История и методология физики

Интерпретация второго начала термодинамики 
Критерий, 
определяющий 
возможность 
протекания 
обратимых 
(несамопроизвольных) процессов и одновременно отражающий одностороннюю 
направленность необратимых (самопроизвольных) процессов независимо от их 
конкретной природы устанавливает второй закон термодинамики. В соответствии со 
вторым законом состояние системы может быть описано специальной функцией 
состояния, называемой энтропией – S. Под энтропией понимают отношение теплоты, 
полученной в ходе обратимого процесса, протекающего при постоянной температуре, 
к температуре 
. 

---

Поскольку энтропия является функцией состояния, то ее величина не зависит от 
способа проведения обратимого процесса при фиксированности начального и 
конечного состояния:
ΔS =S
кон
 – S
нач
= 
. 
Эмпирически установленный закон природы гласит, что в обычных условиях 
тепло самопроизвольно переходит от более нагретого тела к менее нагретому. Из 
этого закона следует, что для любого превращения, протекающего самопроизвольно, 
должно выполняться уравнение:
(Q/T)
сист
+ (Q'/T)
среды
= Положительная величина. 
Это означает, что для изолированной системы с учетом всех происходящих в 
ней изменений справедливо выражение 
ΔS ≥ 0. 
Именно это выражение является критерием направленности процессов в 
изолированных системах. Если система находится в состоянии равновесия, то ее 
энтропия остается неизменной. В случае протекания в изолированной системе 
самопроизвольного процесса, энтропия системы увеличивается до максимального 
значения, которое будет достигнуто при окончании процесса и установлении 
термодинамического равновесия. 
Первый закон термодинамики утверждает, что энергия может переходить из 
одной формы в другую, не накладывая при этом ограничений на переход. Второй же 
закон вводит определенное ограничение, указывая, что не все формы энергии 
эквивалентны, поскольку возможность превращения одной формы энергии в другую 
зависит от соотношения между энтропиями соответствующих двух состояний. 
Установлено, что все существующие формы энергии имеют вполне определенные 
значения энтропии. Величина энтропии зависит от степени «неупорядоченности» 
данной формы энергии. 
Имеется несколько словесных формулировок второго закона термодинамики. 
1. К.п.д., большие чем в обратимом двигателе Карно, недостижимы; к.п.д. 
двигателя Карно является предельной величиной. 
2. Вечный двигатель второго рода, т.е. машина, которая изотермически 
превращала бы тепло в работу, невозможен. (Первый закон не запрещает такой 
процесс). 
3. Тепло не может самопроизвольно переходить от менее нагретых тел к 
более нагретым без затраты работы над системой. Этот принцип был 
сформулирован еще Клаузиусом, его постулаты позднее стали называть первым и 

---

вторым законом термодинамики. Вот эти постулаты: «Энергия мира не изменяется. 
Энтропия мира стремится к максимуму». 
Понимание природы второго закона термодинамики наступило не сразу. 
Вначале, что было естественно, его стали пытаться обосновать, как и первый закон, на 
основе чистой механики. Ранкин в 1865 г. и Больцман в 1866 г. пытались вывести 
второе начало из принципов механики и даже вели спор о приоритете в этих исследо-
ваниях. Максвелл первый понял статистическую природу второго начала. Он в 1877 
отмечал, что второе начало применимо только к системе, состоящей из большого 
числа молекул. Он исходил из того, что для определения состояний сложных 
материальных систем существуют два различных метода. По «строгому 
динамическому методу» можно проследить за каждой отдельной частицей на всем ее 
пути и строго пользоваться законами механики. Однако «применение этого метода к 
системам, состоящим из бол
ь
шого числа тел, исключено. Поэтому мы используем 
другой метод, который можно назвать статистическим на основе его аналогии с 
методами, применяемыми при рассмотрении флуктуации народонаселения». Осно-
вываясь на этих идеях, Максвелл считал, что невозможно «вывести второе начало 
термодинамики из динамических принципов…», и что «истинность второго начала» 
соответствует высокой вероятности, а не «абсолютной достоверности». Обсуждая 
смысл второго начала в книге «Теория теплоты», изданной в 1871 г., Максвелл 
привел парадоксальный пример. Он предложил вообразить себе некоторое 
миниатюрное существо, «способности которого настолько изощрены, что оно 
может следить за каждой молекулой на ее пути и в состоянии делать то, что в 
настоящее время для нас невозможно... Предположим, что имеется сосуд,