T.Redzhe "Etyudy o Vselennoi", Mir/NiT<< 3.9. Sverhprovodimost' | Oglavlenie | Glava 4. K portretam uchenyh >>
3.10. Entropiya
Entropiya igraet fundamental'nuyu rol' dlya vsei termodinamiki i kosvenno dlya vseh ee prakticheskih primenenii (a ih mnogo), v kotoryh proishodyat obmen teplom i preobrazovanie ego v energiyu mehanicheskuyu ili elektricheskuyu. Idei, vyskazannye Il'ei Prigozhinym (bel'giiskii uchenyi, laureat Nobelevskoi premii po himii) v knige "Velikii soyuz" mozhno ponyat', tol'ko esli predvaritel'no postarat'sya uyasnit', chto zhe takoe entropiya.
Krome togo, zanimayas' termodinamikoi, my smozhem kosnut'sya klassicheskoi statisticheskoi mehaniki, a o kvantovoi statistike my uzhe poluchili nekotoroe predstavlenie pri obsuzhdenii sverhtekuchesti.
Nachala termodinamiki
Pervoe nachalo termodinamiki utverzhdaet, chto teplota yavlyaetsya formoi energii i chto ona dolzhna uchityvat'sya kak takovaya v zakone sohraneniya energii. Kogda vklyuchena elektricheskaya pech', elektricheskaya energiya istochnika pitaniya prevrashaetsya v teplotu. Pri udare molota o nakoval'nyu mehanicheskaya energiya dvizheniya molota prevrashaetsya v teplotu. Nakonec, pri tormozhenii avtomobilya ego energiya dvizheniya prevrashaetsya v teplotu treniya v tormoznyh kolodkah. Energiya ni pri kakih obstoyatel'stvah ne ischezaet, ona prosto prevrashaetsya v teplotu, chtoby zatem rasseyat'sya v okruzhayushei srede. Energiya, estestvenno, i ne voznikaet iz nichego, vechnoe dvizhenie ostaetsya sovershenno nevozmozhnym.
No k etoi teme my vernemsya v konce knigi. Vtoroe nachalo termodinamiki nakladyvaet dopolnitel'nye ogranicheniya na vzaimnyi obmen tepla i drugih form energii.
Kakim zhe vidom energii yavlyaetsya teplota? V proshlom veke bytovalo mnenie, chto teplota– eto zhidkost', kotoraya perelivaetsya iz goryachih tel v holodnye. Pravil'noe ob'yasnenie ponyatiya teploty bylo dano tol'ko na osnove statisticheskoi mehaniki. Material'noe telo sostoit iz ogromnogo kolichestva atomov; gaz mozhno predstavit' kak sovokupnost' beschislennyh sharikov, peredvigayushihsya vo vse storony i nepreryvno stalkivayushihsya. Kusok kristalla gornogo hrustalya (kvarca) kazhetsya nepodvizhnym i neizmennym. Esli by my mogli zaglyanut' vnutr' i uvidet' tam atomy, to obnaruzhili by, chto oni raspolozheny uporyadochenno vdol' figur, imeyushih tu zhe simmetriyu, chto kristall, no oni vovse ne nepodvizhny. Vsya kristallicheskaya reshetka nepreryvno sotryasaetsya ot besporyadochnyh tolchkov atomov. Tolchki usilivayutsya s uvelicheniem temperatury; pri dostizhenii nekotorogo predela oni razrushayut kristall, i on raspadaetsya. Teplovaya energiya predstavlyaet soboi ne chto inoe, kak summu energii besporyadochnogo dvizheniya otdel'nyh atomov; temperatura, v sushnosti, govorit nam o tom, kakaya energiya v srednem prihoditsya na odin atom v srede.
Smysl entropii
Primery, kotorye my tol'ko chto priveli, kasalis' prevrasheniya energii uporyadochennogo dvizheniya (elektricheskih zaryadov, kineticheskoi energii dvizheniya molota ili avtomobilya) v teplo, t.e. energiyu besporyadochnogo dvizheniya chastic veshestva. Vo vseh sluchayah my imeli delo s neobratimymi processami: nikto eshe ne videl, chtoby elektricheskaya pech' nachala vdrug peredavat' v elektroset' svoyu energiyu, ohlazhdayas' pri etom; ohlazhdaya tormoza avtomobilya, my ne privedem ego v dvizhenie i t.d. Vse eto podtverzhdaet, chto ochen' legko sozdat' besporyadok i ochen' trudno (ili, vo vsyakom sluchae, trebuet opredelennyh zatrat) sozdat' poryadok.
