Глава II. ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ

§ 12. О ЗАКОНЕ СОХРАНЕНИЯ И ПРЕВРАЩЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Первое начало термодинамики — это частный случай закона сохранения и превращения энергии в применении к системам, в которых существенную роль играет тепловое движение. Энергия является одной из мер движения, всегда присущего в тех или иных формах всем материальным объектам. Существуют механическая, внутренняя (тепловая), электромагнитная, ядерная и другие формы движения материи, которым присущи соответствующие виды энергии. Закон сохранения и превращения энергии выражает неуничтожимость и несотворимость движения вообще и, следовательно, подтверждает основное положение диалектического материализма о первичности материи и неуничтожимости основного ее атрибута — движения.

На существование законов сохранения материи и движения указывал еще М. В. Ломоносов (XVIII в.). Двести с лишним лет тому назад в письме к Л. Эйлеру гениальный ученый писал: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте... Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения...» Окончательное же установление закона сохранения энергии связано с деятельностью таких крупных ученых середины прошлого века, как Д. Джоуля (Англия), Р. Майера (Германия) и Э. X. Ленца (Россия).

Если изолированная система имеет составляющих энергии, то для нее справедлив закон сохранения:

где составляющая энергии.

Дифференцируя (12.1), получим:

( изменение составляющей энергии). Формулами (12.1) и (12.2) в наиболее общей форме выражается закон сохранения и превращения энергии, согласно первой из них сумма всех видов энергии изолированной системы есть величина постоянная, согласно второй алгебраическая сумма изменений всех видов энергий изолированной системы равна нулю.

Закон сохранения имеет количественную и качественную стороны. Количественная сторона этого закона отображается обоими написанными выше уравнениями. Качественная же его сторона заключается в том, что взаимная превращаемость различных видов энергии отображает внутреннее неотъемлемое свойство материальных объектов. Это качество материи проявлять себя в вечных изменениях следующим образом охарактеризовано Ф. Энгельсом: «Движение, которое потеряло способность превращаться в свойственные ему различные формы, хотя и обладает еще dynamis (возможностью), но не обладает уже energeia (действительностью) и, таким образом, частично уничтожено» 1. Таким образом, движение неуничтожаемо не только в отношении количества, но и в отношении качества — его способности превращения в другие виды.

Из диалектико-материалистической трактовки закона сохранения, данного Энгельсом, следует, что понятие термодинамического равновесия может быть только приближенной характеристикой систем. Постулат термодинамики о выравнивании температуры и установлении термодинамического равновесия в изолированных системах хотя и отражает поведение изолированных систем ограниченных масштабов, но согласно диалектическому материализму не является абсолютным и всеобщим.

Понятие термодинамического равновесия, как и понятие механического равновесия, следует считать полезной абстракцией, позволяющей выявить некоторые общие свойства термодинамических систем. В то же время сводить все содержание термодинамики к изучению равновесных систем нельзя. И если в настоящее время в термодинамике наибольшие результаты достигнуты в описании свойств равновесных систем, то это объясняется прежде всего тем, что эта наука довольно молодая (ее основные принципы сложились немногим более ста лет назад) и в ней только начинают складываться методы изучения динамики процессов, протекающих с конечными скоростями (термодинамики неравновесных процессов). Именно поэтому термодинамику равновесных процессов иногда называют термостатикой, так как она во многом сходна с первым разделом механики — статикой.