Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Питер Эткинз

Рис. 4.6. Это устройство (сверху) показывает, что, если формулировка Второго Начала, данная Клаузиусом, неверна, то формулировка Кельвина неверна тоже. Двигатель (слева) производит работу и отдает некоторое количество тепла в холодный сток. Однако, здесь имеется устройство, которое переносит это отданное тепло в горячий источник. Конечным результатом (справа) является исключение необходимости холодного стока, что противоречит формулировке Кельвина.

Иметь две формулировки Второго Начала, пожалуй, немного неэкономно. Мы можем подозревать, что формулировки Кельвина и Клаузиуса являются еще и различными сторонами одной, более абстрактной концепции, одной более абстрактной формулировки этого закона. Раскрывая эту более абстрактную, спрятанную формулировку, мы сделаем первый шаг к пониманию универсальности парового двигателя. Как мы видели немного раньше и как я уже подчеркивал в этой главе, путешествие в абстракцию является сущностью могущества науки, поскольку оно расширяет ее охват и усиливает ее способность понимать природу явлений.

Мы видели в главе 3, как появилось понятие энергии, чтобы стать потом главной валютой физики. Мы сосредоточились на количестве энергии и увидели; что физические явления стали рациональными, как только было обнаружено сохранение энергии. Первое Начало термодинамики отдает должное этому сохранению в утверждении, что энергия Вселенной постоянна. Мы не будем спорить об этом законе в текущей главе. Однако, так же как две библиотеки могут содержать один и тот же набор книг, одна в упорядоченном виде, а другая в случайно наваленной груде, и отличаться поэтому качеством обслуживания, которое они могут предоставить, так и энергия имеет качественную сторону, которая влияет на ее эффективность. Качество запасенной энергии измеряется свойством, знаменитым тем, что ускользает от понимания, — энтропией. Я сказал «ускользает от понимания», но мы вскоре увидим, что энтропия является понятием, более легким для усвоения, чем энергия; все дело в том, что слово «энергия» висит у всех на кончике языка в повседневных разговорах, но едва посмеет прозвучать слово «энтропия», мы узнаем в первом слове старого друга, а в последнем дракона. Одна из целей этой главы — рассеять «трудности», несправедливо приписываемые имени «энтропия», и вернуть энтропии ее законное место в повседневном дискурсе.

Выражаясь нестрого, энтропия есть мера качества энергии, так что чем ниже энтропия, тем выше качество. Тело, в котором энергия хранится в чистом, тщательно упорядоченном виде, как книги в эффективной библиотеке, имеет низкую энтропию. Тело, в котором энергия хранится небрежно, хаотически, как книги в случайной груде, имеет высокую энтропию. Понятие энтропии ввел и представил количественно точно в 1856 г. Рудольф Клаузиус в ходе разработки своей формулировки Второго Начала. Он ввел его, определив изменение энтропии, которое имеет место, когда энергия поступает в систему в виде тепла. А именно он записал:

Изменение энтропии = энергия, полученная в виде тепла / температура, при которой произошла передача,

Так, если некоторая энергия поступает в тело в виде тепла при комнатной температуре, то имеет место возрастание энтропии как можно рассчитать по этой формуле (отметим, что в знаменателе используется температура по абсолютной шкале). Пока вы там сидите, читая это предложение, вы генерируете тепло, которое рассеивается в окружающем вас пространстве, и тем самым вы увеличиваете энтропию своего окружения.[17] Если то же количество энергии поступает в виде тепла в то же самое тело при более низкой температуре, изменение энтропии будет больше; если энергия покидает тело в виде тепла, то энергия, поступающая в виде тепла, отрицательна, поэтому отрицательно и изменение энтропии. То есть энтропия тела уменьшается, когда оно теряет энергию в виде тепла, как остывающая чашка кофе. Заметим, что изменение энтропии задается энергией, передаваемой как тепло, и никак не зависит от энергии, передаваемой как работа. Работа сама по себе не порождает и не уменьшает энтропию.

