21. Второе начало термодинамики. Р. Клаузиус – понятие энтропии.

Необратимость тепловых процессов отражает специальный закон — второе начало
термодинамики, имеющий несколько эквивалентных (то есть вытекающих одна
из другой) формулировок. Одну из них мы уже привели: тепло не может самопроизвольно
перетекать от холодного тела к горячему. Другая формулировка — нельзя построить вечный
двигатель второго рода, который совершал бы полезную работу только за счет охлаждения
теплового резервуара — имеет большое общенаучное значение и требует обсуждения проблемы
преобразования теплоты в механическую работу.
Понятие энтропии, введенное в термодинамику Р. Клаузиусом, носило первоначально
искусственный характер. По определению Клаузиуса, энтропией называется такая физическая
величина, приращение которой _S равно количеству тепла _Q, полученному системой, деленному
на абсолютную температуру:
_S = _Q / T.
Покажем, что в приведенном выше примере с двумя телами, находящимися в тепловом контакте,
энтропия действительно не может убывать. Если тела имеют разные температуры Т1 и Т2, причем
Т1 > Т2, то изменение энтропии этой системы _S будет складываться из изменения энтропии
первого тела _S1 и изменения энтропии второго тела
_S2: _S=_S1 + _S2. Пусть первое тело, как более горячее,отдает второму небольшое количество
тепла _Q. Тогда
_S1 = –_Q/T1, _S2 = _Q/T2, _S = _Q(1/T2 – 1/T1) > 0. Таким образом, при перетекании тепла от
горячего тела к холодному энтропия системы действительно возрастает или же остается
постоянной (при Т1 = Т2).
Статистический (вероятностный) смысл понятия энтропии был вскрыт Л. Больцманом в 1872 г.

23. Проблемы необратимости, порядок и беспорядок в природе. Концепция «тепловой смерти» Вселенной.
Движение в природе - это непрерывная смена состояний, которая происходила, происходит и будет происходить вечно, в соответствии с законами классической механики. Ареной этих движений является бесконечная Вселенная, свойства которой в среднем одинаковы во всех направлениях. Эти фундаментальные атрибуты Вселенной - вечность, бесконечность, изотропность - как выяснилось впоследствии, тесно связаны с законами сохранения энергии, импульса и момента импульса (теорема Нетер).
Однако уже в XIX столетии стало ясно, что процессы во Вселенной развиваются необратимо, по сложным сценариям, которые никак не сводятся к обратимым движениям материальных точек по траекториям. В то время существовала одна единственная физическая теория, описывающая необратимое поведение объектов природы - статистическая термодинамика. Основные положения этой теории и были применены У.Томсоном и Р.Клаузиусом к Вселенной как к замкнутой системе, в результате чего появилась концепция "тепловой смерти" Вселенной. В соответствии с этим термодинамическим сценарием, современное состояние Вселенной является результатом гигантской флуктуации Вселенной, ее спонтанным, самопроизвольным "прыжком" в упорядоченное состояние, после чего началась медленная релаксация к хаотическому состоянию с максимальной энтропией, когда и вещество, и поле будут распределены в пространстве равномерно и прекратятся все процессы в природе. После этого возможны новые флуктуации, сопровождающиеся релаксацией к равновесию, и так до бесконечности.
Однако еще Ньютон обращал внимание, что вещество не может быть распределено с постоянной средней плотностью в сколь угодно большом объеме. Вот как он сам писал по этому поводу: "Если бы все вещество нашего Солнца и планет и все вещество Вселенной было равномерно рассеяно по всему небу и каждая частица обладала бы врожденным тяготением ко всему остальному и если бы все пространство, по которому было рассеяно это вещество, было бы тем не менее конечным, то все вещество на наружной стороне этого пространства благодаря своему тяготению стремилось бы ко всему веществу, находящемуся внутри пространства, и как следствие упало бы в середину полного пространства и образовало бы там одну большую сферическую массу. Однако если бы вещество было равномерно рассеяно по бесконечному пространству, оно никогда не собралось бы в одну массу; часть его могла бы собраться в одну массу, а часть - в другую, так что образовалось бы бесконечное число больших масс, разбросанных на больших расстояниях друг от друга по всему этому бесконечному пространству. Так могли образоваться Солнце и неподвижные звезды". Другими словами, вследствие гравитационной неустойчивости вещество с неизбежностью должно либо сжиматься как целое, либо разбиться на отдельные сгустки. С гравитационной неустойчивостью вещества связаны и несколько знаменитых парадоксов, иллюстрирующих невозможность стационарного равномерного распределения вещества в бесконечном пространстве.
Например, гравитационный парадокс Зелигера-Неймана констатирует, что если бы материя была распределена равномерно и изотропно в бесконечном пространстве, то один и тот же малый объем (рис. 9.1) можно было бы рассматривать и как находящийся в "центре" Вселенной (тогда результирующая гравитационная сила, действующая на него, была бы равна нулю), и как смещенный из "центра" Вселенной (и тогда на него должна была бы действовать сила тем большая, чем дальше от "центра" находится рассматриваемый объем). Эта неоднозначность указывает на неверную посылку в условии парадокса: материя не может быть равномерно распределена в бесконечном пространстве.

