Дело в химии. Как все устроено? - Джузеппе Алончи
Однако этого не происходит: тепло перетекает от более горячего тела к более холодному, но никогда в обратном направлении. Закон, который определяет это явление, и есть второе начало термодинамики: он дает исследователям инструмент, позволяющий отличить спонтанный процесс от не являющегося таковым. Формулируется оно так:
Энтропия Вселенной постоянно растет
А что такое энтропия? Оставим в стороне строгие математические определения: мы можем ее определить как физическую величину, отражающую степень микроскопического беспорядка системы. Чтобы лучше понять, что имеется в виду, вообразите себе, что входите в комнату, имея при себе маленький флакон с небольшим количеством чрезвычайно вонючего газа. Когда вы откроете флакон, газ распространится по комнате и через некоторое время все присутствующие начнут вопрошать, кто испортил воздух. Если же взглянуть с термодинамической точки зрения, то исходной точкой была более упорядоченная система, в которой газ-вонючка был отделен надежно от атмосферы в комнате, а конечной – беспорядочная система, в которой расположение всех молекул совершенно случайно. Энтропия в комнате возросла. Процесс, в результате которого вонючий газ, равномерно рассеянный по помещению, спонтанно отделится от других молекул и вернется туда, откуда вышел, приведет к большей микроскопической упорядоченности, что никогда не случится само по себе, как бы ни хотелось развернуть назад многие неловкие ситуации в лифте…
Еще один аспект второго начала, чуть более философский, но очень важный, состоит в том, что энтропия дает нам понятие времени и его направления: она сообщает, куда движется мироздание. Весь мир движется во вполне определенном направлении – к максимальной энтропии, к максимальному беспорядку. Значительная часть законов физики симметричны относительно времени, то есть работают независимо от его течения; они не сообщают ничего о том, что было в прошлом, что есть сейчас и что будет в будущем. А второе начало разбивает это зеркало и устраняет симметрию: отныне направление чередования событий четко определено.
Теория энтропии довольно сложна, однако мы можем сделать из нее выводы, имеющие вполне конкретное отношение к повседневной жизни:
a) процесс, при котором тепло спонтанно переходит от холодного тела к нагретому, невозможен;
б) энергия в любом виде стремится рассеяться, как тепло.
Эти два утверждения полностью отвергают возможность изобретения машины на вечном двигателе, способной самозаряжаться и двигаться без подпитки энергией. В любом процессе некая часть энергии всегда тратится впустую, как тепло, то есть рассеивается в пространстве, и мы не можем ее собрать назад никаким образом, независимо от уровня развития нашей цивилизации. Мы не можем не только выиграть, но даже сыграть вничью. Что бы мы ни предпринимали, часть использованной энергии все равно превратится в тепло, рассеянное навсегда во Вселенной.
Классическим примером для иллюстрации этой концепции служит холодильник. Представьте себе, что читаете эту книгу очень жарким августовским днем. Температура на улице поднялась до 35 °C, солнце нещадно жарит стены вашего дома так, что он все больше напоминает жерло вулкана. Выбросив из головы все счета за электричество, вы отчаянно хватаетесь за пульт кондиционера, предвкушая уже струю холодного воздуха, омывающую тело. Вы нажимаете на кнопку… и ничего не происходит. Вы повторяете нажатие еще несколько раз, но напрасно: не работает. В отчаянии вы звоните в техническую службу, но у них полно заявок, и они смогут приехать только через пару дней. И тут вам приходит в голову идея: надо открыть дверь холодильника! Конечно, он не так удобен, как кондиционер, но лучше что-то, чем ничего, не так ли? Надо закрыть дверь и окно в кухне, открыть дверцу и подождать. Но пару часов спустя вам начинает казаться, что стало еще жарче, холодильник начинает завывать, будто готовится взорваться. Пришедший из школы сын, изучающий на физике как раз второе начало термодинамики, подкидывает вам учебник. И тут вы вспоминаете, что невозможно просто «уничтожить» тепло в комнате (первое начало термодинамики), его нужно куда-то деть. У кондиционера есть трубка, через которую тепло рассеивается вне стен вашего дома, а у холодильника есть теплообменник, который рассеивает в кухне тепло, извлеченное изнутри холодильной камеры. Если дверца закрыта, камера охлаждается, а воздух в кухне слегка нагревается; но если оставить ее открытой, вы не получите ничего, поскольку вы будете забирать тепло с одной стороны, и тут же выбрасывать с другой. И не только. Холодильник подключен посредством провода к электрической сети: как разделить виды энергии? Если бы тепло, отдаваемое задней стенкой холодильника, было равно количеству тепла, полученного из камеры, общий энергетический баланс равнялся бы нулю: а куда бы делась работа электричества? На самом деле из холодильника выделяется больше тепла, чем он забирает из воздуха, потому что часть работы электричества, вследствие второго начала, тоже преобразуется в тепло. И ваш сын совершенно прав – вы превратили холодильник в очень затратную духовку…
Теперь можно сформулировать итог: второе начало декларирует, что мир постоянно стремится к некоему равновесию, неподвижности. Жизнь – это нечто иное, как непрерывная борьба с термодинамикой. Все биохимические процессы, происходящие в нашем теле, имеют одну цель: не позволить нашему организму прийти в равновесие с окружающей средой. Для этого нам необходима энергия, которую мы потребляем с пищей и которую наше тело расходует для поддержания постоянной температуры в 37 °C в более холодной или более горячей среде. Эта энергия служит также для выработки электрических импульсов, используемых мозгом и нервной системой для коммуникации с остальными частями тела, для сокращения мускулов, возвращения их в прежнее состояние готовности к новым движениям. Она позволяет крови – при каждом вдохе – наполняться кислородом и циркулировать по телу. Равновесие же есть смерть: ничто больше не сможет измениться, ничего не случится. Это – конец времен, самый кончик стрелы. Согласно самым свежим космологическим теориям, это возможная окончательная судьба нашей Вселенной, термическая смерть, после которой не останется ни звезд, ни планет, ни галактик, ни черных дыр и никакой жизни, только вечная ледяная тишина[21].
Химия ископаемого топлива
А сейчас, когда мы уже познакомились с основными законами, управляющими преобразованиями энергии, мы