Прежде чем я подниму занавес и покажу вам, что такое энтропия на самом деле, давайте убедимся, что это понятие действительно объединяет законы, предложенные Кельвином и Клаузиусом. Действительно, Клаузиус предположил, что оба утверждения могут быть поселены под одной крышей с помощью утверждения, что энтропия никогда не убывает.[18] Рассмотрим первое утверждение Кельвина, эквивалентное другому, гласящему, что «ваш двигатель будет работать, только если вы потратите попусту некоторую энергию», выраженное в терминах изменений энтропии. Предположим, мы объявляем, что изобрели двигатель, который использует все тепло и не нуждается в холодном стоке. Клаузиус сказал бы следующее:

Вы отняли тепло от горячего источника, поэтому энтропия резервуара упала. Все это тепло превращено машиной в работу, так что энергия вышла в окружающую среду в виде работы. Но работа не меняет энтропии, поэтому конечным результатом является уменьшение энтропии горячего источника. В соответствии с моим утверждением энтропия никогда не убывает. Поэтому ваш двигатель не может работать, в точности, как утверждал Кельвин.

Теперь рассмотрим первоначальное утверждение Клаузиуса о том, что тепло не течет от холодного к горячему. Предположим, мы объявляем, что наблюдали тепло, текущее в неправильном направлении, например, обнаружили лед в стакане воды, поставленном в печь. Клаузиус сказал бы теперь следующее:

Энергия в виде тепла покинула холодный объект (воду в стакане), поэтому его энтропия упала. Поскольку его температура низка, а температура стоит в знаменателе моего выражения для изменения энтропии, это убывание энтропии велико. Та же энергия поступила в горячую область (внутренность печи), поэтому энтропия этой области возросла. Однако из-за высокой температуры печи это возрастание мало. Конечным результатом будет сумма малого возрастания и большого убывания, дающая в целом убывание энтропии. В соответствии с моим утверждением энтропия никогда не убывает, поэтому тепло не может спонтанно перетекать от холодного к горячему, в точности, как я утверждал прежде.

Мы видим, что Клаузиус, введя энтропию, продемонстрировал такую степень абстракции, которая точно накрыла два эмпирических закона, казавшиеся портретами двух разных сторон мира: формулировка Второго Начала термодинамики в терминах энтропии подобна кубу, который при одном повороте проецируется как квадрат, символизируя формулировку Кельвина, а при другом как шестиугольник, представляя формулировку Клаузиуса. Утверждение Клаузиуса, что энтропия никогда не убывает, является сжатым итогом опыта и более утонченной, более абстрактной формулировкой Второго Начала. Сам Клаузиус суммировал термодинамическое состояние мира в своей знаменитой паре утверждений, которые суммируют вместе Первое и Второе Начала термодинамики:

Der Energie der Welt ist konstant; die Entropy der Welt strebt einem Maximum zu.

To есть энергия мира постоянна, энтропия стремится к максимуму.

Когда Второе Начало было впервые выражено в терминах энтропии, оно встретило серьезную оппозицию, поскольку раздражало чувствительные точки века: то, что энергия Вселенной постоянна, принять было легко (поскольку энергия изначально понималась как божественный дар, который никакое количество человеческой суеты не могло ни увеличить, ни уменьшить), но как что-то, чего и так в изобилии, могло возрастать? Откуда оно пришло? Кто или что вливает энтропию во Вселенную, смазывая тем самым колеса спонтанных изменений? Дух этого закона был таким чуждым, что на поиск контрпримеров были затрачены значительные усилия. Однако без малейшего успеха. Нет ни одного исключения из Второго Начала, куда бы оно ни прилагалось. Его используют для предсказания спонтанного направления простых физических процессов, таких как охлаждение горячих объектов до температуры окружения (и исключение обратного процесса, как неестественного) и спонтанное расширение газов в доступный объем (и исключение обратного). Его также используют для предсказания того, в каком направлении пойдут химические реакции, например, чтобы судить, можно ли для восстановления руды использовать углерод (как в случае железа), или вместо него следует использовать электролиз (как для алюминия). Оно приложимо к таинственному хитросплетению биохимических реакций, которые создают тот комплекс свойств вещества, который мы называем жизнью. Нет явления, которого оно не могло бы коснуться, и случая, в котором оно ошибалось бы; оно теперь подобно несокрушимой скале универсальной и непреходящей ценности.

Но что оно означает? Что это за вещь, называемая энтропией, и что означает невозможность ее уменьшения? В чем физический смысл энтропии? Как мы можем усвоить это понятие и подружиться с ним? Второе Начало кратко суммирует работу мира, в котором действуют утверждения Кельвина и Клаузиуса, и дает средства определять количественно, является ли спонтанным некоторый процесс или нет. Однако существует дверь к его пониманию, иная, чем последнее пояснение. Мы должны толкнуть эту дверь, открыть ее и увидеть с физической точки зрения, что заставляет Вселенную двигаться в одном направлении, а не в другом. Другими словами, что скрывается за энтропией и что является глубинной структурой Второго Начала?