25. Антиномия дискретности и непрерывности в вопросе о структуре материи
С древнейших времен существовали два противоположных представления о структуре материального мира. Одно из них - континуальная концепция  Аристотеля - базировалось на идее непрерывности, внутренней однородности, "сплошности" и, по-видимому, было связано с непосредственными чувственными впечатлениями, которые производят вода, воздух, свет и т.п. Материю, согласно этой концепции, можно делить до бесконечности, и это является критерием ее непрерывности. Заполняя все пространство целиком, материя не оставляет пустоты внутри себя.
Другое представление - атомистическая (корпускулярная) концепция Левкиппа - Демокрита - было основано на дискретности пространственно-временного строения материи, "зернистости" реальных объектов и отражало уверенность человека в возможность деления материальных объектов на части лишь до определенного предела - до атомов1, которые в своем бесконечном разнообразии (по величине, форме, порядку) сочетаются различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира. При таком подходе необходимым условием движения и сочетания реальных атомов является существование пустого пространства. Таким образом, корпускулярный мир Левкиппа-Демокрита образован двумя фундаментальными началами - атомами и пустотой, а материя при этом обладает атомистической структурой. Атомы по представлению древних греков не возникают и не уничтожаются, их вечность проистекает из бесконечности времени.
Эти представления о структуре материи просуществовали фактически без существенных изменений до начала XX века, оставаясь двумя антиномиями, определяющими "поле битвы" крупнейших мыслителей. Триумф ньютоновской механики значительно укрепил позиции сторонников корпускулярной структуры материи. И хотя эмпирических доказательств "зернистости" газов, жидкостей, твердых тел, световых пучков в то время не существовало, сама идея считать эти объекты состоящими из взаимодействующих материальных точек была слишком привлекательной, чтобы ею не воспользоваться. Ведь тогда достаточно задать начальное состояние всех этих материальных точек и решить соответствующие уравнения движения, чтобы объяснить наблюдаемые в природе явления и предсказать их эволюцию (детерминизм Лапласа).
Надо признать, что корпускулярный подход оказался чрезвычайно плодотворным в различных областях естествознания. Прежде всего, это, конечно, относится к ньютоновской механике материальных точек. Очень эффективной оказалась и основанная на корпускулярных представлениях молекулярно-кинетическая теория вещества, в рамках которой были интерпретированы законы термодинамики.

27. Концепция близкодействия и материальные физические поля
Хотя теория поля, применяемая в механике сплошных сред, была основана на континуальном подходе к изучаемым объектам, она ни в коем случае не ставила под сомнение микроскопическую дискретность этих объектов. Как было сказано выше, континуальный подход в этом случае не имел онтологического статуса. Противоположный - корпускулярный - взгляд на структуру материи считался бесспорным вплоть до начала XIX века.
С корпускулярным подходом была тесно связана концепция дальнодействия, в соответствии с которой взаимодействие между телами (электрическое, магнитное, гравитационное) осуществляется мгновенно и непосредственно через пустое пространство, которое не принимает в этом никакого участия. Однако вопрос о том, каким образом каждое из взаимодействующих тел "информирует" другое о своем присутствии, смущал большинство ученых того времени, не исключая и самого Ньютона. А без ответа на этот вопрос все законы, основанные на концепции дальнодействия, не могли стать основой более глубокого понимания механизмов протекания взаимодействия.
В 30-е годы XIX века великий английский физик М. Фарадей выдвинул новый подход к природе электрических взаимодействий, который стали называть концепцией близкодействия. В соответствии с этой концепцией, тело А, имеющее заряд qА, создает в пространстве то, что Фарадей назвал электрическим полем. Другое тело В, также имеющее заряд qВ, "чувствует" это поле в том месте, где оно (тело В) находится. Это проявляется в том, что на тело В действует сила FВ = - (k qА qВ/r2) er, k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора единиц измерения, r - расстояние между телами А и В, er - единичный вектор в направлении от А к В1 . Тоже самое можно сказать и о заряженном теле А, на которое со стороны электрического поля, созданного телом В, действует сила FА = -FВ. Таким образом, введенное Фарадеем поле является как бы промежуточным звеном, "переносчиком" электрического взаимодействия. В отличии от полей, описывающих состояние объектов в механике сплошных сред, электрическое поле Фарадея обозначало новую материальную сущность, отличающуюся от вещества. Состояние такого электрического поля описывается вектором напряженности E (x, y, z), определенным в каждой точке непрерывного пространства и фактически представляющим собой силу, действующую на единичный положительный заряд, помещенный в эту точку пространства. Аналогичный подход привел Фарадея к еще одной физической реальности - магнитному полю, с помощью которого осуществляется магнитное воздействие между электрическими токами (движущимися зарядами). Очевидно, с точки зрения концепции близкодействия можно рассматривать и тяготение, предполагая существование особого гравитационного поля, являющегося "переносчиком" такого взаимодействия. И все же первоначально материальность гипотетических силовых полей вызвала сомнение, так как, во-первых, ничего нового в поведении заряженных тел концепция близкодействия не объясняла и не предсказывала, а, во-вторых, эта концепция лишала мир пустоты, так как электрическое поле могло существовать и в вакууме.