Entropiya, po sushestvu, predstavlyaet soboi meru etogo besporyadka, i, sledovatel'no, pri neobratimyh processah ona vsegda rastet. Pri peremeshivanii goryachei vody i holodnoi ee temperatura usrednyaetsya. Vsya energiya raspredelyaetsya ravnomerno mezhdu molekulami vody. Pri etom entropiya uvelichivaetsya, i my poluchaem energiyu, bolee ravnomerno raspredelennuyu i v forme, menee udobnoi dlya ispol'zovaniya. Iz takih primerov my dolzhny izvlech' poleznyi urok. Nedostatochno imet' energiyu, nuzhno, chtoby ona byla v forme, udobnoi dlya ispol'zovaniya, i, sledovatel'no, ne "besporyadochnaya". Voda v more obladaet ogromnymi zapasami energii, kotoraya odnako, sootvetstvuet besporyadochnomu dvizheniyu i kotoruyu poetomu nel'zya ispol'zovat'.
Lokal'noe umen'shenie entropii
Sushestvuet sposob oboiti eto nepreryvnoe uvelichenie entropii, i na nem osnovana pochti vsya nasha sovremennaya tehnika. Vtoroe nachalo termodinamiki ustanavlivaet obshee vozrastanie entropii, no vovse ne isklyuchaet ee umen'sheniya v ogranichennoi oblasti pri eshe bol'shem uvelichenii v drugom meste. V teplovoi elektrostancii szhigaetsya toplivo i proizvoditsya teplota, kotoraya prevrashaetsya zatem v elektricheskuyu energiyu, v vysshei stepeni uporyadochennuyu. Na samom dele tol'ko tret'ya ili chetvertaya chast' energii goreniya prevrashaetsya v elektrichestvo, v to vremya kak ostal'naya energiya po obyknoveniyu idet na razogrev vody kakoi-nibud' reki. Itak, za vozmozhnost' prevrashat' teplo v elektrichestvo my zaplatili uvelicheniem entropii reki. Takim zhe obrazom v avtomobil'nom dvigatele vnutrennego sgoraniya chast' energii benzina prevrashaetsya v energiyu dvizheniya, no gorazdo bol'she ee rasseivaetsya v okruzhayushuyu sredu cherez radiator. Itak, obshii besporyadok vsegda usilivaetsya.
Dostatochno oglyadet'sya, chtoby ponyat', naskol'ko aktivno chelovek zanimaetsya uvelicheniem entropii. Pochti vsya nasha deyatel'nost' privodit k prevrasheniyu energii v formy, vse menee prisposoblennye dlya ispol'zovaniya, i k raspredeleniyu vse bolee nizkoi temperatury sredi vse vozrastayushego kolichestva atomov. Kak zhe my vyzhivaem v takih usloviyah?
Energeticheskaya problema
Deistvitel'no, esli vspomnit' trudnosti s arabskoi neft'yu, to voznikayut somneniya v nashei sposobnosti idti i dal'she vpered. Chelovechestvo sozdavalo razvituyu peredovuyu tehnologiyu, shiroko i beskontrol'no ispol'zuya iskopaemoe goryuchee i rastrachivaya pri etom zalozhennuyu v nem himicheskuyu energiyu. Eti iskopaemye, tak zhe kak i yadernoe goryuchee, budut ischerpany, soglasno samym blagopriyatnym prognozam, ne pozzhe chem cherez 200 - 300 let.
Esli my okazhemsya dostatochno vezuchimi ili sposobnymi, to do konca etogo sroka v nashih laboratoriyah budet dostignut uspeh v ispol'zovanii energii termoyadernogo sinteza, pri kotorom vodorod prevrashaetsya v gelii. Takoi uspeh pozvolil by nam idti vpered prakticheski beskonechno v sravnenii s vremenem proshedshei evolyucii chelovechestva. Pri neudache v osushestvlenii "upravlyaemogo sinteza" ostavalos' by Solnce, v nedrah kotorogo shirokomasshtabnyi termoyadernyi sintez proishodit estestvennym obrazom uzhe bolee 5 mlrd. let i, sudya po vsemu, budet proishodit' eshe stol'ko zhe.
