Критическая масса. Как одни явления порождают другие - Филип Болл

Подобно механике Ньютона термодинамика тоже основана на трех основных законах. Честно говоря, в смысле третьего закона термодинамики разбираются только профессиональные физики[12], но первые два закона стоит усвоить каждому человеку, пытающемуся понять основы современной науки. Первый закон чрезвычайно прост, и суть закона сохранения энергии: энергия никогда не возникает и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую. Панели солнечных батарей лишь «поглощают» энергию света и преобразуют ее в электричество, точнее, лишь ее малую часть, так как большая часть, увы, при этом превращается в теплоту. В турбинах гидростанций энергия движения воды преобразуется в кинетическую энергию вращения лопастей турбины, а затем превращается в электрическую энергию. Так Вселенная сохраняет свою полную энергию. Особо хотелось бы подчеркнуть, что закон удалось строго сформулировать лишь после того, как движение атомов (кинетическая энергия) удалось отождествить с понятием теплоты.

Второй закон является более сложным и настолько интересным, что многие ученые еще спорят о его смысле и значении. В качестве доказательства его важности можно привести очень известную (хотя, возможно, и переоцененную) и несколько ворчливую цитату из знаменитой книги Чарльза П. Сноу Дее культуры:

Существует много формулировок этого закона. Первую предложил еще в 1850 году немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822-1888), который между строк отметил, что теплота всегда перетекает от нагретых тел к холодным. Такое определение кажется удручающе тривиальным, однако в действительности этим замечанием он отметил, что существует целый класс процессов, протекающих только в одну сторону, иными словами, необратимых. Образно говоря, тепловой поток всегда направлен в одну сторону, подобно тому как ручьи всегда текут только вниз, а не вверх по горному склону.

Простое и кажущееся безобидным утверждение Клаузиуса скрывает в себе основную тайну любого изменения и преобразования. Наличие в природе необратимых процессов сразу влечет за собой существование некой «стрелы времени», т. е. единственного направления, соответствующего этим процессам. Второй закон термодинамики как бы подтверждает наше интуитивное представление о том, что мы двигаемся по времени только вперед и не можем вернуться в прошлое.

Клаузиус не остановился на достигнутом, и позднее ему удалось сформулировать математическую теорию изменчивости, введя соответствующий необратимости параметр, названный им энтропией. Энтропия возникла в термодинамике в качестве очень абстрактной величины, хотя в действительности она является вполне измеримым параметром подобно теплоте, выделяющейся при химической реакции[13]. Очень упрощенно энтропию можно назвать мерой беспорядка в системе, а второй закон сводится к утверждению, что при любых самопроизвольных процессах (а к ним относится, например, перенос тепла от нагретых тел к холодным) энтропия возрастает.

В 1852 году Уильям Томсон (позднее получивший титул лорда Кельвина; 1824-1907) отметил, что в процессах преобразования энергии всегда наблюдается «общая тенденция к диссипации (рассеянию) механической энергии»6. Под этим он подразумевал, что часть энергии всегда «теряется» в виде тепла (или, иными словами, в виде энергии хаотического движения атомов). Читатель может вспомнить, что при работе турбин часть энергии всегда тратится на преодоление трения, приводящее к нагреванию подшипников. Превратить такое тепло в полезную[14], т.е. используемую, энергию очень сложно, и она обычно рассеивается в окружающем пространстве. В 1854 году немецкий физик Герман Гельмгольц (1821-1894) довел теорию необратимого рассеяния энергии до логического завершения. Он пришел к выводу, что рано или поздно вся Вселенная должна прийти к некоторому единому, усредненному «теплому» состоянию, в котором не останется никаких горячих и холодных тел, а следовательно, и никаких тепловых потоков. Это конечное состояние было названо им «тепловой смертью» Вселенной. Таким образом, рассуждая о паровых двигателях, физики неожиданно пришли к заключению о грядущей судьбе всего сущего.

Разумеется, ученых сразу заинтересовали указанные особенности законов термодинамики. Ведь если мир действительно состоит только из атомов, движение которых подчиняется законам Ньютона (не связанных с направлением времени), то становится непонятным, каким образом в термодинамике благодаря каким-то невидимым столкновениям вообще возникает проблема необратимости. Эту проблему поднял еще Даниил Бернулли, объясняя возникновение давления в газовых средах. Затем английский физик Джон Герапат (1790-1869) сумел количественно оценить закономерности движения частиц газа и вычислил, что скорость таких частиц — атомов или молекул, представляющих собой атомные кластеры, — должна составлять около двух километров в секунду.

Позднее было обнаружено, что давление газа зависит от его температуры, так что при нагревании газа в замкнутом сосуде (т. е. при постоянном объеме) его давление возрастает. Именно поэтому взрываются аэрозольные баллончики, когда их бросают в костер. С другой стороны, оказалось, что при нагреве с меняющимся объемом, например, в сосуде с подвижными стенками, газ расширяется, что и приводит к движению поршней парового двигателя при работе по циклу Карно. Короче говоря, ученые быстро выяснили, что три основные характеристики газа — температура, давление и объем — составляют неразрывное единство, которое можно почти серьезно сравнить с тремя основными показателями любой инженерной или деловой деятельности (экономист может вспомнить триаду — цена, количество и качество). Другими словами, задав два из этих параметров, вы можете не думать о третьем — он определится из двух указанных раньше. Например, можно добиться, чтобы газ имел конкретные значения температуры и давления, но эти требования уже строго задают объем (или, что практически эквивалентно, плотность, определяемую как число частиц в данном объеме). В другой формулировке можно утверждать, что при постоянстве одного из указанных трех параметров может быть установлена строгая математическая зависимость между двумя оставшимися, и т.д. Например, при постоянном объеме давление газа просто пропорционально его температуре.