Тепловая энергия тела – это энергия хаотического теплового движения его молекул. Этой хаотичностью тепловое движение молекул отличается от макроскопического механического движения, при котором все структурные элементы поступательно движущегося тела имеют одну и ту же скорость, которая накладывается на скорость хаотического теплового движения. Превращение тепловой энергии в механическую сводится к превращению хаотического теплового движения в движение упорядоченное. Напротив, превращение механической энергии в тепловую связано с разрушением упорядоченного характера механического движения и превращением его в беспорядочное тепловое. Предписанная природой асимметрия делает эти два процесса неравноправными. Превратить упорядоченное движение в тепловое несравненно легче, чем произвести обратное превращение.

Представим себе набор шариков двух цветов, расположенных в определенном порядке. Нужны были немалые старания, чтобы расположить их в правильной последовательности. Но достаточно легкого толчка, чтобы с трудом созданный порядок нарушился и шарики беспорядочно перемешались. И никакими встряхиваниями восстановить ранее существующий порядок практически невозможно, поскольку вероятность такого события ничтожно мала.

А что же такое порядок и беспорядок в молекулярном мире?

Если каждый предмет в вашей комнате находится на отведенном для него месте и найти его всегда легко, то вы поддерживаете в своей комнате порядок. Если же вещи не кладутся на свои места, то найти их нелегко. В вашей комнате беспорядок. Представьте себе, что вещи в комнате могут сами двигаться, меняя свое положение. Тогда найти их станет еще труднее, причем тем труднее, чем больше их скорости. Этот житейский пример помогает нам понять, как определить порядок и беспорядок в молекулярном мире и убедиться в том, что необратимость (переход от порядка к беспорядку) в этом мире проявляется более отчетливо.

Если, например, две части тела находятся при разных температурах, то такое состояние тела является более упорядоченным, чем то его состояние, при котором вследствие столкновений молекул между собой все части тела будут иметь одинаковую температуру.

Точно так же, если в сосуде, разделенном перегородкой, находятся два разных газа, то такое состояние системы более упорядочено, чем в смеси этих газов.

Физический смысл 2-го начала термодинамики и заключается в утверждении, что порядок и беспорядок в природе "неправомерны", что все сами собой идущие процессы установления равновесия сопровождаются ростом беспорядка.

Это утверждение отражает тот бесспорный факт, что любой вид энергии в конце концов переходит в тепло, так как тепловая энергия – это энергия беспорядочных движений, в то время как все другие виды энергии связаны с более упорядоченным движением.

Рассматривая работу тепловых машин, мы убедились, что внутренняя энергия только частично превращается в другие виды энергии, так как некоторая ее часть переходит к холодильнику. Это следствие того факта, что она является энергией хаотического беспорядочного движения молекул и их взаимодействия.

Сходство между степенью беспорядка в системе и энтропией очевидно.Естественно поэтому считать энтропию мерой беспорядка системы. Имея в виду связь между энтропией и вероятностью состояния, можно сказать, что состояние с большим беспорядком характеризуется большей термодинамической вероятностью, чем более упорядоченное состояние. С этим связана и необратимость тепловых процессов; они протекают так, чтобы беспорядок в системе увеличивался. Необратимость тепловых процессов – это необратимость порядка и беспорядка. Рассматривая энтропию как меру беспорядка в системе, можно утверждать, что максимуму энтропии соответствует максимально неупорядоченное с микроскопической точки зрения состояние – состояние термодинамического равновесия, имеющее наибольшую вероятность.

Таким образом, с помощью понятия энтропии, связи ее с термодинамической вероятностью и степенью беспорядка в системе удалось проанализировать процессы превращения одних форм энергии в другие.

И хотя сущность энтропии не может быть раскрыта на ощутимом и привычном для нас макроскопическом уровне и тем более энтропия не может быть измерена, все же именно с введением энтропии термодинамика стала стройной и завершенной теорией. И в этом велика заслуга Больцмана, установившего своеобразный мост между макроскопическим и микроскопическим описанием термодинамической системы. В левой части его знаменитой формулы стоит энтропия – функция, введенная в термодинамику вторым началом и характеризующая любые самопроизвольные изменения. В правой части равенства стоит величина, связанная с беспорядком и служащая мерой рассеяния энергии. Понятие рассеяния энергии составляет основу механизма изменений на микроскопическом уровне. Функция S незыблемо принадлежит классической термодинамике – этому обобщению гигантского опыта человечества, а величина W_T (термодинамическая вероятность) непосредственно относится к миру атомов – миру, определяющему "скрытый" механизм происходящих изменений. Формула, выбитая на надгробии Больцмана (S = k lnW_T) – это мост, соединяющий мир доступных нашему восприятию событий и скрытый за их проявлениями основополагающий мир атомов.