В поисках связей между различными формами движения материи было выработано само понятие энергии. Энергия оп­ределяется как единая мера различных форм движения. Энер­гия проявляется во множестве различных форм. Переход энер­гии из одной формы в другую означает, что энергия в данной ее форме исчезает, превращается в энергию в иной форме. И вот тут-то кроется самое главное, что определяет энергию как фун­даментальное понятие естествознания.

Оказывается, что при любых процессах, происходящих в изолированной системе, пол­ная энергия системы не изменяется, то есть переход энергии из одной формы в другую происходит с соблюдением количе­ственной эквивалентности. Для количественной характеристи­ки различных форм движения вводятся соответствующие им виды энергии: механическая, внутренняя (тепловая)

, электро­магнитная, химическая, ядерная и т. д. Закон сохранения энергии — это закон, управляющий всеми явлениями природы; ис­ключений из него науке неизвестно. Для тепловых процессов этот закон утверждается первым началом термодинамики. Взяв оба начала термодинамики за исходные, Клаузиус получил выражение для КПД идеальной тепловой машины: КПД = (Тнагревателя – Т холодильника) / Т нагревателя = (Т1 –Т2)

/Т1                                                                                                                                                       и показал, что КПД любой тепловой машины должен быть меньше или равен КПД идеальной машины: КПД любой машины < (Т1 –Т2)/Т1 Это утверждение также является одной из формулировок II начала термодинамики.

Для идеальной машины Карно справедливо, что (Q 1-Q 2)/Q 1 = (T 1-Т2)/Т1. Отсюда получается равенство Q 1 /Т1 = Q 2/T 2 или Q 1 /Т1 - Q2/T 2= 0. Полученное выражение напоминает закон сохранения и привлекает внимание к величине Q /T . В 1865 году Клаузиус ввел новое понятие — «энтропия» от греческого «поворот», «превращение»). Клаузиус посчитал, что существует некоторая величина S , которая, подобно энер­гии, давлению, температуре, характеризует состояние газа.

Когда к газу подводится некоторое количество теплоты Q , то энергия S возрастает на величину, равную S = Q /T В предыдущей главе говорилось о том, что в течение дли­тельного времени ученые не делали различий между такими понятиями, как температура и теплота. Однако ряд явлений указывал на то, что эти понятия следует различать. Поскольку, например, при таянии льда теплота расходуется, а температу­ра льда не изменяется в процессе плавления.

После введения Клаузиусом понятия энтропии стало понятно, где пролегает гра­ница четкого различения таких понятий, как теплота и темпе­ратура. Дело в том, что нельзя говорить о каком-то количестве теплоты, заключенном в теле. Это понятие не имеет смысла. Теплота может передаваться от тела к телу, переходить в ра­боту, возникать при трении, но при этом она не является сохра­няющейся величиной.

Поэтому теплота определяется в физи­ке не как вид энергии, а как мера изменения энергии. В то же время введенная Клаузиусом энтропия оказалась величиной, сохраняющейся в обратимых процессах. Это означает, что эн­тропия системы может рассматриваться как функция состоя­ния системы, ибо изменение ее не зависит от вида процесса, а определяется только начальным и конечным состоянием сис­темы.

В идеальном цикле Карно энтропия сохраняется. Преобразование выражения для КПД с учетом понятия энтропии в случае обратимых процессов приводит к выраже­нию: S = 0, т. е. S = const — энтропия изолированной сис­темы в случае обратимых процессов постоянна. При необратимых процессах получаем закон возраста­ния энтропии: S  > 0 Тот факт, что энтропия изолированной системы не может убывать, а только возрастает и достигает максимального зна­чения в равновесном состоянии, является отражением того, что в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении — в направлении передачи тепла толь­ко от более горячих тел менее горячили Это выражает вто­рое начало термодинамики.

Принцип возрастании энтропии со­ставляет сущность 2-го начала термодинамики. 2-е начало термо­динамики в общем-то хорошо известно и понятно каждому человеку, ибо с ним каждый из нас сталкивается буквально на каждом шагу. Не удивительно потому, что II начало термоди­намики было установлено даже раньше 1-го начала термодина­мики. Правда, первоначальная формулировка его еще не со­держала понятия энтропии.

Существует точка зрения, что первая формулировка II закона термодинамики принадлежит Жану-Батисту Жозефу Фурье, префекту Изера, которому в 1811 году была присуждена премия Французской Академии наук за математическую теорию распространения тепла. Фурье сфор­мулировал закон теплопроводности, согласно которому количе­ство теплоты, которое переносится в единицу времени через единицу площади поверхности вдоль какого-либо направления, прямо пропорционально величине изменения температуры вдоль этого направления.

Причем, что характерно, количество теп­лоты переносится от тел с большой температурой в направле­нии к телам с меньшей температурой. Теплопроводность при­водит к все большему выравниванию температур до тех пор, пока распределение температуры во всех точках пространства рассматриваемой изолированной системы станет одинаково. Фурье оказался первым, кто количественно описал явление, со­ставляющее элемент обыденного знания человека и в то же время немыслимое с точки зрения классической ньютоновс­кой механики, все законы которой являются обратимыми.

Не­мыслимое по той причине, что явление теплопроводности опи­сывает необратимые процессы. Существуют различные формулировки II начала термо­динамики. Все они являются эквивалентными. Приведем не­которые из них: 1. Невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход тепла от тела, менее на­гретого, к телу, более нагретому. 2.

В природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении — в направлении передачи тепла только от более горячих тел менее горячим. 3. КПД любой тепловой машины всегда меньше 100%, т. е. невозможен вечный двигатель («перпетуум мобиле») 2 рода (так как невозможно построить тепловую машину, работаю­щую не за счет перепада теплоты, а за счет теплоты одного нагревателя). 4.