Холодильник Эйнштейна

Теперь эта формула считается одним из постулатов физики и выгравирована на могиле Больцмана в Вене. Согласно этому математическому утверждению, энтропия (S) любой системы равна количеству неотличимых друг от друга конфигураций, которые эта система может принимать.

* * *

Тем временем Джозайя Уиллард Гиббс не сидел без дела в своем кабинете в Йеле. Он понял, что законы термодинамики открывают путь к более глубокому пониманию химии. В первую очередь, Гиббс подарил будущим поколениям ученых концептуальную схему для изучения химических процессов, происходящих внутри живых организмов. Эти идеи изложены в его главном сочинении, 371-страничной статье, полной математических символов, которая в очередной раз заставила редакционный совет Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Science испытать свое умение привлекать средства. Тот факт, что Джеймс Максвелл, прочитав ранние статьи Гиббса, добавил в новое издание своей книги “Теория теплоты” целую главу с описанием термодинамических диаграмм, подтолкнул редакционный совет не терять веры в ученого.

Открытие Гиббса состояло в том, что он нашел способ показать, как два начала термодинамики выступают движущей силой всех химических реакций. Во вступительной части статьи он поместил формулировку начал, и мы последуем его примеру.

Первое начало: энергия вселенной неизменна.

Второе начало: энтропия вселенной стремится к максимуму.

Затем Гиббс показал, как все процессы изменений определяются двумя этими началами. По сути, для этого он преобразовал два начала в новый закон, который можно назвать законом Гиббса: энтропия вселенной увеличивается с помощью потока энергии.

Сначала давайте вспомним, что такое химический процесс, или реакция. Простейшее объяснение таково: химическая реакция описывает, что происходит, когда при соединении веществ друг с другом образуется новое вещество. Возьмем, к примеру, образование ржавчины на железе. Железо вступает в реакцию с кислородом и водяным паром, и получается новое вещество — ржавчина. При смешивании пищевой соды с уксусом образуются углекислый газ, вода и соль. Мыло удаляет жир в результате химической реакции, в которой компоненты соединяются в новое вещество, растворимое в воде. Приготовление пищи богато подобными примерами, как и функционирование любого живого организма. Закон Гиббса позволяет нам понять, почему происходит любая химическая реакция.

Рассмотрим такую обыденную реакцию, как горение угля в камине. В этом процессе углерод, основная составляющая угля, соединяется с присутствующим в воздухе кислородом, в результате чего образуется углекислый газ и выделяется большое количество теплоты. (Большая часть угля имеет включения, которые также вступают в реакцию с кислородом, но мы опустим это для наглядности.) Почему мы никогда не наблюдаем этот процесс в обратном порядке? Почему фильм не идет задом наперед, а углекислый газ самопроизвольно не превращается обратно в кислород и уголь? Почему нельзя передать выделившуюся в процессе горения теплоту обратно углекислому газу и разделить его на твердый углерод и кислород?

Ответ дает идея Гиббса о том, что поток энергии всегда увеличивает энтропию Вселенной. Рассмотрим, что происходит при горении угля.

Сначала у нас есть твердый углерод и газообразный кислород. Чтобы интуитивно понять энтропию ситуации, можно представить энергию более плотно упакованной в твердом углероде и диспергированной в газообразном кислороде.

После сжигания остается только газ — углекислый. Энергия, которая была сосредоточена в твердом углероде, становится более рассеянной. Из твердого вещества с низкой энтропией и газа с высокой энтропией получается один газ с высокой энтропией. В целом энтропия веществ увеличивается.

Важно отметить, что в процессе соединения углерода с кислородом выделяется теплота, которая выходит в окружающую среду, нагревая воздух вокруг камина. Затем эта теплота рассеивается по воздуху, тем самым увеличивая его энтропию.

Причина, по которой углерод сгорает, а углекислый газ никогда самопроизвольно не разлагается на углерод и кислород, заключается в том, что горение увеличивает энтропию в два этапа. Сначала оно создает углекислый газ, а затем рассеивает теплоту по воздуху вокруг камина. С учетом этого горение выступает эффективным способом увеличения энтропии Вселенной.