Второй закон термодинамики

С открытием первого закона термодинамики стало ясно: все тела, что бы с ними ни происходило, постоянно обмениваются энергией, которая при этом трансформируется из одного вида в другой. Однако в данном законе и слова нет о том, что такие превращения могут быть как обратимыми, двусторонними, так и направленными в одну сторону. Почему упавшая книга, ударившись о пол, не подпрыгивает — ведь по идее она должна была бы нагреть половицы, и их тепловая энергия, перейдя в потенциальную, подтолкнула бы книгу вверх? Почему горячий чай остывает, передавая тепло воздуху, но сам после этого уже не нагревается? Почему качели, если их толкнуть один раз, постепенно останавливаются? Согласно первому закону термодинамики, механическая энергия качелей переходит в тепловую, и нагретый воздух снова сообщает им энергию движения ― но в реальности так не происходит…

Ответ на эти вопросы дает второй закон термодинамики: не все виды энергии склонны к взаимным превращениям — невозможно заставить два тела обмениваться теплом бесконечно.

Первым, пусть и несознательно, на это указал французский ученый Сади Карно, которому принадлежит честь открытия основного закона сохранения энергии. Карно считал, что все энергетические трансформации происходят абсолютно без потерь, но во время проектирования идеальной тепловой машины выяснил: наибольший коэффициент ее полезного действия ничтожно мал — всего-то 8 %, а с учетом отдачи тепла в воздух и вовсе процента два. Для вычисления КПД ученый определил температуру нагревательного и охлаждающего элементов (в кельвинах), вычел вторую из первой, а затем разделил на показатель нагревателя. Полученная формула впоследствии легла в основу второго начала термодинамики и значительно помогла оптимизировать работу многих машин.

Карно рассудил, что для повышения КПД нужно поднять температуру нагрева, и предложил задействовать в качестве рабочего тела турбин не только водяной пар, но и газ. Это помогло, но добиться стопроцентного результата не получилось. Разогретый до 800 К (527 °С) газ охлаждался затем до 300 К (26 °С), однако максимально возможный выход составлял не более 60 %: слишком много тепла расходовалось впустую.

Карно не смог раскрыть причин таких энергопотерь, зато его выводы насчет того, что эффективность работы и коэффициент полезного действия тепловой машины зависят от величины перепада температур, заинтересовали английского физика Уильяма Томсона (1824—1907) и немецкого ученого Рудольфа Клаузиуса (1822—1888). Оба поняли, что в тепловой теории зияют дыры, и решили провести собственное исследование термических процессов.

Первым итогом этих изысканий стала работа Клаузиуса «О движущей силе теплоты», где ученый внес поправку в утверждение, что определенное количество тепла может совершить соответствующее количество механического движения. Поправка повторяла заключение самого Сади Карно: тепло способно двигать что-либо только в том случае, если оно передается от горячего предмета холодному. Клаузиус считал, что это вполне естественно, ведь в природе только нагретые объекты делятся своим теплом с окружающими и остужаются, а холодные тела сами по себе ничего не отдают. «Сами по себе» было важным уточнением, по мнению ученого, ведь нам вполне по силам «вынудить» холодный предмет понижать температуру теплого, просто этот процесс потребует некоторой «компенсации».

Со своей стороны, Томсон выяснил, сколько энергии обычно участвует в преобразованиях и какое количество тепла нужно затрачивать на работу. В своих докладах ученый писал: если механической энергии нужно совсем немного, чтобы выделилось тепло, то тепловой для совершения работы понадобится гораздо больше. Одно тело попросту не способно выделить такое количество теплоты, которого хватит, например, на вращение вала турбины. Поэтому мечта о вечном двигателе, который работал бы безостановочно лишь с помощью теплоты из воздуха, нереальна.

Двигаясь в том же направлении, Клаузиус доказал теорему Карно, согласно которой эффективность идеальных тепловых машин, где все процессы обратимы и равновесны, зависит исключительно от разности температур в резервуарах нагревания и охлаждения. Исходя из этого, второй закон термодинамики ученый описал следующим неравенством: приведенное тепло (отношение количества теплоты, которое затрачивается на изменение состояния системы, к температуре, при которой это состояние может измениться) всегда меньше или равно нулю. При обратимых процессах одно тело отдает другому столько же тепла, сколько принимает, и система сама собой возвращается в первоначальное состояние. При необратимых нагретое тело отдает холодному больше тепла, чем принимает, и если механическая энергия полностью переходит в теплоту, то тепло уже не может полностью трансформироваться в энергию движения.

Данное заключение стало основой теории, что в замкнутых системах, куда не поступает тепло извне и откуда не выходит наружу, упорядоченная энергия движения стремится перейти в беспорядочную энергию тепла, вследствие чего растет мера неупорядоченности (энтропия).

Теорию энтропии развил австрийский физик Людвиг Больцман (1844—1906). В его теореме говорится, что энтропия растет по мере увеличения хаотичности, с которой перемещаются элементарные частицы, составляющие систему. И если система закрыта от всяких внешних воздействий, то сама по себе ее энтропия не снизится, поскольку частицам не хочется добровольно «наводить порядок». В качестве примера Больцман привел упорядоченную систему — лед, представляющий собой кристалл с четкой сеткой неподвижных молекул. В обычных условиях тепло разрушает связи между молекулами льда, и они начинают беспорядочно двигаться во всех направлениях — энтропия повышается, образуется вода. Однако при тех же условиях вода уже не кристаллизуется — для этого ее надо будет специально охладить, а значит, без стороннего вмешательства ее энтропия не уменьшится.

Клаузиус распространил эту теорию на всю Вселенную, предположив, будто макросистема постоянно теряет тепло, и в конце концов все температуры сравняются, процессы остановятся — наступит тепловая смерть. Вроде бы логичное предположение — ведь многие процессы в нашем мире если и не односторонние, то более масштабные в прямом направлении, нежели в обратном. (Взять хотя бы ту же брошенную на пол книгу или, скажем, разбитую вазу, которая не восстановится только благодаря выделенной при падении энергии.) Так что же, мир катится к своей гибели? Вряд ли. Во-первых, уже после открытий Клаузиуса было доказано, что Вселенная не является замкнутой системой — она постоянно расширяется. А во-вторых, наши знания о ней ничтожно малы, и любые прогнозы относительно ее будущего остаются лишь догадками.