Itak, Solnce proizvodit uvelichenie entropii v gorazdo bolee shirokih masshtabah, chem chelovechestvo, nesmotrya na vse nesomnenno uspeshnye usiliya, predprinimaemye chelovekom v dele razbazarivaniya sredstv. Tak stoit li nam vpadat' v unynie? Naprotiv, my dolzhny schitat' sebya schastlivcami. Ved' svet Solnca predstavlyaet soboi otnositel'no horosho organizovannuyu formu energii (ona sootvetstvuet temperature, dostigayushei pochti 6000oS), nepreryvno padayushei na Zemlyu. Fotosintez v rasteniyah privodit k postoyannomu poglosheniyu i nakopleniyu etoi energii, kotoraya zatem chastichno izluchaetsya v prostranstvo v vide infrakrasnyh luchei, imeya gorazdo bol'shuyu entropiyu, chem prezhde. Takim sposobom zemnye organizmy sozdayut lokal'nyi poryadok i prodolzhayut procvetat'.
Gipoteza Prigozhina
Soglasno Prigozhinu, sushestvovanie zhizni na Zemle yavlyaetsya odnim iz mnogih primerov, kogda nash vrag entropiya mozhet umen'shat'sya v ogranichennoi oblasti cenoi zametnogo ee uvelicheniya v drugom meste. V svoei knige "Velikii soyuz" Prigozhin chasto ssylaetsya na primer nestabil'nosti Benara. Obychno, esli slit' vmeste holodnuyu i goryachuyu vodu, temperatura ee nachnet vyravnivat'sya. Esli zhe nagrevat' kastryulyu s vodoi, my vyzovem nepreryvnyi pod'em goryachei zhidkosti, togda kak bolee tyazhelaya holodnaya voda budet opuskat'sya vniz. Krome togo, odnako, nablyudaetsya vydelennoe dvizhenie konvekcionnyh potokov, prepyatstvuyushih vstreche goryachei vody s holodnoi. Takim obrazom, proishodit razdelenie goryachei i holodnoi vody i poyavlenie lokal'noi uporyadochennosti. Eto proishodit za schet energii gazovogo plameni, kotoraya rasseivaetsya v okruzhayushee prostranstvo, prohodya cherez kastryulyu i vyzyvaya rost entropii. My zdes' snova nablyudaem uvelichenie lokal'nogo poryadka, svyazannoe s uvelicheniem besporyadka v drugih mestah.
Zameniv plamya Solncem, a kastryulyu Zemlei s ee porazitel'noi smes'yu himicheskih soedinenii, my poluchim fantasticheski organizovannye struktury, k kotorym kak raz otnosyatsya zhivye sushestva. Soglasno Prigozhinu, zhizn' voznikla ne sluchaino, a yavlyaetsya zakonomernym sledstviem, hotya i ne edinstvenno vozmozhnym, entropicheskogo razbazarivaniya energii Solnca ili kakoi-nibud' drugoi zvezdy. Tak li eto? Nekotorye primery, kak, naprimer, vysheprivedennyi primer s kastryulei, poddayutsya strogomu analizu. Drugie svyazany s nekotorymi lyubopytnymi himicheskimi reakciyami Zhabotinskogo. Pri obshem zhelanii ponyat' prichinu sozdaniya stol' slozhnyh struktur vse ostaetsya poka na urovne zahvatyvayushih gipotez, eshe ne podvergavshihsya skol'ko-nibud' ser'eznym proverkam. Poetomu takie gipotezy vosprinimayutsya odobritel'no lyud'mi obrazovannymi, no ne specialistami, v to vremya kak fiziki otnosyatsya k nim s ostorozhnost'yu.
<< 3.9. Sverhprovodimost' | Oglavlenie | Glava 4. K portretam uchenyh >>
|
Publikacii s klyuchevymi slovami:
Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy
Publikacii so slovami: Galileo Galilei - solnechnaya sistema - kosmogoniya - astrofizika - Obshaya teoriya otnositel'nosti - elektroslaboe vzaimodeistvie - elementarnye chasticy | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> | |
