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

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?

Дверь, которую мы сейчас толкнем, открывается в молекулярную основу вещества. Когда мы делаем шаг в этот мир, мы видим твердые тела, состоящие, шеренга за шеренгой, из атомов, молекул или ионов (заряженных атомов), слегка колеблющихся около их среднего положения. Мы видим жидкости, состоящие из молекул, пропихивающихся друг мимо друга не только когда жидкость течет, но также и тогда, когда она с виду безжизненно покоится в дремотном пруду. Мы видим газы, состоящие из летящих молекул, сталкивающихся, отскакивающих, улетающих далеко и быстро и, видимо, хаотично. Это мир, где лежит интерпретация энтропии и где мы сможем начать представлять себе, как ее возрастание сопровождает изменения. Близорукий австрийский физик Людвиг Больцман (1844-1906) прозревал природу вещества дальше любого из своих современников, до тех пор пока не бросил свою жизнь в лицо их непониманию и отвержению его идей и повесился. Он показал, что энтропия есть мера беспорядка: чем больше беспорядок, тем больше энтропия. Твердое тело, с его аккуратно упакованными рядами молекул, более упорядочено, чем жидкость, с ее тесно упакованными, но довольно подвижными молекулами, и твердое тело имеет более низкую энтропию, чем жидкость, в которую оно расплавляется. Газ с его свободно летающими молекулами более беспорядочен, чем жидкость, и газ имеет более высокую энтропию, чем жидкость, из которой он испаряется.

Изменения энтропии сопровождают как нагревание, так и изменения физического состояния. Например, когда мы нагреваем твердое тело, прежде чем оно расплавится, его молекулы раскачиваются все более неистово по мере возрастания температуры, и мы приходим к выводу, что с возрастанием беспорядочного термического движения растет и энтропия. То же происходит, когда мы нагреваем жидкость, поскольку, если мы поднимем ее температуру, ее молекулы будут двигаться более энергично, и весь набор мечущихся, мигрирующих молекул становится более беспорядочным. Когда мы нагреваем газ, молекулы движутся в более широком диапазоне скоростей, и поэтому беспорядок их термического движения возрастает; снова возрастание температуры газа ведет к возрастанию его энтропии. Когда газ расширяется, заполняя больший объем, его беспорядок, а значит, и его энтропия, возрастает даже несмотря на то, что его температура поддерживается постоянной, потому что, хотя его молекулы имеют тот же диапазон скоростей, уменьшается наша уверенность в том, что в заданном малом объеме сосуда имеется молекула. Когда энергия покидает горячий объект в виде тепла, термическое движение окружающих молекул увеличивается, поскольку они получают энергию, и энтропия окружения возрастает. Коротко говоря, энтропия возрастает, когда термический беспорядок вещества становится больше из-за увеличения термического движения атомов. Энтропия также возрастает, когда увеличивается позиционный беспорядок, диапазон возможных положений атомов.

Где бы мы ни встретили возрастание беспорядка, мы встречаем и возрастание энтропии (рис. 4.7). Вот почему энтропия является таким простым понятием: все, что необходимо держать в уме, это то, что она есть мера беспорядка. В простейших случаях мы можем моментально решить, возрастает или убывает энтропия, когда происходит изменение. Единственная сложная вещь — она не по-настоящему сложна, просто нельзя забывать о точности, с которой необходимо думать в термодинамике — это то, что используя изречение Клаузиуса об энтропии как выражающее несомненный симптом изменений, мы должны думать в терминах изменения полной энтропии, которое является полным изменением энтропии рассматриваемого объекта и остальной Вселенной. Это легче, чем кажется, потому что энтропия остальной Вселенной возрастает, если энергия попадает в нее в виде тепла, и убывает, если энергия в виде тепла уходит из нее в рассматриваемый объект. Это все, что нужно держать в уме.

