Читаем без скачивания Вид с высоты - Айзек Азимов

Если горячий резервуар имеет абсолютную температуру 400 градусов (127 градусов по шкале Цельсия), а холодный — абсолютную температуру 300 градусов (27 градусов по шкале Цельсия), то идеальная отдача будет равна (400–300)/400, или просто 0,25. Другими словами, в работу может быть превращена в лучшем случае лишь четверть тепла, содержащегося в паре, тогда как три четверти его просто не используются.

Более того, имея только горячий резервуар и ничего более, — так что ему придется служить одновременно и холодным, — вы получите, согласно уравнению Карно, идеальную отдачу (400–400)/400, то есть просто нуль. В паре много энергии, но ни единая часть ее не может быть превращена в работу, если в устройстве как-нибудь не предусмотрена разность температур.

Так же обстоит дело и с другими формами энергии; ситуация будет яснее, если взять пример более будничный, чем паровой двигатель. Большой камень, лежащий на краю обрыва, может произвести работу, если его переместить из положения с большой потенциальной энергией в поле силы тяжести в положение с меньшей потенциальной энергией, скажем на дно обрыва. Чем меньше разность потенциальных энергий (чем менее глубок обрыв), тем меньше работы может, падая, совершить камень. А если вообще обрыва нет, а есть просто плоскогорье, то камню некуда падать, совершая при этом работу, даже если плоскогорье находится на высоте 6000 метров над уровнем моря.

Следовательно, ни одно устройство не может извлечь работу из системы, которая целиком находится на одном энергетическом уровне.

Это один из способов сформулировать то, что называют Вторым началом термодинамики.

Устройство, предназначенное для того, чтобы извлечь работу при одном только энергетическом уровне, есть «вечный двигатель второго рода». По существу, почти все вечные двигатели, изобретаемые армией заблудших фантазеров Земли, относятся к этому типу. Так вот, патентные учреждения не станут тратить времени и на такие проекты.

Как только появляются два энергетических уровня, энергия тотчас начинает перетекать с одного уровня (мы зовем его верхним) на другой (мы зовем его нижним), но никогда — в обратном направлении (если только не перекачивать ее силой). Человечество уже давно свыклось с этим фактом. Другими словами, тепло самопроизвольно переходит от горячего тела к холодному; валун сам скатывается с края обрыва к его дну, электрический ток самопроизвольно течет от катода к аноду.

Сказать: «Поток энергии всегда направлен от высокого потенциального уровня к низкому потенциальному уровню» — это значит лишь другими словами выразить Второе начало термодинамики. (Можно доказать, что из единственности направления потока энергии — от высокого к низкому — неизбежно следует тот факт, что невозможно извлечь работу из системы с одним уровнем энергии и наоборот, так что и то и другое — полноправные способы формулировать Второе начало.)

Далее: работа никогда не осуществляется мгновенно. На нее неизменно требуется время. Что же происходит в течение этого времени? Простоты ради представим себе, что паровая машина работает как «замкнутая система», то есть как своего рода изолированная от всего и вся часть мироздания, в которую никакая энергия не может ни проникнуть извне, ни покинуть ее, если первоначально она была в системе. Согласно Второму началу термодинамики, в такой паровой машине — замкнутой системе — тепло также должно устремляться из точки с высоким энергетическим потенциалом (в машине — из горячего резервуара) к точке с низким потенциалом (холодному резервуару).

По мере перекачки энергии горячий резервуар охлаждается, а холодный нагревается. Следовательно, разность температур горячего и холодного резервуаров уменьшается в течение всего периода времени, когда совершается работа. Но это означает, что количество энергии, которое может быть потрачено на работу (а оно зависит от разности температур), должно все время уменьшаться.

Наоборот, количество энергии, которую уже невозможно превратить в работу, должно все время расти. Это увеличение недоступной для нас энергии есть неумолимое следствие перетока тепла, отображенное Вторым началом термодинамики. Поэтому сказать, что в любом самопроизвольном процессе (то есть в таком, где энергии открыт путь с высокого на низкий уровень) количество недоступной энергии увеличивается со временем, — значит просто по-иному выразить Второе начало термодинамики.

