Классическая термодинамика – физическая наука, занимающаяся изучением взаимопревращения различных видов энергии. Эта наука основывается на трех основных постулатах (началах).

Первое начало термодинамики известно как закон сохранения энергии. Это фундаментальный закон, согласно которому важнейшая физическая величина – энергия – сохраняется неизменной в изолированной системе. Когда мы говорим о сохранении энергии, то имеем в виду механическую, тепловую и внутреннюю энергию, т. е. зависящую лишь от термодинамического состояния системы. Она складывается из движения атомов, энергии химических связей и других типов энергий, связанных с состоянием электронов в атомах и молекулах.

Согласно этому закону, в изолированной системе энергия может только превращаться из одной формы в другую, но ее количество всегда остается постоянным. Если система не изолирована, энергия может изменяться за счет обмена между частями системы или разными системами. Например, ежедневно мы сталкиваемся с тем, что горячий чайник, охлаждаясь, нагревает воздух.

Науке сегодня не известна ни одна причина, которая могла бы привести к нарушению этого закона. Иначе можно было бы создать вечный двигатель, создающий энергию из ничего. Поэтому первый закон термодинамики более известен в другой редакции: нельзя построить вечный двигатель первого рода, т. е. такую машину, которая совершала бы работу больше подводимой к ней извне энергии.

Второе начало термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии – теплоты, связанной с неупорядоченным, хаотическим движением молекул (например, броуновское движение молекул, скорость которых напрямую связана с температурой), и работы, связанной с упорядоченным движением. Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло – наши предки получали огонь трением. В то же время тепло в эквивалентную ему работу полностью превратить нельзя, всегда останется некоторое количество теплоты, которое пропадет бесполезно. Другими словами, неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную. Мерой неупорядоченности (мерой хаоса) системы в термодинамике является энтропия. Энтропия не бывает отрицательной, она всегда положительна. Исключением является случай, когда идеальный кристалл находится при температуре абсолютного нуля, что невозможно, так как означает прекращение любого движения, в том числе атомов и элементарных частиц (на этот счет существует третье начало термодинамики, говорящее о недостижимости абсолютного нуля, равного –273 °C).

Иногда используется отрицательная величина энтропии – негэнтропия, которая является мерилом упорядоченности системы. Эта величина может быть только отрицательной. Рост негэнтропии соответствует возрастанию порядка, энтропии – росту хаоса.

В соответствии со вторым началом термодинамики в случае изолированной системы (не обменивающейся веществом, энергией или информацией с окружающей средой) неупорядоченное состояние не может самостоятельно перейти в упорядоченное. Представим себе закрытую систему, в которой вся энергия находится в упорядоченном состоянии (энергия – работа). Если в этой системе начнется процесс преобразования энергии, то мы увидим, что вся энергия – работа постепенно перейдет в энергию – тепло. Полученное тепло может быть использовано для совершения какой-либо полезной работы, но не полностью. Так появится энтропия. При следующем цикле преобразования работа опять полностью перейдет в тепло, но тепло вновь не сможет полностью превратиться в работу, и поэтому энтропия вновь увеличится. Так будет происходить до тех пор, пока вся энергия системы не превратится в тепло и не установится состояние термодинамического равновесия. Таким образом, в изолированной системе энтропия может только расти. Поэтому второе начало термодинамики еще называют принципом возрастания энтропии. Эта более точная формулировка второго начала термодинамики утверждает, что при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает. Иными словами, любая система стремится к состоянию термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом.