Возвращение чародея

Физики придумали для меры беспорядка, к которому стремится изолированная, предоставленная самой себе физическая система, особое название: энтропия (исторически сперва ввели термин «энтропия», позднее стали говорить о беспорядке). На первых порах, как это обычно бывает с новыми понятиями физики, энтропия казалась чем-то невероятно сложным. Знаменитый французский математик конца прошлого и начала этого столетия Анри Пуанкаре назвал понятие энтропии «чудовищно абстрактным». А теперь (точнее, после того как доказали, что энтропия характеризует беспорядок) слово «энтропия» не вызывает, как правило, никаких нравственных страданий. Так же, как и тот физический закон, в выражении которого оно применяется, так называемый закон возрастания энтропии:

Энтропия изолированной физической системы может только возрастать, но не может уменьшаться.

Иногда этот закон называют еще «вторым законом термодинамики», так как он обычно применяется в учении о теплоте, а последнее широко пользуется главой теоретической физики, называемой термодинамикой.

А где «первый закон термодинамики»? Есть и такой. Он говорит о том, что изменение энергии большой физической системы складывается из тепловой и нетепловой частей, причем общая сумма этих частей при таком изменении не меняется. Первый закон термодинамики часто (но не совсем точно) называют законом сохранения энергии применительно к тепловым процессам.

В учебниках для иллюстрации действия закона возрастания энтропии часто приводят пример с двумя сообщающимися сосудами: первый наполнен газом с давлением в 1 атмосферу, во втором нет ни молекулы. Открыли оконце в перегородке между сосудами, и газ из наполненного резервуара тотчас заструился в вакуум. Через очень короткое время убеждаются, что в каждом из сосудов — поровну молекул газа. Потом можно ждать хоть вечность, но это положение практически не изменится.

Но что, если вечности не ждать, а повернуть время вспять? Физически сделать это, разумеется, невозможно, но можно чуточку схитрить. Если бы мы сумели снять на кинопленку расширение газа, то потом нам уж ничего не стоило бы пустить пленку наоборот. И мы увидим странную картину: из одного равнонаполненного газом сосуда молекулы вдруг стали быстро вылетать в другой сосуд, и вот через несколько мгновений в одном сосуде образовалось давление в 1 атмосферу, а в другом — идеальный вакуум.

Этот воображаемый опыт нам понадобился для иллюстрации очень важного положения: и в случае превращения беспорядка в порядок не нарушается ни один закон микроскопической физики. Все эти законы допускают обратимость процессов в природе, «обратимость времени».

Но в общем-то избежать влияния закона возрастания энтропии невозможно. А он ограничивает применение других законов физики: он требует, чтобы в результате всякого процесса в конечном счете порядок хоть чуточку уменьшился бы, а беспорядок хоть чуточку возрос. Принцип возрастания энтропии по самому своему смыслу является принципом необратимости макроскопических процессов.

Как все сказанное связать с энергией, с взаимным превращением одних ее форм в другие?

Мы делили энергию на сконцентрированную и рассеянную, на восполняемую и невосполняемую, на четыре группы по происхождению: от Солнца, от притяжения Луны, от ядерных перестроек, от внутреннего тепла Земли. Мы можем делить ее еще на «благородную» и «неблагородную», или высшие и низшая формы. Первая, высшие формы энергии, — механическая, электромагнитная; вторая, низшая форма энергии — тепловая. В чем главное различие между ними, в чем «неблагородство» тепловой энергии?

Благородные формы энергии способны целиком превращаться в другие, полезные формы энергии, в работу. Тепловая, в лучшем случае, может быть превращена в полезную энергию лишь частично.

Почему?

Высшие виды энергии — все упорядоченные. Механическая энергия связана с упорядоченной частью движения молекул — по траекториям, одна рядом с другой. Падает ли вода, вращается ли колесо турбины, движется ли взад-вперед поршень двигателя — все это движения порядка, все это выделяется из стихий, находится в резком с ними неравновесии. Электромагнитная энергия вызывает образ строгого потока волн, движения по проводам потока электронов. У этих форм есть куда изменяться: от своего порядка к беспорядку; они способны соблюсти требование роста энтропии.

Иное — тепловая энергия. Она — сама беспорядок. Это энергия хаотического движения молекул вещества. Энергия теплового движения частиц не может перейти сама собой в механическую энергию, способную совершить работу, потому что это значило бы самопроизвольное превращение беспорядка в порядок, что запрещено законом физики.