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

 Термодинамический анализ работы парового двигателя (или теплового двигателя). Энергия покидает горячий источник в виде тепла, а поэтому уменьшает его энтропию. Часть этой энергии превращается в работу, которая не влияет на энтропию. Остаток энергии попадает в холодный сток, производя таким образом много энтропии. При условии, что температура холодного стока ниже, чем температура горячего источника, общая энтропия будет возрастать, даже если энергия, растраченная в виде тепла, меньше энергии, полученной из горячего источника. Разница между полученной и потраченной энергией может быть извлечена в виде работы.

Теперь главное. Коль скоро наш двигатель не произвел работы, мы получили бы тот же результат, просто приведя горячий источник в прямое соприкосновение с холодным стоком. Однако перенос энергии из горячего источника остается спонтанным, даже если мы превращаем часть ее — но не всю энергию — в работу, а остаток переводим в холодный сток. Это, конечно, тот случай, когда отъем энергии в виде тепла у горячего источника приводит, как и прежде, к уменьшению его энтропии. Однако мы можем получить компенсирующее возрастание энтропии, отправляя в холодный резервуар меньшее количество тепла. Например, если температура холодного стока равна половине температуры горячего источника (в абсолютной шкале температур), то мы можем получить компенсирующее возрастание энтропии, позволив лишь половине извлеченной энергии уйти в холодный сток и оставив вторую половину себе, чтобы использовать ее для получения полезной работы. Двигатель работает спонтанно, то есть это полезный и жизнеспособный прибор, поскольку общее возрастание энтропии имеет место, даже если мы используем часть извлеченной энергии в виде работы.

Теперь можно понять, что холодный сток является существенно важным. Только если холодный сток есть в наличии, и часть энергии попадает в него, имеется какая-то надежда, что энтропия в целом возрастет. Отдача энергии горячим источником соответствует убыванию энтропии. Перенос энергии вовне в виде работы оставляет энтропию неизменной, поэтому на данной стадии всей истории в целом имеет место убывание энтропии. Для того чтобы двигатель работал спонтанно (а двигатели, которые не действуют спонтанно, то есть приводимые в движение извне, хуже чем бесполезны), существенно важно производить где-то некоторую энтропию, чтобы гарантировать, что в целом энтропия будет возрастать. В этом роль холодного стока: он действует, как тихая библиотека, являясь местом большого возрастания энтропии, даже если в него сбрасывается малое количество энергии. При этом важно заметить, что «потери», как и сосуд для этих потерь, необходимы, чтобы двигатель мог быть жизнеспособным. Холодный источник поэтому является источником жизнеспособности двигателя, поскольку без него не могло бы быть никакого возрастания энтропии.

Паровой двигатель демонстрирует тот факт, что для получения работы — конструктивной силы — существенно важно, чтобы происходила также и диссипация энергии. Простое отбирание энергии из горячего источника не приводит к результату: чтобы заставить двигатель работать, мы должны сбросить некоторое количество тепла для подогрева холодного стока (который может быть просто окружающим пространством, а не обязательно частью конструкции двигателя). Где бы мы ни встретили конструкцию, мы обнаруживаем связанную с ней по крайней мере столь же большую деструкцию.

Давайте взглянем на некоторые изменения, происходящие в мире, и увидим, как, несмотря на то что они являются конструкциями, они вызываются к жизни происходящей где-то деструкцией. Сначала внешний мир. Любой акт строительства, например возведение стены, требует, чтобы была проделана работа по поднятию кирпичей на соответствующую высоту. Чтобы проделать эту работу, надо использовать двигатель (включая заправляемые едой мускульные двигатели живых тел), а чтобы двигатель был жизнеспособным, он должен порождать энтропию, рассеивая энергию в окружающую среду. Итак, двигатель подъемного устройства, тепловой двигатель некоторого рода, действует, рассеивая энергию в окружающее его пространство. Это верно даже для электрического подъемника, когда рассеяние энергии происходит в некотором удалении, на электростанции. Все искусственно созданные структуры мира, от гигантских пирамид до примитивных лачуг, были построены за счет рассеяния энергии.

Мы можем увидеть ближе способ, посредством которого происходит рассеяние энергии, рассмотрев химические реакции, используемые для поднятия температуры горячего источника. В этом обсуждении я сосредоточу внимание на привычном паровом двигателе. Хотя принцип действия двигателя внутреннего сгорания, в том, что касается рассматриваемых процессов, является тем же, технологически он реализуется более сложным путем, а я не хочу отвлекать вас деталями. Паровой двигатель является двигателем внешнего сгорания, где огонь нагревает воду вне поршня, так что последовательность событий легче проследить.

