КПД любой реальной тепловой машины всегда меньше КПД идеальной тепловой машины. 5. Энтропия изолированной системы при протекании нео­братимых процессов возрастает, ибо система, предоставлен­ная самой себе, переходит из менее вероятного состояния в более вероятное. Энтропия системы, находящейся в равновес­ном состоянии, максимальна и постоянна. ( S >0 ).

Третье начало термодинамики является частным случа­ем второго начала для случая Т= 0 и может быть сформулиро­вано как принцип недостижимости абсолютного нуля. В соот­ветствии с третьим законом термодинамики максимальный по­рядок устанавливается при температуре абсолютного нуля. Повышение температуры, т. е. добавление ненаправленной энергии в открытой системе нарушает порядок.

В основе термодинамики лежит различие между двумя типами процессов — обратимыми и необратимыми. Само по­нятие энтропии введено в физическую теорию как раз для того, чтобы отличать в случае изолированных систем обратимые процессы (энтропия максимальна и постоянна) от необрати­мых процессов (энтропия возрастает). Благодаря работам ве­ликого австрийского физика Людовика Больцмана это отличие было сведено с макроскопического уровня на микроскопичес­кий и отметило собой качественное изменение представлений о теплоте и температуре.

Развитие представлений о теплоте и температуре Состояние макроскопического тела (системы), заданное с помощью макропараметров (параметров, которые могут быть измерены макроприборами — давление, температура, объем и другие макроскопические величины, характеризующие сис­тему в целом) называют макросостоянием. Состояние макро­скопического тела, охарактеризованное настолько подробно, что оказываются заданными состояния всех образующих тело мо­лекул, называется микросостоянием.

Всякое макросостояние может быть осуществлено различными способами, каждому из которых соответствует некоторое микросостояние системы. Число различных микросостояний, соответствующих данному макросостоянию, называется статистическим весом W , или тер­модинамической вероятностью макросостояния. Попробуем ра­зобраться в этом. Область термодинамики, учитывающая теп­ловое движение молекул, составляющих тела, называется ста­тистической термодинамикой.

Мы знаем, что весь окружающий мир состоит из молекул и атомов. Поместим в некоторый сосуд с теплоизолированны­ми стенками некоторое количество газа, число молекул кото­рого равно N. Выделим какую-либо одну молекулу. Предполо­жим, что каким-либо образом мы можем ее пометить, ска­жем, окрасить в зеленый цвет. Если бы мы могли это сделать, то получили бы возможность отличать ее от других молекул и тем самым отследить ее поведение в данном объеме.

Наблю­дая за этой молекулой, мы очень скоро убедимся, что она мо­жет занимать любое положение в сосуде. Причем положение ее в любое мгновение оказывается случайным. Теперь разде­лим наш объем на две половины. Мы увидим, что наша моле­кула, беспорядочно блуждая, постоянно сталкиваясь с други­ми молекулами, пробудет в одной из половинок сосуда ровно половину времени, в течение которого мы за ней наблюдаем.

Для N молекул вероятность нахождения сразу всех молекул в одной половине объема сосуда (1/2)N ничтожно мала (в 29 грам­мах воздуха, например, содержится число молекул N , равное 6,023x 1023). Такое событие является маловероятным. Нам это и не кажется странным. Странным было бы, если бы в комна­те все молекулы воздуха вдруг в некоторый момент времени собрались бы в одной ее половине, а в другой половине оказа­лось бы безвоздушное пространство.

И если бы мы не успели или не догадались, что надо срочно перепрыгнуть в нужную половину комнаты, то умерли бы от кислородного голодания. Мы знаем, что такое событие, которое на строгом математи­ческом языке называется маловероятным, никогда не случа­ется. Вероятность же того, что все молекулы находятся во всем объеме данного сосуда, максимальна и равна единице.

Состо­яние это может реализовываться наибольшим числом спосо­бов, когда любая из молекул может находиться в любой точке пространства сосуда. В этом случае, статистический вес, т. е. число способов, которым может быть реализовано это состоя­ние, — максимальный. Пусть в некоторый момент времени нам удалось загнать все молекулы с помощью диафрагм (перего­родок) в правую верхнюю часть сосуда.

Остальной объем со­суда останется при этом пустым. Убрав диафрагмы, мы уви­дим, что молекулы заполнили весь объем сосуда, перешли из состояния с меньшей вероятностью в состояние с большей ве­роятностью. То есть процессы в системе идут только в одном направлении: от некоторой структуры (порядка, когда все мо­лекулы содержались в верхнем правом углу объема сосуда) к полной симметрии (

хаосу, беспорядку, когда молекулы могут занимать любые точки пространства сосуда). Больцман первым увидел связь между энтропией и вероят­ностью. При этом он понял, что энтропия должна выражаться через логарифмы вероятности. Ибо если мы рассмотрим, ска­жем, две подсистемы одной системы, каждая из которых ха­рактеризуется статистическим весом, соответственно W 1 и W 2, полный статистический вес системы равен произведению ста­тистических весов подсистем: W =W1 x W 2 в то время как энтропия системы S равна сумме энтропии подсистемы: S= S1+S2,  lnW= ln(W1 x W2)

= lnW1 + InW2 Больцман связал понятие энтропии S с InW . В1906 году Макс Планк написал формулу, выражающую основную мысль Больцмана об интерпретации энтропии как логарифма вероят­ности состояния системы: S =k lnW . Коэффициент пропорциональности k был рассчитан Планком и назван им постоянной Больцмана. Формула «S = k In W » выгравирована на памятнике Больцману в Вене.

Идея Больцмана о вероятности поведения отдельных молекул явилась развитием нового подхода при описании систем, со­стоящих из огромного числа частиц, впервые высказанного Максвеллом. Максвелл пришел к пониманию того, что в этих случаях физическая задача должна быть поставлена иначе, чем в механике Ньютона. Очевидно, что наш пример с мечеными молекулами сам по себе неосуществим, ибо в принципе невоз­можно проследить в течение значительного интервала време­ни за движением отдельной молекулы.