Немецкий физик Рудольф Клаузиус указывал на все это еще в 1865 году. Он придумал величину, выражающую отношение изменения тепла к температуре, и назвал эту величину энтропией. Почему он так ее назвал, не известно. Энтропия по-гречески означает «превращение в», но этого едва ли достаточно.

В любом процессе, связанном с изменением количества энергии, энтропия Клаузиуса повышается. Даже если уровни энергии со временем не уравниваются, всегда существует своего рода сопротивление переходу от одного уровня энергии к другому. Падающее тело должно преодолеть сопротивление воздуха, электрический ток должен преодолеть сопротивление проводника. В каждом случае количество энергии, доступное для превращения в работу, уменьшается, а недоступное для такого превращения, увеличивается. И в каждом случае это отражается в росте отношения изменения теплоты к температуре.

Разумеется, можно представить себе идеальный случай, когда этого не происходит. Горячий и холодный резервуары могут быть отделены друг от друга идеальным теплоизолятором, камень может падать в полной пустоте, электрический ток — течь по сверхпроводнику, все поверхности — скользить друг по другу без всякого трения и без всякого излучения. Во всех таких случаях не было бы никакого повышения энтропии; изменение энтропии было бы равно нулю. Однако эти случаи обычно существуют только в воображении; в реальной жизни к нулевому изменению энтропии можно приблизиться, но не достичь его. И, конечно, даже в идеальном случае изменение энтропии никогда не бывает отрицательным. Энтропия никогда не уменьшается.

В свете всего сказанного самая короткая формулировка Первого и Второго начал термодинамики, которую я знаю, такая:

«В любой замкнутой системе полная энергия остается постоянной, а полная энтропия со временем только повышается».

Развитие Первого и Второго начал термодинамики шло главным образом по линии изучения самого теплового потока, вне связи со строением вещества. Однако в 1803 году Джон Дальтон положил начало атомистической теории, а к середине XIX века она вполне созрела для того, чтобы породить новую ветвь развития этих двух законов, которая истолковывала изменения энергии как следствие движения атомов и молекул. Эта точка зрения вызвала к жизни статистическую интерпретацию Второго начала, пролившую яркий свет на тайну изменения энтропии.

Сам Клаузиус пришел к некоторым заключениям, вытекающим из представления о газах как ансамблях беспорядочно движущихся молекул, но математическую картину такой системы довели до совершенства только шотландский математик Джеймс Клерк Максвелл и австрийский физик Людвиг Больцман (в 1859 году и в последующие годы).

Благодаря математическому аппарату Максвелла и Больцмана газы (и вообще материю) стало возможно описывать как тела, состоящие из большого количества молекул, энергии которых лежат в некотором интервале значений. В газах эта энергия проявляет себя в форме хаотического движения молекул, при котором молекулы сталкиваются друг с другом и разлетаются в стороны, причем считается, что столкновения происходят идеально упруго, так что в сумме все молекулы не теряют ни в скорости, ни, следовательно, в энергии.

Определенная молекула в определенном объеме газа могла бы иметь (в некоторый определенный момент времени) любое количество энергии движения (кинетической энергии), от самых малых количеств до очень больших. Однако весь объем газа можно охарактеризовать некоторой средней для всех молекул величиной энергии. Измеряя температуру, мы измеряем как раз эту среднюю кинетическую энергию.

Средняя кинетическая энергия молекул газа при абсолютной температуре 500 градусов вдвое больше средней кинетической энергии молекул газа при абсолютной температуре 250 градусов. В какой-нибудь данный момент кинетическая энергия одной из молекул в горячем газе может оказаться даже ниже кинетической энергии одной из молекул в холодном газе; но среднее по всем молекулам количество энергии для данного объема всегда находится в прямой пропорции к температуре. (Это похоже на то, что, хотя жизненный уровень в стране X выше, чем в стране Y, какой-нибудь житель страны X вполне может оказаться беднее какого-нибудь жителя страны Y.)