Ãëàâà II. ÏÅÐÂÎÅ ÍÀ×ÀËÎ ÒÅÐÌÎÄÈÍÀÌÈÊÈ
§ 12. Î ÇÀÊÎÍÅ ÑÎÕÐÀÍÅÍÈß È ÏÐÅÂÐÀÙÅÍÈß ÝÍÅÐÃÈÈ
Ïåðâîå íà÷àëî òåðìîäèíàìèêè — ýòî ÷àñòíûé ñëó÷àé çàêîíà ñîõðàíåíèÿ è ïðåâðàùåíèÿ ýíåðãèè â ïðèìåíåíèè ê ñèñòåìàì, â êîòîðûõ ñóùåñòâåííóþ ðîëü èãðàåò òåïëîâîå äâèæåíèå. Ýíåðãèÿ ÿâëÿåòñÿ îäíîé èç ìåð äâèæåíèÿ, âñåãäà ïðèñóùåãî â òåõ èëè èíûõ ôîðìàõ âñåì ìàòåðèàëüíûì îáúåêòàì. Ñóùåñòâóþò ìåõàíè÷åñêàÿ, âíóòðåííÿÿ (òåïëîâàÿ), ýëåêòðîìàãíèòíàÿ, ÿäåðíàÿ è äðóãèå ôîðìû äâèæåíèÿ ìàòåðèè, êîòîðûì ïðèñóùè ñîîòâåòñòâóþùèå âèäû ýíåðãèè. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ è ïðåâðàùåíèÿ ýíåðãèè âûðàæàåò íåóíè÷òîæèìîñòü è íåñîòâîðèìîñòü äâèæåíèÿ âîîáùå è, ñëåäîâàòåëüíî, ïîäòâåðæäàåò îñíîâíîå ïîëîæåíèå äèàëåêòè÷åñêîãî ìàòåðèàëèçìà î ïåðâè÷íîñòè ìàòåðèè è íåóíè÷òîæèìîñòè îñíîâíîãî åå àòðèáóòà — äâèæåíèÿ.
Íà ñóùåñòâîâàíèå çàêîíîâ ñîõðàíåíèÿ ìàòåðèè è äâèæåíèÿ óêàçûâàë åùå Ì. Â. Ëîìîíîñîâ (XVIII â.). Äâåñòè ñ ëèøíèì ëåò òîìó íàçàä â ïèñüìå ê Ë. Ýéëåðó ãåíèàëüíûé ó÷åíûé ïèñàë: «Âñå ïåðåìåíû, â íàòóðå ñëó÷àþùèåñÿ, òàêîãî ñóòü ñîñòîÿíèÿ, ÷òî ñêîëüêî ÷åãî ó îäíîãî òåëà îòíèìåòñÿ, ñòîëüêî ïðèñîâîêóïèòñÿ ê äðóãîìó. Òàê, åæåëè ãäå óáóäåò íåñêîëüêî ìàòåðèè, òî óìíîæèòñÿ â äðóãîì ìåñòå... Ñåé âñåîáùèé åñòåñòâåííûé çàêîí ïðîñòèðàåòñÿ è â ñàìûå ïðàâèëà äâèæåíèÿ...» Îêîí÷àòåëüíîå æå óñòàíîâëåíèå çàêîíà ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè ñâÿçàíî ñ äåÿòåëüíîñòüþ òàêèõ êðóïíûõ ó÷åíûõ ñåðåäèíû ïðîøëîãî âåêà, êàê Ä. Äæîóëÿ (Àíãëèÿ), Ð. Ìàéåðà (Ãåðìàíèÿ) è Ý. X. Ëåíöà (Ðîññèÿ).
Åñëè èçîëèðîâàííàÿ ñèñòåìà èìååò
ñîñòàâëÿþùèõ ýíåðãèè, òî äëÿ íåå ñïðàâåäëèâ çàêîí ñîõðàíåíèÿ:
ãäå
ñîñòàâëÿþùàÿ ýíåðãèè.
Äèôôåðåíöèðóÿ (12.1), ïîëó÷èì:
(
èçìåíåíèå
ñîñòàâëÿþùåé ýíåðãèè). Ôîðìóëàìè (12.1) è (12.2) â íàèáîëåå îáùåé ôîðìå âûðàæàåòñÿ çàêîí ñîõðàíåíèÿ è ïðåâðàùåíèÿ ýíåðãèè, ñîãëàñíî ïåðâîé èç íèõ ñóììà âñåõ âèäîâ ýíåðãèè èçîëèðîâàííîé ñèñòåìû åñòü âåëè÷èíà ïîñòîÿííàÿ, ñîãëàñíî âòîðîé àëãåáðàè÷åñêàÿ ñóììà èçìåíåíèé âñåõ âèäîâ ýíåðãèé èçîëèðîâàííîé ñèñòåìû ðàâíà íóëþ.
