Едва ли найдётся другая научная теория, столь простая по своим основным идеям и столь универсальная по охвату разнообразных природных явлений и процессов, как термодинамика. Она объясняет плавление льда, кипение воды, образование мыльных пузырей, переход металлов в сверхпроводящее состояние, принцип работы тепловых двигателей и гальванических элементов. Её законы
имеют отношение к возникновению жизни на Земле и эволюции звёзд. Альберт Эйнштейн считал термодинамику единственной общей физической теорией и полагал, что в рамках основных постулатов она никогда не будет опровергнута.
Термодинамика изучает процессы взаимного превращения разных видов энергии, и прежде всего тепловые явления. Именно при изучении теп-
лообмена было впервые обнаружено такое фундаментальное свойство природных процессов, как необратимость: самопроизвольно они протекают только в одном направлении.
Чайник с горячей водой постепенно остывает до комнатной температуры, а вот самопроизвольный разогрев воды за счёт охлаждения окружающего воздуха никогда не происходит. Капля чернил расплывается в стакане с водой. Но растворённые чернила сами собой никогда снова не соберутся в каплю. Наконец, необратимость — это свойство и человеческой жизни, которая также всегда течёт лишь в одном направлении.
Конечно, многие процессы можно заставить идти вспять: например, разложить воду на водород и кислород, пропуская электрический ток, или перенести теплоту от холодного тела к горячему (с помощью холодильника). Однако для этого необходимо затратить энергию.
Один из важных разделов термодинамики — химическая термодинамика, которая даёт однозначный ответ на вопрос о возможности протекания той или иной реакции. Как самостоятельная область знания она начала формироваться во второй половине XIX в.
Термодинамика базируется на нескольких фундаментальных законах (или началах), являющихся всеобщи-
ми законами природы. Основные из них — первый и второй законы термодинамики. Первый закон термодинамики — это закон сохранения энергии применительно к процессам, связанным с взаимными превращениями теплоты и работы (см. статью «Тепло химических реакций»). Второй закон термодинамики устанавливает критерий, позволяющий предсказать, может ли процесс, например химическая реакция, идти самопроизвольно.
САМОПРОИЗВОЛЬНЫЕ
И НЕСАМОПРОИЗВОЛЬНЫЕ
ПРОЦЕССЫ
Марселен Бертло и датский химик Ханс Петер Юрген Юлиус Томсен (1826—1909) предположили, что самопроизвольно могут протекать только экзотермические (сопровождающиеся выделением теплоты) реакции. Действительно, как показывает опыт, такие реакции обычно идут самопроизвольно. Однако критерий Бертло—Томсена оказался неверным, поскольку впоследствии стали известны и самопроизвольные эндотермические (протекающие с поглощением теплоты) реакции, которые чаще всего идут при высоких температурах. Таким образом, в природе существует некий общий закон, определяющий направление самопроизвольных процессов.
В чём же его суть?
Может быть, энергия системы стремится к минимуму? Но ведь если энергия в результате самопроизвольного процесса уменьшится, то, согласно первому закону термодинамики, энергия окружения должна увеличиться на ту же величину. Значит, увеличение энергии окружения — такой же самопроизвольный процесс, как и уменьшение энергии системы.
Первый закон термодинамики не позволяет предсказать, будет ли процесс протекать самопроизвольно, он требует только, чтобы общее количество энергии сохранялось. Например, чайник с кипятком остывает,