Второе начало термодинамики
Второе начало термодинамики — это основа основ современной физики. Оно гласит, что тепло передается от разогретых тел к холодным, но не передается назад. Поскольку теплота есть мера беспорядка, или энтропии, другая формулировка закона выглядит так: в изолированной системе энтропия всегда возрастает. Второе начало связывает ход времени и совершающиеся во вселенной события с ее конечной участью.
Если вы наливаете горячий кофе в стакан с кубиками льда, лед согревается и тает, а кофе охлаждается. Но задавались ли вы когда-нибудь вопросом, почему температура кофе не повышается? Ведь кофе мог бы вытянуть из льда остатки тепла, стать горячее, а лед стал бы еще холоднее. Опыт говорит нам, что так не бывает. Но почему?
Тенденция горячих и холодных тел обмениваться теплом и приобретать равную температуру отражена вторым началом термодинамики.
В общем и целом оно гласит, что тепло не может переходить от холодного тела к горячему.
А как же тогда работают холодильники? Как нам удается охладить стакан апельсинового сока, если передать его тепло чему-то другому невозможно? Второе начало позволяет проделать это, но лишь при особых условиях. Охлаждая что-либо, холодильник генерирует большое количество тепла, в чем легко убедиться, приложив ладонь к его задней стенке. И поскольку он высвобождает тепло, то нарушения второго начала не происходит — нужно просто учитывать общую энергию холодильника и его окружения.
Энтропия
Теплота есть мера беспорядка, а в физике беспорядок часто получает количественное выражение как «энтропия» — мера способов, которыми может организовываться система, состоящая из многих элементов. Скажем, пакет с сухими макаронами обладает низкой энтропией, поскольку макаронины в нем упорядочены, но бросьте их в кастрюлю с кипятком — они переплетутся, порядка станет меньше, а энтропия их возрастет. Точно так же аккуратные ряды игрушечных солдатиков обладают низкой энтропией, а если рассыпать их по полу, энтропия солдатиков повысится.
«Точно так же, как увеличение энтропии является основным законом вселенной, основной закон жизни состоит в том, что она становится более структурированной и борется с энтропией» Вацлав Гавел, 1977
Но какое отношение имеет все это к холодильникам? Одна из формулировок второго начала термодинамики выглядит так: энтропия ограниченной системы возрастает и никогда не уменьшается. Температура связана с энтропией напрямую — холодные тела обладают малой энтропией. Их атомы неупорядоченны в меньшей мере, чем раскачивающиеся атомы нагретых тел. Поэтому любое изменение энтропии системы с учетом всех ее составляющих порождает в конечном счете только один эффект: энтропия растет.
Что касается холодильника, охлаждение апельсинового сока уменьшает его энтропию, однако уменьшение это компенсируется производимым холодильником нагревом воздуха. Фактически увеличение энтропии воздуха превышает уменьшение энтропии охлаждением продуктов. Если рассматривать систему в целом — холодильник и его окружение, — второе начало термодинамики остается справедливым. Еще одна его формулировка сводится к тому, что энтропия возрастает всегда.
Второе начало справедливо для изолированных систем, в которые энергия не поступает извне и из которых она не выводится. В ней работает закон сохранения энергии. Вселенная и сама является изолированной системой в том смысле, что вне ее, по определению, ничего не существует. Таким образом, во вселенной энергия сохраняется, а энтропия должна возрастать. В малых ее областях может происходить незначительное уменьшение энтропии, связанное, скажем, с охлаждением, однако оно компенсируется, как и в случае холодильника, нагревом в других областях и таким увеличением их энтропии, что суммарная энтропия вселенной растет. Но как же оно выглядит, возрастание энтропии? Если налить шоколадный сироп в стакан молока, все начнется с низкого значения энтропии — молоко и сироп образуют ясно различимые белый и коричневый слои. Если же вы увеличите энтропию, размешав напиток ложкой, молекулы молока и сиропа перемешаются. Максимальный беспорядок возникнет в стакане, когда сироп полностью смешается с молоком и напиток приобретет коричневатый оттенок.
