В современном понимании явления термодинамики неотделимы от понятия о молекулярной структуре вещества. Однако в 19 веке, в период наиболее интенсивного и плодотворного развития основ термодинамики, представления об атомах и молекулах были лишь гипотезой, имевшей, правда, ряд косвенных подтверждений. Поэтому строгое научное построение термодинамики в прошлом столетии было возможно лишь на основе более простых предположений, которые являются прямыми следствиями из опыта. Примерами таких основополагающих фактов (аксиом) являются законы Ньютона в механике, закон сохранения электрического заряда и ряд других.
В термодинамике роль основных первичных аксиом выполняют первое и второе начала. Создание аксиоматической (другое название - феноменологической) термодинамики стало возможно благодаря работам Майера, Карно, Клаузиуса, Клапейрона, Гельмгольца, Джоуля, Томсона (лорда Кельвина). Из многочисленных вариантов построения данной теории наиболее успешным считается работа Каратеодори (1909 г.), которая по уровню математической строгости сравнима с идеальной математической теорией-геометрией Евклида.
На современном этапе развития науки, по-видимому, нелогично изучать термодинамику отдельно от молекулярной физики. Тем не менее, рассмотрение роли первого и второго начал термодинамики как оснований аксиоматической теории без опоры на представления о микроструктуре вещества, на наш взгляд, способствует более глубокому пониманию их физического смысла и, как следствие, более осознанному подходу к решению задач.
Анализ школьных учебников показывает, что второе начало термодинамики в школе излагается недостаточно последовательно. Его следствия, в частности, теорема Карно, остаются без удовлетворительного обоснования.
В данном пособии предлагается вариант рассмотрения второго начала термодинамики, существенно выходящий за рамки школьной программы и предполагающий введение понятия энтропии. В современной физике энтропия рассматривается как одно из фундаментальных естественнонаучных понятий. Она играет определяющую роль не только в теории тепловых явлений, но и в относительно новой области естествознания - синергетике - науке, изучающей явления самоорганизации в открытых системах, то есть процессы возникновения упорядоченных структур из хаоса или, по-другому, генерацию информации.
Исследование информационных процессов оказывается не
только актуальной задачей
естественных наук, прежде всего - физики сложных систем, молекулярной биологии и
генетики, но и, благодаря интенсивному внедрению информационных технологий во все
сферы человеческой деятельности, становится
важнейшим фактором развития цивилизации. В связи с
этим, на наш взгляд, необходимо так или иначе рассматривать возможности введения
понятия энтропии на уровне общего образования.
Представляется, что наиболее естественным образом это можно сделать в рамках
термодинамики, где оно и возникло впервые. Кроме того, использование
принципа энтропии позволяет значительно глубже осознать смысл второго начала
термодинамики.
Проблема удовлетворительного рассмотрения второго начала термодинамики, введения и использования понятия энтропии в школе выливается в чрезвычайно сложную методическую задачу. В данном учебном пособии представлен вариант изложения этих вопросов, ориентированный на максимально возможную, с учетом ограниченности доступного математического аппарата, строгость, а также на наиболее способных учеников. Привлечение элементарных сведений из математического анализа в ряде случаев смогло бы даже облегчить изложение, например, в разделах 2, 5.2, 5.3, в решениях задач 4.11 и 4.12.
Предполагается, что действующие и будущие учителя физики, используя данный материал полностью или частично, смогут построить факультативные занятия по термодинамике в 10-11 классах средней школы. Пособие может также использоваться школьниками для дополнительной самостоятельной подготовки.