Термодинамика

Термодинамика для химиков - способ предсказывать будущее. Опираясь на несколько фундаментальных законов, они могут прогнозировать, пойдет та или иная реакция или нет. Если у вас не получается сразу увлечься термодинамикой, учтите: она много чего может сообщить вам о чае и конце Вселенной.

Термодинамика, может, и смахивает на какой-то замшелый учебный предмет, который в наши дни никому не нужен. Он же основан на законах, сформулированных сто с лишним лет назад. Чему термодинамика может научить нас нынче? Так вот — много чему, вообще-то. Химики применяют термодинамику, чтобы разобраться, что происходит с живыми клетками, когда им холодно, — к примеру, когда человеческие органы обложены льдом вплоть до времени трансплантации. Термодинамика помогает химикам предсказывать поведение «жидких солей», применяемых в качестве наполнителей в аккумуляторах холода, в лекарствах и ультрасовременных материалах.

Ни создать, ни разрушить

Мы уже познакомились с Первым законом термодинамики. В простейшем виде он утверждает, что энергию невозможно ни создать, ни разрушить. В этом много смысла, если вспомнить, что мы знаем о превращениях энергии: энергию можно преобразовывать из одного ее вида в другой — к примеру, химическая энергия в бензобаке вашего автомобиля преобразуется в кинетическую энергию движения, стоит вам повернуть ключ в замке зажигания. Именно превращениями энергии люди, изучающие термодинамику, и интересуются.

Химики говорят, что энергия в некоторых химических реакциях «теряется», но на самом деле этого, конечно, не происходит. Она просто уходит куда-то — обычно в окружающую среду в виде тепла. В термодинамике такие реакции, протекающие с «потерей тепла», называются экзотермическими. Обратный случай, когда тепло из окружающей среды поглощается, — эндотермические реакции.

Важно помнить, что, независимо от того, сколько энергии перемещено между материалами, участвующими в реакции, и их окружением, общее количество энергии остается неизменным. Иначе не работал бы закон сохранения энергии — Первый закон термодинамики.

Второй закон уничтожает Вселенную

Второй закон термодинамики усвоить несколько труднее, однако с его помощью можно объяснить практически все. Его применили к объяснению Большого взрыва и для предсказания конца Вселенной, а также, вместе с Первым, Второй закон объясняет нам, почему попытки построить вечный двигатель обречены на провал. А еще он помогает нам понять, почему чай остывает, а не нагревается.

Закавыка Второго закона состоит в том, что он опирается на мудреное понятие, именуемое энтропией. Энтропию часто называют мерой беспорядка: чем менее нечто упорядочено, тем выше в нем энтропия. Вообразите пакетик соленых крендельков. Пока все крендельки лежат в пакете, энтропия их невысока. Но стоит слишком порывисто вскрыть пакетик, крендельки полетят во все стороны, и энтропия у них как у совокупности изрядно повысится. То же верно и когда вы откупориваете склянку с нашатырным спиртом — в этом случае приращение беспорядка вы учуете носом.

Второй закон термодинамики утверждает, что энтропия всегда увеличивается — или, по крайней мере, никогда не уменьшается. Иными словами, все в природе стремится разупорядочиться. Это применимо ко всему, включая саму Вселенную, в которой рано или поздно водворится полный беспорядок и тлен. Довод в пользу этого жутковатого прогноза состоит в том, что, по сути, способов разбросать где попало крендельки гораздо больше, чем способов сложить их в пакетик. Второй закон иногда формулируют в понятиях тепла, и тогда говорится, что тепло всегда перемещается от более нагретого места системы к менее нагретому, — именно поэтому чай всегда остывает, отдавая тепло окружающей среде, а сам делается холодным.

«Не знать второго закона термодинамики - все равно что не прочесть ни единого сочинения Шекспира» Чарлз Перси Сноу (1905-1980), английский писатель, физик, политический деятель

С точки зрения химика, однако, Второй закон важен для определения того, что происходит в химических процессах. Реакция лишь тогда термодинамически осуществима — или, иными словами, она пойдет в определенном направлении, — если общая энтропия увеличивается. Чтобы определиться с этим, химику необходимо думать об изменении энтропии не только в «системе», которая зачастую оказывается гораздо более сложно устроенной, чем кулек с крендельками или чашка чая, но также и в окружающей среде. Если не нарушается Второй закон, реакция пойдет, а если она буксует, химику предстоит понять, что нужно исправить, чтобы химический процесс сдвинулся с мертвой точки.

Нам не страшен третий закон

Третий закон термодинамики менее известен, нежели два первых. По сути, он гласит: когда температура идеального кристалла — да, идеального — достигает абсолютного нуля, энтропия в нем равна нулю. Что объясняет, почему о Третьем законе часто забывают. Абстрактный он какой-то — и полезен только людям, которые знают, как остудить что-либо до абсолютного нуля (-273 °С), и работают с кристаллами — да не с какими попало, а с совершенными, идеальными!

Система и окружающая среда

Химикам нравится, чтобы во всем был порядок, и потому, берясь за термодинамические расчеты, они всегда следят за точностью определения предмета вычислений. Перво-наперво нужно определить систему или реакцию, о которой идет речь, а все остальное тогда - окружающая среда. Вот остывает, к примеру, чай в чашке: у нас есть чай и есть все остальное вокруг - чашка, блюдце, воздух, в который поднимается пар от чая, ладонь, которая горячей чашкой греется. Когда речь заходит о химических реакциях, определить, где пролегают границы между системой и окружающей средой, бывает несколько сложнее.

Энтропия

Энтропия - на самом деле мера того, в скольких различных вариантах та или иная система может существовать в заданных условиях. Нам, положим, известен размер кулька с крендельками, и мы даже знаем, сколько там этих крендельков. Однако, если потрясти упаковку, невозможно предугадать, как разместится в ней каждый кренделек, когда мы кулек откроем. Энтропия показывает, сколько существует способов расположения крендельков внутри упаковки. Чем больше пакет, тем больше вариантов размещения в нем крендельков. В химических реакциях, где предмет рассмотрения - молекулы, а не крендельки, приходится учитывать гораздо больше всяких параметров - например, температуру и давление.