В начале было ничто. Про время, пространство, скорость и другие константы физики - Питер Эткинс
Теперь мне надо связать введенное таким образом понятие температуры с его молекулярной интерпретацией в терминах распределения Больцмана. Ключевой момент, как я уже подчеркивал, заключается в том, что температура – параметр, который характеризует распределение молекул по доступным энергетическим уровням, причем параметр универсальный (а именно, независимый от субстанции). У объекта A (железа) имеется целый ряд энергетических уровней, и атомы железа рассеиваются по ним в соответствии с распределением Больцмана для данной температуры. У объекта B (воды) тоже есть свой набор энергетических уровней, и молекулы воды занимают их в соответствии все с тем же распределением Больцмана (определяющий параметр которого, температура, имеет то же значение, что и у объекта A). Когда A и B объединяются (железо погружается в воду), их энергетические уровни переплетаются друг с другом, как переплетаются пальцы ваших рук, когда вы сжимаете их. Распределение молекул остается неизменным, остается неизменной и температура, – в общем, ничего не происходит.
Распределение Больцмана включает в себя и, как все молекулярные интерпретации явлений, обогащает концепцию температуры. Теперь вы начинаете понимать, почему в этом распределении содержится объяснение как устойчивости материи в повседневном смысле, так и способности вещества изменяться при нагревании. При нормальных температурах распределение населенностей не распространяется на слишком высокие энергии: большинство молекул находятся на низких энергетических уровнях, где им остается разве что вяло осциллировать. Такое вещество будет долгоживущим. Когда температура поднимается, все больше и больше молекул попадает на высокоэнергетические уровни. В смысле энергии у молекул дела обстоят так же, как и у нас в нашей обычной жизни: когда ее много, дела идут. В частности, атомы могут быть выброшены из вещества; между ними могут образовываться новые связи; могут начаться химические реакции. На кухне, например, стряпня – это процесс, в ходе которого микроволновка или конфорка используются для выталкивания молекул на более высокие энергетические уровни, где достаточно большое их количество приобретет способность реагировать. Холодильники, наоборот, переводят молекулы на наиболее низкие уровни энергии, где они успокаиваются – и тем самым сохраняются от распада.
Из распределения Больцмана вытекает химический закон, относящийся к скоростям протекания реакций. Шведский химик Сванте Аррениус (1859–1927), удостоенный в 1903 году одной из первых Нобелевских премий, – он же, кстати, и помогал их учредить, – предположил, что скорость химической реакции растет с температурой некоторым особым образом, зависящим от параметра, называемого «энергией активации», причем этот параметр меняется от реакции к реакции [29]. Теперь этот закон называется законом Аррениуса. Если не вдаваться в детали (эта оговорка означает, что здесь есть много исключений), скорость химической реакции, как правило, удваивается на каждые 10 градусов роста температуры. Объяснение этому тоже дает распределение Больцмана: энергия активации есть просто минимальная энергия, необходимая, чтобы молекулы могли начать реагировать, и количество молекул, которые на это способны, растет с температурой, когда в соответствии с распределением Больцмана увеличивается населенность уровней с высокой энергией. Охлаждение (замораживание) дает противоположный эффект: по мере того как распределение Больцмана уводит молекулы на низкие уровни, все меньше молекул имеют достаточную энергию для вступления в реакцию, и реакция замедляется.
Закон Аррениуса имеет много следствий, заметных в повседневной жизни. Мы готовим пищу, поднимая энергию молекул до уровней, превышающих их энергию активации. Для этого мы поднимаем их температуру на много десятков градусов и таким образом ускоряем реакции, ведущие к разрушению структуры продуктов питания. Мы сохраняем пищу, сжимая профиль распределения Больцмана настолько, чтобы у молекул не оставалось энергии для реакций. Тело борется с болезнью с помощью жара – температура тела поднимается, нарушая хрупкое равновесие скоростей химических реакций, которые поддерживают жизнь и в нас, и в атакующих наш организм бактериях (вот уж где действительно нужно поддерживать равновесие!). Светлячки быстрее летают в теплые ночи, чем в холодные. В промышленности закон Аррениуса используется, чтобы запустить реакции, необходимые для извлечения полезного вещества из сырья. Весь мир вокруг нас представляет собой стройный хор химических реакций, разворачивающихся в тон закону Аррениуса, меняющих свои скорости и снова и снова воспроизводящих в разных модификациях одно и то же распределение Больцмана, основанное на анархии непрерывных температурных изменений.
* * *
Но в вашем мозгу уже, вероятно, возникает вопрос – что происходит, когда в контакт друг с другом входят два объекта не с одинаковой, а с разной температурой? Здесь мы покидаем область нулевого начала, расстаемся с очарованием состояния, в котором «происходит ничто», и входим в мир законов, где это «ничто» НЕ происходит. Но прежде, чем отправиться туда в любом формальном смысле, вспомните, что из повседневного опыта вы уже знаете, что происходит: энергия течет от более горячего тела к более холодному (раскаленное железо остывает, а холодная вода нагревается), постепенно оба тела достигают некоторой промежуточной температуры и возвращаются в состояние «теплового равновесия», в котором на вид не происходит ничего. Сейчас я разовью описание этой известной черты Природы и воспользуюсь ею, чтобы представить вам еще один закон, который имеет далеко идущие последствия и тоже, ясное дело, порожден анархией.
Здесь надо познакомить вас с понятием «теплоты». В каком-то смысле сделать это несложно, потому что ее не существует. Несмотря на то что мы широко пользуемся этим словом в обычном разговорном языке, никакой «теплоты» горячее тело не содержит; оно не теряет ее и при остывании, потому что терять ему просто нечего. Многие говорят, – и вы, возможно, уже об этом подумали, – что теплота является формой энергии, но это не так. В науке теплота – это не «что-то», не предмет; это процесс. Теплота есть передача энергии вследствие разности температур. Нагревание не есть процесс увеличения теплоты объекта; это процесс, который может использоваться для увеличения его температуры (производство работы – например, усиленное перемешивание жидкости – тоже может поднять ее температуру). Если не для повара, то для ученого уж точно нагревание есть процесс передачи энергии объекту с использованием для этого разности температур; ничего такого, что можно назвать «теплотой», при этом не передается. Да, замечая, что поток теплоты имеет многие атрибуты жидкости, ее когда-то действительно считали жидкостью, называя ее caloric или теплородом (от латинского calor, что значит «тепло», что в свою очередь, если проследить этимологию этого слова вглубь времен, происходит от санскритского carad, «сбор урожая», «страда», «горячее время»). Но это было еще в начале XIX века, и такая интерпретация давно опровергнута. Все эти придирчивые замечания противоречат привычному бытовому значению слова «тепло», но в науке так
