Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Клаузиус придумал слово «энтропия» (слово неизвестного происхождения) для того, чтобы эта величина служила мерой недоступности энергии[74]. Он показал, что энтропия может быть выражена как теплота, разделенная на температуру. Таким образом, единицы измерения энтропии — калории на градус Цельсия. Мы можем сказать, что энтропия системы будет оставаться неизменной при идеальных условиях, но всегда возрастает со временем при реальных условиях. И это также является еще одним выражением второго закона термодинамики.

Не следует забывать, что законы термодинамики справедливы и обращаются только к замкнутым системам. Если мы рассмотрим открытые системы, то будет достаточно просто найти примеры очевидного уменьшения энтропии.

Например, в рефрижераторе теплота постоянно передается от холодных объектов внутри камеры в теплую атмосферу извне, что представляет собой явный вызов второму закону. Теплый объект, который мы помещаем в пределы камеры рефрижератора, остывает; поэтому свободная энергия (представленная разностью температур между воздухом извне и объектом внутри рефрижератора) увеличивается.

Во всех случаях, когда мы рассматриваем иные, чем теплота, формы энергии, можно обнаружить аналогичные «нарушения» второго закона термодинамики. Человек может подниматься вверх по холму, тем самым увеличивая свободную энергию, измеряемую как разность в потенциальной энергии в нем, когда он находится у основания холма и наверху. Железную руду можно очистить до чистого железа, а израсходованная аккумуляторная батарея может быть заряжена: первый пример демонстрирует «движение вверх по холму» применительно к химической энергии, последний — «движение вверх по холму» применительно к электрической энергии.

Дело в том, что во всех упомянутых случаях система не замкнута; энергия проистекает в систему снаружи. Для того чтобы сделать второй закон термодинамики имеющим силу, следует включить источник этой внешней энергии в систему так, чтобы он больше не был «снаружи».

Таким образом, вещество, находящееся в камере рефрижератора, остывает не само по себе (а как мы помним, первоначальное определение второго закона, говорит только о естественном, независимом потоке теплоты). Вместо этого охлаждение имеет место только потому, что внутри рефрижератора работает двигатель. И хотя энтропия внутренней камеры рефрижератора уменьшается, энтропия двигателя увеличивается. Кроме того, увеличение энтропии двигателя — гораздо больше, чем уменьшение ее в камере холодильника; таким образом, суммарное изменение в энтропии всей системы, представляющей собой камеру рефрижератора плюс его двигатель, говорит об ее увеличении.

Таким же образом уменьшение энтропии, которое происходит при превращении железной руды в железо, меньше, чем увеличение энтропии, которое происходит при горении кокса и других химических реакциях, вызывающих очистку железа. Увеличение энтропии в электрогенераторе, снабжающем электричеством для заряда аккумуляторную батарею, больше, чем уменьшение энтропии непосредственно аккумуляторной батареи по мере ее зарядки. Уменьшение энтропии человека, идущего вверх по холму, меньше, чем увеличение энтропии, которое происходит благодаря химическим реакциям внутри его тканей, которые извлекают химическую энергию из пищевых продуктов и создают усилия, которые требуются человеку для осуществления этого подъема.

Все это истинно и для различных крупномасштабных, планетарного масштаба процессов, которые, как кажется, вызывают уменьшение энтропии. Примерами таких, уменьшающих энтропию явлений являются: нерегулярное нагревание атмосферы, которое вызывает ветер и создает погоду; подъем бесчисленных тонн воды на мили вверх в противодействие силе тяжести, который порождает дождь и создает реки; преобразование растительным покровом планеты углекислого газа, содержащегося в атмосфере, в сложные органические соединения, которые являются основой и бесконечной пищевой цепочки Земли, и таких энергоносителей, как уголь и нефть. Именно благодаря всем этим явлениям свободная энергия Земли остается приблизительно на одном и том же уровне за всю историю ее существования; эти явления также объясняют, почему мы можем не опасаться в обозримом будущем того, что свободная энергия будет исчерпана.

И все же все эти явления не должны рассматриваться отдельно друг от друга, поскольку все они имеют место за счет достигающей Земли солнечной энергии. Именно солнечная энергия нагревает атмосферу и испаряет воду, именно она служит движущей силой для фотосинтеза различных покрывающих Землю растений. В процессе излучения теплоты и света Солнце подвергается гораздо более обширному увеличению энтропии[75], чем то относительно малое уменьшение, которое происходит благодаря земным планетарным явлениям.

Иными словами, если мы включим в пределы нашей системы все действия, которые затрагивают ее, то окажется, что суммарное значение ее энтропии всегда увеличивается. Если же мы вдруг обнаруживаем уменьшение энтропии системы, что случается достаточно часто, то это означает, что мы исследуем лишь часть системы и не видим ее целиком.

В реальности, на практике мы никогда не можем быть уверенными, что имеем дело с замкнутой системой. Независимо от того, насколько хорошо мы изолируем систему, всегда имеются внешние воздействия — приток энергии и потери энергии — как в систему, так и из нее. На все процессы на Земле воздействует солнечная энергия, и, даже если мы будем рассматривать Землю и Солнце вместе как одну большую систему, все равно останутся гравитационные и радиационные влияния от других планет и даже от других звезд. Мы не сможем убедиться, что имеем дело с действительно замкнутой системой, пока не возьмем для нашей системы нечто меньшее, чем вся Вселенная.

В терминах Вселенной мы можем (как это и сделал Клаузиус) выразить законы термодинамики с предельной общностью. В этом случае первый закон термодинамики звучал бы так: «Полная энергия Вселенной есть величина постоянная», а второй закон термодинамики звучал бы так: «Полная энтропия Вселенной непрерывно возрастает».

Теперь предположим, что Вселенная конечна в своем размере. Тогда она может содержать только некое, конечное, количество энергии. Если энтропия Вселенной (которая является мерой содержания ее связанной, бесполезной энергии, энергии, из которой невозможно извлечь работу) непрерывно увеличивается, то в конечном итоге величина связанной энергии достигнет точки, в которой она равна полной энергии. Так как связанная энергия не превысит этого значения, энтропия Вселенной достигнет своего максимума. В этом состоянии максимальной энтропии не останется никакой свободной энергии, то есть не смогут протекать никакие процессы, которые вовлекают передачу энергии, не может быть выполнена никакая работа. Вселенная «выключится», прекратит свое существование.