2.9. Термодинамика на рубеже ХХI века. Состояние и перспективы

Со времени своего зарождения, которое справедливо связывают с выходом книги С. Карно «Размышления о движущей силе огня...» (1824 г.), термодинамика прошла длительный и сложный путь развития. Ее приложения в самых различных областях – от энергетики и химической технологии до биологии и космологии – превратились со временем в самостоятельные научные направления, некоторые из которых возвысились до ранга наук, но сохранили в своем названии слово «термодинамика». Только термодинамика может точно и однозначно ответить на три принципиально важных вопроса.

Первый из них возникает «на подходе» к задаче: «может ли в принципе существовать та или иная система (или процесс)?»

Второй: «насколько совершенна данная (существующая или проектируемая) система (или процесс)?»

Наконец, третий: «есть ли резервы для улучшения системы в заданных конкретных условиях и где эти резервы искать?»

Очевидно, однако, что без связи с науками, изучающими реальные системы и, неизбежно, необратимые процессы в них, вся мощь классической термодинамики была бы бесполезной. Естественный результат понимания этого положения проявился в том, что возникли «пограничные» науки, обеспечивающие связь и совместное практическое использование фундаментальных наук, таких как физика, химия, биология, и комплекса технических наук с классической термодинамикой.

Дальнейшее развитие классической термодинамики идет сейчас в двух основных направлениях.

Первое – теоретическое – направление, основные положения которого уже определились, характеризуется выходом термодинамики за пределы анализируемой системы.

Оно неизбежно связано с включением в круг рассмотрения окружения системы, состоящего из равновесной окружающей среды и источников энергии и вещества, находящихся в неравновесном, но заторможенном состоянии.

Второе – прикладное – направление развивается в связи с приложениями нового расширенного термодинамического аппарата и развитием некоторых практически важных задач современной техники, биологии, а в последнее время и экономики.

В биологии и экономике использование законов термодинамики встречает определенное сопротивление. Биологи тщатся обнаружить процессы в живых организмах, которые подтвердили бы независимость жизненных процессов от законов термодинамики, в частности, от второго закона термодинамики. Однако независимо от сложности системы процессы в ней неизбежно подчинены законам термодинамики.

Но решение трудных задач заставляет ученых и специалистов искать новые методы исследований. Одним из подходов является анализ собственно рассматриваемой системы совместно с окружением, ибо всегда все процессы в живой природе и технике протекают в условиях взаимодействия с ним.

Разработка и реализация на практике этого направления и составляет теперь главное содержание третьего – современного – этапа развития классической термодинамики. Максимальное продвижение здесь связано с технической областью, поскольку задел в ней наибольший. Однако в биологической и экономической областях, где уровень сложности задач существенно выше, тоже получены первые, но достаточно обнадеживающие результаты. Здесь использованы возможности так называемого эксергетического подхода.

Эксергетический анализ дает возможность решить по крайней мере три задачи.

Первая – составить реестр всех природных ресурсов как отдельных регионов, стран, так и в конечном счете Земли в целом, сведя к некоторой одной единице добычу природных богатств, например металла и горючего. Такая задача была поставлена выдающимся мыслителем, основателем учения о биосфере В.И. Вернадским (1863– 1945) еще в 1928 г. Подготовка соответствующих данных и разработка методик для проведения такой работы уже ведутся в отдельных странах, а также обсуждаются на международных научных форумах.

Вторая и не менее важная задача, решаемая посредством эксергетического метода, – это анализ и аудит материально-энергетических балансов хозяйственных объектов – от отдельного предприятия до региона и страны. Так называемые «топливно-энергетические балансы», применяемые для этой цели, дают, как правило, результаты, не адекватные реальной ситуации, поскольку в них не учитываются качественные характеристики материальных и энергетических потоков. Это относится к теплоносителям и хладоагентам с различными температурными потенциалами, сжатым и сжиженным газам различного состава, а также промежуточным и конечным продуктам химических и металлургических производств.

Третья задача, непосредственно связанная с предыдущей, состоит в определении эффективности, уровня совершенства различных технических устройств преобразования вещества и энергии. Ее решение в каждом случае связано с поиском путей совершенствования и оценкой предельных возможностей соответствующих систем и процессов в них.

Детальный анализ состояния и перспектив развития классической термодинамики, приложения ее к задачам техники, биологии и экономики с опорой на эксергетический подход к анализируемым системам дан в статье известного специалиста по термодинамике, профессора, доктора технических наук В.М. Бродянского в «Известиях Российской академии наук» (серия «Энергетика», 2001 г., № 5), который заканчивает ее следующим заключением:

«Подводя итоги этого обзора, можно утверждать, что классическая (равновесная) термодинамика со времён С. Карно постоянно развивалась, следуя за потребностями общества (а иногда и опережая их). К началу XXI в. эта наука не исчерпала своих возможностей как в развитии концептуальной базы и методов, так и в расширении практических приложений. У термодинамики широкие перспективы развития. По сравнению с другими фундаментальными науками о природе, которые хотя и намного старше, но продолжают активно развиваться, термодинамика ещё очень молода – ей нет ещё и 200 лет!»