История Земли

 

Второе начало термодинамики - Закон неубывания энтропии

 

 

В 1865 г. Р. Клаузиус, имея дело с этой самой необратимо теряемой (диссипированной) энергией, ввел специальную величину, названную им энтропией (5); она отражает отношение тепловой энергии к температуре и имеет размерность кал/град. В любом процессе, связанном с превращениями энергии, энтропия возрастает или - в идеальном случае (горячий и холодный резервуары разделены абсолютным теплоизолятором, ток течет по сверхпроводнику и т. д.) — не уменьшается. Поэтому ВНТ иногда называют Законом неубывания энтропии. А самая краткая объединенная формулировка Первого и Второго начал термодинамики, предложенная тем же Клаузиусом (1865), такова: «В любой замкнутой системе полная энергия остается постоянной, а полная энтропия с течением времени возрастает».

 

Пусть у нас есть та же самая пара резервуаров - горячий и холодный; их соединяют, в результате чего их температуры, отражающие среднюю кинетическую энергию молекул, уравниваются. Можно описать эту картину и так: «Система вначале была структурирована - поделена на горячую и холодную части, а затем эта структура разрушилась; система перешла из упорядоченного состояния в беспорядочное, хаотическое. Понятиям «порядок» и «хаос» не так-то просто дать строгие определения, однако интуитивно мы подразумеваем, что порядок — это когда предметы разложены в соответствии с некой логической системой, а хаос — когда никакой системы не обнаруживается.

 

 Итак, мы видим, что когда энергия (в данном случае тепловая) перетекает в направлении, указанном ВНТ, хаос (беспорядок) в системе возрастает. А поскольку энтропия при этом растет тоже, то возникает вполне логичное предположение: а не являются ли «хаос» и «энтропия» родственными, взаимосвязанными понятиями? Так оно и есть: в 1872 г. JI. Больцман строго доказал, что клаузиусова энтропия (S) действительно является мерой неупорядоченности состояния системы: S = klnP, где к — универсальная постоянная Больцмана (3,29 • Ю-24 кал/град) а Р— количественное выражение неупорядоченности (оно определяется довольно сложным способом, который для нас сейчас неважен). Это соотношение называют принципом порядка Больцмана; оно означает, что необратимые термодинамические изменения системы всегда идут в сторону более вероятных ее состояний, и в конечном счете ведут к состоянию хаоса — максимальной выровненности и симметрии.

 

Поскольку в любой замкнутой системе энтропия непрерывно и необратимо возрастает, то со временем в такой системе, как наша Вселенная, исчезнет всякая структурированность и должен воцариться хаос. В частности, установится единая температура (которая, соответственно, будет лишь немногим выше абсолютного нуля). Эту гипотетическую ситуацию называют «тепловой смертью Вселенной»; рассуждения на эту тему были очень модны в конце прошлого века. Надо сказать, что закон неубывания энтропии — со всеми его глобально-пессимистическими следствиями - вообще создает массу неудобств для мироощущения любого нормального человека. Неудивительно, что регулярно возникает вопрос: а нельзя ли найти способ как-нибудь объегорить ВНТ и победить возрастание энтропии?

 

Те из вас, кто читал «Понедельник начинается в субботу», возможно, помнят работавших в НИИЧАВО вахтерами демонов Максвелла; кое-кто, возможно, даже прочел в «Словаре-приложении» разъяснение Стругацких, что существа эти первоначально «были созданы для вероломного нападения на Второе начало термодинамики». Суть мысленного эксперимента, осуществленного Дж. Максвеллом (1860), заключается в следующем. Есть два сосуда с газом, соединенных трубкой; система находится в тепловом равновесии: усредненные энергии молекул любых двух порций газа равны между собой. Это вовсе не означает, что все молекулы одинаковы: среди них есть более быстрые («горячие») и более медленные («холодные»), просто на больших числах это все усредняется. А что, если несколько быстрых молекул (чисто случайно!) перейдут из правого резервуара в левый, а несколько медленных - из левого в правый? Тогда левый сосуд несколько нагреется, а правый охладится (при этом суммарная энергия системы останется неизменной); в системе возникнет разность потенциалов, т. е. возрастет упорядоченность, а энтропия снизится.

