2. Два начала термодинамики; энтропия и негэнтропия

A. Сохранение энергии.

B. Принцип Карно. По Кельвину этот принцип означает деградацию энергии.

Энергия высокого качества (high grade) — это механическая и электрическая энергия.

Энергия среднего качества — это химическая энергия.

Энергия низкого качества — это тепло.

Общее количество энергии остается неизменным в замкнутой изолированной системе. Преобразования или химические реакции внутри системы не изменяют качества энергии при обратимых преобразованиях. Необратимые преобразования понижают качество.

Качество энергии может быть точно определено через отрицательную энтропию (-S). Согласно второму началу энтропия всегда возрастает, или по крайней мере остается неизменной, так что отрицательная энтропия всегда убывает.

Определение энтропии

Если система получает количество тепла , то это соответствует увеличению энтропии системы на

Т — абсолютная температура (по Кельвину). В градусах Цельсия

Несколько типичных случаев послужат примерами. Рассмотрим две соприкасающиеся системы А и В, могущие обмениваться работой и теплом. Будем считать, что система АВ изолирована от своего окружения. Некоторое преобразование приводит к следующим условиям:

Полная энергия системы АВ остается неизменной.

Примеры необратимых преобразований

Поток тепла от горячего тела к холодному:

Работа не совершается: .

Переданное тепло:

Общая энтропия возросла.

Трение, вязкое демпфирование: — однородная температура. Работа совершается телом А, тепло выделяется в В:

Общая энтропия возросла.

Полная энергия, содержащаяся в системе, может быть определена, если мы знаем построение системы из ее составных частей (энергия которых предполагается известной) и если мы учтем совершенную при построении работу и выделившееся тепло. Полная энергия U есть функция всех физических и химических параметров, определяющих систему.

Если система может быть построена путем последовательных обратимых преобразований, то полная энтропия S системы определяется как

т. е. как сумма энтропий, связанных с каждым обратимым шагом преобразования.

Негэнтропия представляет качество энергии, и должна всегда убывать. В этом состоит смысл кельвинова принципа деградации энергии, и неудивительно, что важность негэнтропии была признана близким другом Кельвина, который писал:

«Весьма желательно иметь слово, выражающее способность тепла, запасенного в некотором складе, произвести работу; термин для возможности, утеря которой называется рассеянием. К сожалению, превосходное слово энтропия, которое Клаузиус ввел в связи с этим, было им применено в отрицательном смысле по отношению к понятию, которое нам естественно хочется выразить. Но мы лишь смутили бы учащегося, если бы попытались выдумать новый термин для этой цели. Вместе с тем надобность в такого рода термине

будет очевидна из прекрасных примеров, следующих ниже».

Изолированная система обладает негэнтропией, если она обнаруживает возможность совершения механической или электрической работы: если система не имеет однородной температуры, а состоит из различных частей с различными температурами, она содержит некоторое количество негэнтропии. Негэнтропия может быть использована для получения некоторой механической работы, совершаемой системой, или она может быть просто рассеяна и потеряна вследствие теплопроводности.

Разность давлений в различных частях системы является другим случаем негэнтропии. Разность электрических потенциалов представляет еще один пример. Сосуд со сжатым воздухом в комнате при атмосферном давлении, откачанный сосуд в такой же комнате, заряженная батарея, любое устройство, которое может производить энергию высокого качества (механическую работу) или деградировать в результате какого-либо необратимого процесса (теплопроводность, электрическое сопротивление, трение, вязкость), есть источник негэнтропии.

Важность рассмотрения отрицательной энтропии была подчеркнута Шредингером в его интереснейшей книге «Что такое жизнь». Если живой организм нуждается в пище, то лишь из-за негэнтропии, которую он может получить из пищи и которая необходима для восполнения потерь на совершенную механическую работу или вследствие процессов деградации в живом организме. Энергия, содержащаяся в пище, не имеет существенного значения, так как она сохраняется и никогда не теряется; важную роль играет именно негэнтропия.