Рис. 4.7. Энтропия в образцах, изображенных в этих трех прямоугольниках, последовательно возрастает слева направо. Прямоугольник слева представляет упорядоченную совокупность молекул в твердом теле: этот образец имеет низкую энтропию. Средний прямоугольник представляет менее упорядоченное расположение молекул в жидкости: этот образец имеет более высокую энтропию. Прямоугольник справа представляет в высшей степени хаотичную структуру газа (слова «газ» и «хаос» происходят от одного корня), где молекулы разбросаны случайно: этот образец имеет самую высокую энтропию.

Последнее предварительное замечание состоит в том, что теперь должно быть ясно: возрастание энтропии производит не какое-то физическое существо, добавленное ко Вселенной. Возрастание энтропии отражает возрастание беспорядка в мире, ухудшение качества его энергии, сохраняющей свою величину. Нет никакого внешнего космического источника энтропии: возрастание энтропии есть просто рост беспорядка энергии и вещества, как мы уже говорили. А раз так, то понятие энтропии гораздо легче постичь, чем понятие энергии. Конкретное определение энергии дать очень трудно. Мы можем бормотать о том обстоятельстве, что она может производить работу, или (как будет ясно в главе 9), что она есть проявление кривизны пространства, или даже что она и есть кривизна пространства; но честно говоря, ни одно из этих определений не кажется достаточно конкретным для понимания. Энтропия, напротив, подобна легкому бризу. Все, что мы должны сделать, это подумать о беспорядке распределения энергии и вещества, и мы получаем полное количественное овладение этой концепцией. Увы, Больцмана довела до смерти неспособность ученых его времени подойти к вопросу с точки зрения такой фундаментально простой интуиции (рис. 4.8).

Рис. 4.8. Бюст Больцмана имеет в качестве эпитафии одно из центральных уравнений, связывающих концепции термодинамики с поведением атомов и молекул. Уравнение имеет форму:

энтропия = константа × логарифм числа возможных расположений атомов.

Поэтому, когда число расположений атомов возрастает (как при переходе от твердого тела к жидкости, а затем к газу), возрастает и энтропия. Эта формула представляет качественные идеи, которые мы описали, в точном, числовом, количественном виде.

Молекулярная интерпретация энтропии может казаться весьма далекой от определения энтропии, данного Клаузиусом в терминах поступающего тепла и температуры, при которой оно поступает. Однако мы можем свести их вместе, посмотрев, как беспорядок ложится в основание определения Клаузиуса. Аналогией, которую я люблю использовать для демонстрации этой связи, является чихание на шумной улице или в тихой библиотеке. Чихание подобно беспорядочно передаваемой энергии, очень похожей на энергию, переносимую в виде тепла. Нетрудно согласиться с тем, что чем сильнее чих, тем больше беспорядок, создаваемый на улице или в библиотеке. Это основная причина, почему «энергия, полученная в виде тепла», оказывается в числителе выражения Клаузиуса, поскольку чем больше энергии поступает в виде тепла, тем больше возрастает беспорядок, а значит, тем больше возрастает энтропия. Присутствие температуры в знаменателе также согласуется с этой аналогией, с учетом того, что энтропия возрастает больше, если температура низкая, чем если она высока. Прохладный объект, в котором тепловое движение мало, соответствует тихой библиотеке. Внезапное чихание внесет большое возмущение, соответствующее большому приросту энтропии. Горячий объект, в котором уже присутствует интенсивное тепловое движение, соответствует шумной улице. Теперь чихание той же силы, что и в библиотеке, имеет относительно малый эффект, и возрастание энтропии мало.

Теперь мы начинаем понимать, что пытается выразить Второе Начало. Утверждать, что энтропия не убывает ни при каких естественных изменениях, это то же самое, что сказать: молекулярный порядок никогда не возрастает по своей собственной инициативе. Молекулы, распределенные случайно, как в облаке пыли, никогда самопроизвольно не образуют статую Свободы. Газ никогда спонтанно не соберется в один угол контейнера. Энергия, рассеянная повсюду — как, например, тепло в покрытии стола, с его бесчисленными случайными колебаниями атомов, — никогда спонтанно не стечется в малую область: яйцо никогда спонтанно не запечется, лежа на прохладном столе.