда эффективность реальных
процессов возрастает), которые отличаются тем свойством, что и систему и
окружающую среду можно возвратить к их первоначальным состояниям.