Давайте предположим, что горючее является нефтью, смесью углеводородов (соединения, содержащие лишь углерод и водород), как, например, цепочка длиной в шестнадцать атомов углерода, изображенная на рис. 4.11. Это молекула типична для горючей нефти и дизельного горючего; она также близко связана с молекулами жира, который присутствует в мясе и помогает смазывать волокна мышц настолько же хорошо, насколько служит в качестве изолирующего слоя и резервного топлива. То, что мы едим продукты, тесно связанные с дизельным топливом, в больших количествах, чем другие виды, не случайно, хотя и немного грустно.

Рис. 4.11. Шестнадцатиричная молекула (в центре кластера молекул, показанной слева) представляет молекулу углеводорода, обнаруживаемую в горючем и пищевых жирах. Она является цепочкой из шестнадцати атомов углерода (темные сферы), к которым прикреплены тридцать четыре атома водорода (маленькие светлые сферы). Представьте себе, как эта молекула корчится и извивается, когда проходит мимо своих беспорядочно двигающихся соседей, также корчащихся и извивающихся. Когда эта молекула горит, ее атакуют молекулы водорода, атомы углерода уносятся в виде шестнадцати отдельных молекул двуокиси углерода, а атомы водорода уносятся в виде семнадцати отдельных молекул воды (справа). Происходит значительное возрастание позиционного беспорядка. Более того, в окружающее пространство освобождается тепловая энергия, поскольку между атомами образуются связи, более сильные, чем в исходном веществе. В результате горение сопровождается большим возрастанием энтропии.

Когда нефть горит, молекулы, подобные изображенной на иллюстрации, атакуются молекулами кислорода из воздуха. Под натиском этой атаки цепь углерода разламывается, и с нее срываются атомы водорода. Атомы углерода уносятся в молекулах двуокиси углерода, а атомы водорода уносятся в молекулах воды. Большое количество тепла производится потому, что вновь сформировавшиеся связи между атомами сильнее, чем первоначальные связи между топливом и водородом, так что энергия освобождается, когда слабые старые связи заменяются сильными новыми связями, и атомы попадают в положение, более предпочтительное энергетически. Так почему же углеводород горит? Потому что при этом сильно возрастает беспорядок, а следовательно, и энтропия. Имеются два основных вклада в это возрастание энтропии. Одним является освобождение энергии, рассеивающейся в окружающем пространстве и повышающей его энтропию. Другой есть рассеяние вещества, так как длинные, упорядоченные цепочки атомов разрушаются, и отдельные атомы улетают от места сгорания в виде небольших молекул газа. Горение есть портрет содержания Второго Начала.

Давайте на минуту предположим, что энергия, освобождаемая при горении, ограничена областью пламени. Эта горячая область сгорающего топлива находится в контакте, через металлические стенки, с водой, которую мы хотим нагреть. Яростная толчея атомов в пламени соответствует высокой температуре. Легкая толчея в воде соответствует низкой температуре. Мы уже видели, что энтропия мира возрастает, когда тепло перетекает от горячего к холодному телу, поэтому поток энергии от области горения к воде является повышающим энтропию, спонтанным процессом.

Теперь вода стала горячей, и в принципе ее температуру можно поднимать, пока она не станет такой же горячей, как пламя. Однако, когда температура воды поднимается, она достигает точки, в которой вода кипит. Почему это так? Конечно, потому, что образование пара становится спонтанным процессом, когда температура достигает определенной величины, «точки кипения» воды.

Чтобы понять, почему вода кипит, мы должны исследовать происходящие при этом изменения энтропии. Здесь, с несколько иной термодинамической точки зрения, мы обнаружим одну забавную черту кипения. Во-первых, заметим, что в процессе превращения воды в пар возникают два конфликтующих вклада в изменение энтропии. Это большой прирост энтропии, когда жидкость становится паром. Такое возрастание предполагает, что вода всегда имеет тенденцию к испарению. Однако испарение воды требует энергии, поскольку притяжение между молекулами жидкости, удерживающее их вместе, должно быть преодолено, чтобы возник газ независимых молекул. Поэтому, когда вода испаряется, энергия должна притекать к жидкости. Такой поток энергии внутрь снижает энтропию окружающей среды, поскольку он соответствует оттоку энергии из нее. При низких температурах уменьшение энтропии окружающей среды, обусловленное этим оттоком энергии, велико (снова тихая библиотека), и даже хотя имеет место возрастание энтропии воды при ее испарении, в целом энтропия падает. Поэтому при низких температурах испарение не является спонтанным. Однако, когда мы повышаем температуру окружающей среды, уменьшение энтропии становится меньше (шумная улица), и при достаточно высокой температуре общее изменение энтропии воды и окружающей среды становится положительным. Теперь вода имеет тенденцию испаряться спонтанно, и она кипит. Именно здесь и проявляется забавная черта, о которой мы упоминали. Мы видим, что в результате повышения температуры изменение энтропии окружающей среды уменьшается до того уровня, когда общее изменение энтропии становится положительным. Получается, что для достижения испарения мы должны как бы умиротворить сопротивление окружающей среды, повышая ее температуру.