Вспомните еще раз о вселенной как о целом — второе начало подразумевает, что со временем атомы в ней становятся все более неупорядоченными. Любые блоки вещества будут медленно рассыпаться, пока их атомы не заполнят всю вселенную. То есть конечное состояние вселенной, бывшей поначалу многоцветным ковром из звезд и галактик, — это серый океан беспорядочно перемешанных атомов. Когда вселенная расширится настолько, что галактики начнут распадаться, а вещество, из которого они состоят, — разжижаться, останется лишь подобие супа из частиц. И если предположить, что расширение вселенной продолжится, то конечным ее состоянием будет «тепловая смерть».
Вечное движение
Поскольку теплота есть форма энергии, ее можно заставить работать. Паровой двигатель преобразует тепло в механическое движение поршня или турбины, которая может вырабатывать электричество. Большая часть термодинамики и была разработана в XIX веке для связанных с паровыми двигателями практических нужд, а не выведена физиками на бумаге. Еще одно следствие второго начала состоит в том, что паровые двигатели, как и другие, работающие на тепловой энергии, далеко не совершенны. Любой процесс, преобразующий тепло в другую форму энергии, связан с утратой малой ее части, а в итоге энтропия системы в целом возрастает.
Идея вечного двигателя — машины, которая никогда не теряет энергию и потому может работать вечно, — преследовала ученых еще со времен Средневековья. Второй закон термодинамики положил конец их надеждам, однако до того, как он был сформулирован, они успели предложить множество конструкций таких машин. Воображение Роберта Бойля рисовало чашу, которая переливала воду из себя в себя же саму, индийский математик Бхаскара придумал колесо, которое само себя крутит, перемещая закрепленные на его спицах грузы. При ближайшем рассмотрении выяснялось, что такие двигатели теряют энергию. Идеи, подобные этим, получили столь широкое распространение, что уже в XVIII столетии слова «вечный двигатель» приобрели дурную славу. И Французская королевская академия наук, и американское Бюро патентов попросту запретили рассматривать предложения, касающиеся вечных двигателей. И сегодня эти машины принадлежат к области, в которой подвизаются чудаковатые изобретатели-кустари.
Демон Максвелла
Одна из вызвавших наибольшие споры попыток обойти второе начало термодинамики была предложена в 1860-х шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом в виде мысленного эксперимента. Представим себе два стоящих бок о бок прямоугольных сосуда с газом одной температуры. В стенках сосудов имеется по маленькому отверстию, которое позволяет частицам газа переходить из сосуда в сосуд. Если нагреть один сосуд, частицы, проходя через это отверстие, постепенно выровняют температуры. Максвелл представил себе, что у отверстия сидит крошечный демон, микроскопический чертенок, который вылавливает самые быстрые молекулы одного сосуда и пропихивает их в другой. В результате средняя скорость движения молекул второго сосуда возрастает за счет молекул первого. Стало быть, постулировал Максвелл, тепло будет переноситься из сосуда похолоднее в сосуд погорячее. Разве такой процесс не окажется нарушением второго начала термодинамики? Не позволит ли правильный отбор молекул переносить тепло из холодного тела в горячее?
С тех пор физики безуспешно пытались объяснить, почему демон Максвелла работать ну никак не может. Многие из них говорили, что процесс измерения скоростей частиц а затем открывания и закрывания соединяющего сосуды люка потребует работы, а значит, и затрат энергии, а это означает, что полная энтропия системы не уменьшится. Ближе всех подошел к реализации «демона Максвелла» в наноразмерных масштабах эдинбургский физик Дэвид Ли. Его устройство действительно отделяло быстрые частицы от медленных, но для этого ему требовался внешний источник энергии. Поскольку механизма, который мог бы перемещать частицы без использования внешней энергии, не существует, обойти второе начало термодинамики физикам не удалось и поныне. По крайней мере, до сей поры оно держится.
(Не)модная вселенная
Не так давно астрономы попытались определить усредненный цвет вселенной по сумме свечения всех звезд. Оказалось, что он не желтый, как у Солнца, не розовый и не синий, а довольно унылый — бежевый. Через миллиарды лет, когда энтропия одолеет наконец гравитацию, вся вселенная станет однородно бежевой.