Çàêîí ñîõðàíåíèÿ èìååò êîëè÷åñòâåííóþ è êà÷åñòâåííóþ ñòîðîíû. Êîëè÷åñòâåííàÿ ñòîðîíà ýòîãî çàêîíà îòîáðàæàåòñÿ îáîèìè íàïèñàííûìè âûøå óðàâíåíèÿìè. Êà÷åñòâåííàÿ æå åãî ñòîðîíà çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî âçàèìíàÿ ïðåâðàùàåìîñòü ðàçëè÷íûõ âèäîâ ýíåðãèè îòîáðàæàåò âíóòðåííåå íåîòúåìëåìîå ñâîéñòâî ìàòåðèàëüíûõ îáúåêòîâ. Ýòî êà÷åñòâî ìàòåðèè ïðîÿâëÿòü ñåáÿ â âå÷íûõ èçìåíåíèÿõ ñëåäóþùèì îáðàçîì îõàðàêòåðèçîâàíî Ô. Ýíãåëüñîì: «Äâèæåíèå, êîòîðîå ïîòåðÿëî ñïîñîáíîñòü ïðåâðàùàòüñÿ â ñâîéñòâåííûå åìó ðàçëè÷íûå ôîðìû, õîòÿ è îáëàäàåò åùå dynamis (âîçìîæíîñòüþ), íî íå îáëàäàåò óæå energeia (äåéñòâèòåëüíîñòüþ) è, òàêèì îáðàçîì, ÷àñòè÷íî óíè÷òîæåíî» 1. Òàêèì îáðàçîì, äâèæåíèå íåóíè÷òîæàåìî íå òîëüêî â îòíîøåíèè êîëè÷åñòâà, íî è â îòíîøåíèè êà÷åñòâà — åãî ñïîñîáíîñòè ïðåâðàùåíèÿ â äðóãèå âèäû.
Èç äèàëåêòèêî-ìàòåðèàëèñòè÷åñêîé òðàêòîâêè çàêîíà ñîõðàíåíèÿ, äàííîãî Ýíãåëüñîì, ñëåäóåò, ÷òî ïîíÿòèå òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ ìîæåò áûòü òîëüêî ïðèáëèæåííîé õàðàêòåðèñòèêîé ñèñòåì. Ïîñòóëàò òåðìîäèíàìèêè î âûðàâíèâàíèè òåìïåðàòóðû è óñòàíîâëåíèè òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ â èçîëèðîâàííûõ ñèñòåìàõ õîòÿ è îòðàæàåò ïîâåäåíèå èçîëèðîâàííûõ ñèñòåì îãðàíè÷åííûõ ìàñøòàáîâ, íî ñîãëàñíî äèàëåêòè÷åñêîìó ìàòåðèàëèçìó íå ÿâëÿåòñÿ àáñîëþòíûì è âñåîáùèì.
Ïîíÿòèå òåðìîäèíàìè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ, êàê è ïîíÿòèå ìåõàíè÷åñêîãî ðàâíîâåñèÿ, ñëåäóåò ñ÷èòàòü ïîëåçíîé àáñòðàêöèåé, ïîçâîëÿþùåé âûÿâèòü íåêîòîðûå îáùèå ñâîéñòâà òåðìîäèíàìè÷åñêèõ ñèñòåì.  òî æå âðåìÿ ñâîäèòü âñå ñîäåðæàíèå òåðìîäèíàìèêè ê èçó÷åíèþ ðàâíîâåñíûõ ñèñòåì íåëüçÿ. È åñëè â íàñòîÿùåå âðåìÿ â òåðìîäèíàìèêå íàèáîëüøèå ðåçóëüòàòû äîñòèãíóòû â îïèñàíèè ñâîéñòâ ðàâíîâåñíûõ ñèñòåì, òî ýòî îáúÿñíÿåòñÿ ïðåæäå âñåãî òåì, ÷òî ýòà íàóêà äîâîëüíî ìîëîäàÿ (åå îñíîâíûå ïðèíöèïû ñëîæèëèñü íåìíîãèì áîëåå ñòà ëåò íàçàä) è â íåé òîëüêî íà÷èíàþò ñêëàäûâàòüñÿ ìåòîäû èçó÷åíèÿ äèíàìèêè ïðîöåññîâ, ïðîòåêàþùèõ ñ êîíå÷íûìè ñêîðîñòÿìè (òåðìîäèíàìèêè íåðàâíîâåñíûõ ïðîöåññîâ). Èìåííî ïîýòîìó òåðìîäèíàìèêó ðàâíîâåñíûõ ïðîöåññîâ èíîãäà íàçûâàþò òåðìîñòàòèêîé, òàê êàê îíà âî ìíîãîì ñõîäíà ñ ïåðâûì ðàçäåëîì ìåõàíèêè — ñòàòèêîé.