Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

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: т. е. почти 60 %. И это в идеальной тепловой машине; во всех реальных случаях теряется заметно больше.

Энтропия – свойство не энергии, а ее носителей, но она говорит о «полезности» энергии для работы