Глава 3. Взаимодействие наук в познании системной организации природы: истоки и статус термодинамики

Задача настоящего раздела — конкретизировать место термодинамики в системе научного знания. Методологический анализ проблемы, рассмотрение вопроса в единстве исторического и логического позволяет утверждать, что традиционное отнесение термодинамики к разряду физического знания весьма условно. История становления термодинамики во взаимодействиях наук и предметная область термодинамики, охватывающая практически все материальные системы (имеются в виду и “классическая” равновесная, и неравновесная термодинамика), дают убедительные обосно- вания общенаучного “статуса” термодинамики.

Так, хорошо известно, что, используя калориметр при исследовании тепловых явлений, сопровождающих разнообразные химические превращения, А.Лавуазье пришел к формулировке закона сохранения энергии для “систем тел при изменении их состояния”. В развитие этого направления в 1840 г. Г.И.Гесс сформулировал закон постоянства сумм тепла, который в 1847 г. был назван Г.Гельмгольцем выражением закона сохранения энергии применительно к химическим процессам (см.: [Соловьев, 1962]). Упрощая ситуацию становления первого начала термодинамики — закона сохранения энергии в его всеобщей формулировке, данной Г.Гельмгольцем, можно сказать, что в его основание химики внесли свою “одну треть”, так же как биологи в лице Р.Майера и физики в лице Дж.Джоуля.

Хотя предметная область химии, биологии и физики не охватывает всех естественных процессов, экспериментальные результаты и теоретические обобщения, сделанные в этих областях знания, позволили с достаточными (для включения в сферу практически функционирующего научного знания) основаниями сформулировать закон сохранения энергии. Таким образом, в историко-логическом процессе зарождения первого начала термодинамики мы не можем придать никакой исключительной роли физике. Более того, в тот период идейная атмосфера в сфере химического знания была, пожалуй, ближе, чем в физике, к восприятию закона сохранения энергии в его всеобщей формулировке. Об этом косвенно свидетельствует любопытный факт: известная работа Майера с формулировкой закона сохранения энергии была отвергнута в 1841 г. в физическом журнале И.Х.Поггендорфа (“Annalen der Phy-sik”) и была принята в 1842 г. в химическом журнале Ю.Либиха (“Annalen Chemie und Pharmacie”), поскольку соответствовала идейной атмосфере, сложившейся в химии после работ Лавуазье, и идеям самого Либиха (см.: [Тредер, 1977]). В этой связи также можно сказать, что и развитие экспериментально-теоретического знания в химии, и идейно-психологическая атмосфера, сложившаяся в ней, непосредственно и опосредованно повлияли на зарождение и утверждение в естествознании первого начала термодинамики.

Таким образом, основание первого начала термодинамики — закона сохранения энергии — было найдено в результате взаимодействия физики, химии и биологии. Действительно, для познания объективной всеобщности и создания (включения в систему научного знания) закона сохранения энергии необходимо было накопление экспериментальных фактов, свидетельствующих об эквивалентных превращениях различных форм энергии (механической — в теплоту; теплоты — в механическую; химической, т.е. энергии химических связей, — в теплоту). Объективная взаимосвязь естественных наук, проявившаяся в историко-логическом процессе становления первого начала термодинамики, обусловлена тем, что для процессов, реализующихся с любой формой материального движения (от физической до биологической), всегда имеет место эквивалентное превращение одной формы энергии в другую. Иначе говоря, первое начало термодинамики — строгий динамический закон. Закон сохранения энергии справедлив как для отдельных микроскопических частиц, так и для любых сложных макроскопических систем, поэтому он составляет основу первого начала термодинамики, будучи более общим по содержанию.

Утверждение в науке второго начала термодинамики было осложнено противоречием выводов, следующих из него, и детерминистско-механистическим стереотипом научного мышления середины XIX в. Из второго начала термодинамики, т.е. закона возрастания энтропии, следовало обоснование существования в природе необратимых процессов, что входило в противоречие с представлявшейся естественной обратимостью материальных процессов, обусловленной атомно-молекулярным составом материальных систем.

В этой ситуации развития научного знания закономерной была постановка вопроса: если принять, что теплота определяется механическим движением молекул (как компонентов термодинамических систем), которое описывается обратимыми механическими законами, то чем вызывается необратимость в системе таких частиц — молекул? (Как хорошо известно, исторически первая формулировка второго начала принадлежит Р.Клаузиусу — 1850 г., затем она была развита У.Томсоном, Клаузиусом же было введено понятие “энтропия”.)

Возникшее противоречие находило в истории науки различные решения. В частности, оно вообще было снято за счет отрицания реальности атомно-молекулярной структуры вещества в учении энергетизма, абсолютизирующего значимость термодинамического подхода в познании материального мира. Неполная разрешимость данного противоречия и гипотетичность (хотя и достаточно обоснованная) атомно-молекулярной теории обусловили то, что вплоть до конца XIX в. многие ученые, в том числе и выдающиеся, считали атомно-молекулярное учение надуманной гипотезой. Можно сказать, что затяжной характер разрешения проблемы был связан и с недостаточной развитостью методологического знания, в рамках которого могла бы быть поставлена проблема редукции закономерностей поведения систем многих частиц (термодинамических систем) в закономерностях поведения отдельных частиц или систем с малым количеством частиц.