 

 В реальности такие отклонения будут — по теории вероятностей - сугубо временными. Давайте, однако, вообразим, что в соединяющей сосуды трубке сидит крошечный демон, который будет пропускать быстрые молекулы только слева направо, а медленные - справа налево. Через некоторое время все быстрые молекулы соберутся в правом сосуде, а все медленные — в левом, левый сосуд нагреется, а правый охладится; значит, энтропия отступила. Понятное дело, что такого демона в действительности не существует, но, может быть, мы со временем сумеем создать некое устройство, работающее на этих принципах?

 

К сожалению, не сумеем. (Кстати, сам Максвелл и не думал покушаться на ВНТ: ему-то демон был нужен просто для объяснения температуры через скорость движения молекул - в противовес тогдашним представлениям о «невидимой жидкости-теплороде».) Все дело в том, что наши резервуары с газом не являются полной системой: полная же система состоит из газа плюс демона. «Отлавливая» молекулы с соответствующими параметрами, наш демон вынужден будет пахать, как трактор. Поэтому повышение собственной энтропии демона с лихвой перекроет то понижение энтропии, которое он произведет в газе. Одним словом, мы имеем дело с классическим вечным двигателем второго рода.

Однако постойте: энтропию газа-то демон, как ни крути, понизил... А ведь это идея!..

 

Пускай суммарная энтропия некой системы (скажем, Вселенной) необратимо возрастает — ну и ладно. Мы же займемся тем, что будем локально понижать энтропию и повышать упорядоченность настолько, насколько нам нужно. Конечно, в других частях системы энтропия при этом вырастет, но нам-то что за дело?

 

Реализуем ли такой сценарий? Да, ибо саму жизнь вполне можно рассматривать как пример такого локального нарушения закона неубывания энтропии. Основатель квантовой механики Э. Шредингер в своей замечательной книге «Что такое жизнь с точки зрения физика?» именно так и определяет ее: как работу специальным образом организованной системы по понижению собственной энтропии за счет повышения энтропии окружающей среды.

 

Этот подход стал достаточно традиционным, однако он таит в себе ряд подводных камней - не научного, правда, а скорее философского плана. В рамках такого взгляда на проблему энтропия (вполне заурядная физическая величина) незаметно приобретает отчетливые черты некоего Мирового Зла, а нормальное функционирование живых систем вдруг разрастается до масштабов глобального противостояния сил Света и Тьмы. (Следует заметить, что оные живые системы выглядят при этом отнюдь не толкиеновскими рыцарями, обороняющими Пеленорские поля от воинства Черного Властелина, а перепуганным мальчишкой, который безнадежно отчерпывает ржавой консервной банкой воду, хлещущую изо всех щелей лодки.) Поэтому нет ничего удивительного в том, что некоторые ученые на полном серьезе считают Второе начало термодинамики физическим воплощением Дьявола. Ну, а раз есть Дьявол, то возникает необходимость для равновесия ввести в картину Мира и Бога (как некое антиэнтропийное, организующее начало); с этого самого момента весь этот комплекс проблем, строго говоря, изымается из сферы науки и переходит в сферу богословия. В любом случае жизнь в своем противостоянии закону неубывания энтропии выглядит обреченной на сугубо оборонительную стратегию, что исключает повышение сложности ее организации. В рамках такого подхода дилемма, сформулированная Р. Кэллуа (1973) «Могут ли и Карно, и Дарвин быть правы?», действительно кажется не имеющей решения.

 

 

 Смотрите также:

 

Третье начало термодинамики. Энтропия

Закон энтропии позволяет предсказать направление термодинамических процессов, однако этот закон действителен лишь для таких процессов, в которых участвуют вещества...

 

Концепция современного естествознания. От возникновения...

В свете закона сохранения и превращения энергии в середине ХIХ в. стало ясно, что теория Карно
Решая эту задачу, Клаузиус вводит понятие энтропии — функции состояния системы.

 

Что такое термодинамика, первый закон термодинамики, второй...

Позднее было показано, что и абсолютное значение энтропии простых кристаллических тел стремится к нулю . Это третий закон термодинамики.