Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - [145]
Энтропия – мера незнания подробностей
Незнание, на которое мы обречены согласиться, оказывается не только философской категорией – оно еще и выражается некоторой величиной, которую в принципе можно даже измерить. Она называется энтропией: чем больше энтропия, тем больше незнание (тем больше молекулы могут вытворять такого, что полностью ускользает от нашего внимания). Это незнание имеет неожиданную практическую важность: как оказалось, энтропия выражает сопротивление вещей – тел и сред – извлечению из них «полезной энергии» (работы). Когда мы хотим собрать раздробленную энергию движения и пустить ее на хорошее дело, мы лишены информации о том, как движутся какие молекулы, и из-за этого оказываемся беспомощными перед задачей, скажем, отобрать более быстрые молекулы, которые подвинули бы какой-нибудь поршень справа налево и в результате подняли бы груз. Молекулы бьют по поршню во всех направлениях, делают это совершенно хаотически, и поршень никуда не движется. Грубый способ все-таки извлечь полезную работу из раздробленного движения состоит в том, чтобы нагреть газ под поршнем. Он грубый, потому что мы управляем процессом, меняя всего один параметр – температуру (среднюю энергию движения), и предоставляем молекулам сходить с ума как угодно во всем остальном. Устройства, которые совершают работу за счет того, что собирают вместе и делают «полезной» часть раздробленного движения, скрытого в телах, называются тепловыми машинами. Именно они сделали возможной промышленную революцию, хотя их создатели и не подозревали о природе теплоты как форме движения. При всей той роли, которую тепловые машины сыграли и продолжают играть в развитии цивилизации, они никогда не были особенно эффективными, и дело здесь далеко не только в технологиях, а, как оказалось, в «невидимой руке энтропии».
Тепловые машины – грубый способ использовать энергию движения молекул
Беспокойная сестра энергии. Первоначально энтропию открыли не как меру незнания, а именно как величину, контролирующую протекание процессов с обменом теплом и вообще процессов с участием большого числа молекул. Истоки наших представлений об энтропии – в исследовании под заголовком «Размышления о движущей силе огня…» (рис. 9.6), которое в 1824 г. опубликовал 27-летний офицер французской армии (и выпускник Политехнической школы в Париже) Сади Карно[175]. Движущую силу огня не стоит недооценивать и два столетия спустя: даже на атомных электростанциях электричество производится путем нагревания газа (водяного пара), который, расширяясь, толкает поршень (лопатки турбины в современном исполнении). Карно не внес технологических новшеств в устройство тепловых двигателей; его рассуждения вообще относятся к идеальным машинам, т. е. скорее к воображаемым, чем реальным, но он смог увидеть за ними нечто более глубокое, чем любой набор технологических усовершенствований. Понятия энтропии еще нет в «Размышлениях…», оно появилось через два десятилетия после смерти автора, но рассуждения, проделанные в книге Карно, подготовили его введение.
Рис. 9.6. Книга Сади Карно «Размышления о движущей силе огня и о механизмах, пригодных для ее использования» и ее автор
Через идеальную тепловую машину (как и через реальную) протекает поток тепла: от горячего тела к газу и далее от газа к холодному телу[176]. Тепло, ушедшее в холодное тело, становится недоступным, а это означает, что то тепло, которое отдает горячее тело, превращается в работу далеко не полностью. И с этим ничего нельзя поделать. Карно установил, что в идеальном варианте (являющемся чистым мысленным экспериментом в смысле своей реализуемости, но одновременно и непреодолимым ограничением для любой реальной системы) бесполезно теряется доля теплоты (т. е. энергии), выражающаяся очень просто: надо абсолютную температуру холодного тела поделить на абсолютную температуру горячего. Если горячее тело имеет температуру 231 ℃ (чуть ниже температуры плавления олова), а холодное – температуру 25 ℃, то неизбежно теряется вот сколько:
Энтропия – свойство не энергии, а ее носителей, но она говорит о «полезности» энергии для работы
Поскольку затраты энергии на поддержание горячего тела горячим – это, как правило, наша забота, низкая эффективность тепловых машин несколько огорчительна. А тот факт, что за неизбежными потерями скрывается конкретная величина, присущая каждому состоянию системы/тела, понял позднее Клаузиус. Он и ввел понятие энтропии, и он же изобрел это слово – как вариацию на тему древнегреческого корня, но с начальным «эн-», которое должно было напоминать о слове «энергия», в соответствии с идеей Клаузиуса, что эти две величины одинаково важны. Выбранный греческий корень (встречавшийся нам недавно в слове «тропосфера») имеет в том числе и значение «преобразование/изменение»[177]. Осознание же связи энтропии с незнанием – это следующий шаг, потребовавший еще некоторого времени, и определяющая роль в этом принадлежит Больцману; мы доберемся до него чуть позже.