Как известно, такая редукция невозможна, и, естественно, исторически противоречие было разрешено не в рамках полярного к энергетизму подхода, т.е. не чисто редукционистским путем, а путем синтеза механического и статистического подходов в молекулярно-кинетической теории. “Не от энергетики, не от феноменологии пришел луч надежды немеханического объяснения природы, но от атомистической теории”, — писал Л. Больцман, автор классических работ по кинетической теории газов и статистическому истолкованию второго начала термодинамики (см.: [Больцман, 1929]).

Заслуга Дж.Максвелла и Л.Больцмана заключалась в обосновании необходимости применения для описания систем многих частиц аппарата математической статистики и теории вероятностей. Такая необходимость, по существу, отражала ту реальность, что форма движения больших ансамблей частиц качественно отличается от формы движения частиц, их составляющих, и соответственно законы движения ансамблей многих частиц (термодинамических систем) не сводимы к законам движения отдельных частиц (элементов данных систем). Таким образом, на основе молекулярно-кинетической теории и математической статистики, т.е. в результате сложного историко-логического процесса взаимодействия химии, физики и математики, удалось углубить содержание таких, вначале чисто феноменологических понятий, как температура, давление, энтропия, что было вне возможностей чисто феноменологического метода термодинамики.

Важно иметь в виду для понимания охарактеризованного выше противоречия, что первое и второе начала термодинамики были сформулированы вне связи с атомно-молекулярным учением. В силу этого обстоятельства и первых успешных применений термодинамических законов (начал) для описания поведения многих материальных систем (в том числе и искусственных — технических) создалось ошибочное представление об альтернативности термодинамики атомно-молекулярному учению. Последнее и привело, как сказано выше, к развитию энергетизма. В смысле обоснованности основных положений термодинамика в обсуждаемый период имела важное преимущество. В отличие от атомистики, базирующейся на логически убедительных, но все же гипотетических моделях, термодинамика с самого начала формировалась как позитивная эмпирическая наука.

Рассматривая вопрос взаимообогащения научных знаний во взаимосвязях термодинамического учения и химии, отметим, что химические исследования всегда проводились с макроскопическими вещественными системами (т.е. системами многих частиц). В силу этого исследования химических процессов (химических и одновременно термодинамических систем) давали обширный экспериментальный материал для развития термодинамики. Это, в свою очередь, через разделы химической термодинамики приводило к обогащению теоретических и эмпирических знаний химии и ее пограничных с физикой областей. Так, например, применение второго начала термодинамики для описания химических систем в трудах Дж.Гиббса, А.Л.Потылицына, Г.Гельмгольца, Я.Вант-Гоффа, А.Л. ле Шателье привело одновременно к формулировке общенаучных положений термодинамики: принципа смещения равновесия, понятия химического потенциала, правила фаз и других, которые в своем развитии составили целые области термодинамики (например, теорию химического равновесия, теорию фазового равновесия и т.д.).

Наконец, третье начало термодинамики, сформулированное в начале ХХ в. и известное как теорема Нернста, стало обобщением результатов исследования электрохимических процессов, т.е. процессов, представляющих пограничный раздел между физикой и химией.

В ХХ в. зарождается термодинамика неравновесных систем. Наиболее характерными объектами термодинамических исследований этого направления являются открытые химические и биологические системы, что обусловливает взаимосвязь и взаимодействие в области термодинамики неравновесных процессов комплекса физических, химических, биологических, математических и других наук. Показательно, что основополагающие работы Л.Онсагера и И.Р.Пригожина — основоположников термодинамики неравновесных процессов — создавались во многом на основе результатов изучения химических и биологических систем. В этом смысле неслучайно названных ученых по профессиональной направленности относят к физико-химикам.

Подводя итоги данного раздела, можем утверждать, что термодинамика и по особенностям историко-логического процесса своего становления, и по своему статусу в системе естествознания является общенаучной дисциплиной.

Первое начало термодинамики получило истоки и обоснования в исследованиях химической, физической и биологической направленности и взаимодействии наук этого цикла.

Второе начало термодинамики происходит из физико-технической традиции (его формулировка связана с созданием тепловых машин и открытием цикла Карно, описывающего их работу), но вместе с этим оно получило обоснование в синтетических интердисциплинарных процессах, обусловленных развитием физики, химии и математики (атомно-молекулярное учение, математическая статистика, молекулярно-кинетическая теория).

Третье начало термодинамики получило первичные основания в результате исследований пограничных между физикой и химией электрохимических процессов.

Наконец, неравновесная термодинамика была основана на базе исследований и анализа проблем открытых химических и биологических систем. Принципы термодинамики, предметное поле, ею охватываемое (физические, химические, геологические, биологические системы и их “смешанные” варианты), определяют ее безусловно статус общенаучного “феноменологического” (как учения об общих явлениях природы) знания, аналогичный в чем-то такому “количественно-логическому” разделу знания, как математика, или такому “методологическому” разделу знания, как системный подход и т.п. Отнесение термодинамики к области физического знания следует считать весьма условным, традиционным и не вполне соответствующим предметно-логическим критериям координационной и субординационной классификации научных дисциплин.