Питер Эткинз - Десять великих идей науки. Как устроен наш мир.

Мы можем считать, что работа парового двигателя, любого парового двигателя, состоит из двух шагов (рис. 4.10). Первым шагом в работе двигателя является извлечение энергии в виде тепла из горячего резервуара. Отток энергии из резервуара снижает его энтропию, и его атомы обладают теперь меньшей тепловой энергией, чем прежде. Энергия, которую мы извлекли, протекает через механизм, превращающий тепло в работу (поршень и цилиндр в реальном паровом двигателе) и стекает в холодный сток. Если вся энергия, которую мы извлекли из горячего источника, поступает в холодный резервуар, энтропия этого резервуара возрастает. Однако, поскольку температура стока ниже, чем температура источника, возрастание энтропии больше, чем первоначальное уменьшение (вспомните аллегорию тихой библиотеки). В целом энтропия устройства возрастет, потому что уменьшение энтропии источника будет превзойдено возрастанием энтропии стока. Итак, поток тепла от источника к стоку является спонтанным.

Рис. 4.10.Термодинамический анализ работы парового двигателя (или теплового двигателя). Энергия покидает горячий источник в виде тепла, а поэтому уменьшает его энтропию. Часть этой энергии превращается в работу, которая не влияет на энтропию. Остаток энергии попадает в холодный сток, производя таким образом много энтропии. При условии, что температура холодного стока ниже, чем температура горячего источника, общая энтропия будет возрастать, даже если энергия, растраченная в виде тепла, меньше энергии, полученной из горячего источника. Разница между полученной и потраченной энергией может быть извлечена в виде работы.

Термодинамический анализ работы парового двигателя (или теплового двигателя). Энергия покидает горячий источник в виде тепла, а поэтому уменьшает его энтропию. Часть этой энергии превращается в работу, которая не влияет на энтропию. Остаток энергии попадает в холодный сток, производя таким образом много энтропии. При условии, что температура холодного стока ниже, чем температура горячего источника, общая энтропия будет возрастать, даже если энергия, растраченная в виде тепла, меньше энергии, полученной из горячего источника. Разница между полученной и потраченной энергией может быть извлечена в виде работы.

Теперь главное. Коль скоро наш двигатель не произвел работы, мы получили бы тот же результат, просто приведя горячий источник в прямое соприкосновение с холодным стоком. Однако перенос энергии из горячего источника остается спонтанным, даже если мы превращаем часть ее — но не всю энергию — в работу, а остаток переводим в холодный сток. Это, конечно, тот случай, когда отъем энергии в виде тепла у горячего источника приводит, как и прежде, к уменьшению его энтропии. Однако мы можем получить компенсирующее возрастание энтропии, отправляя в холодный резервуар меньшее количество тепла. Например, если температура холодного стока равна половине температуры горячего источника (в абсолютной шкале температур), то мы можем получить компенсирующее возрастание энтропии, позволив лишь половине извлеченной энергии уйти в холодный сток и оставив вторую половину себе, чтобы использовать ее для получения полезной работы. Двигатель работает спонтанно, то есть это полезный и жизнеспособный прибор, поскольку общее возрастание энтропии имеет место, даже если мы используем часть извлеченной энергии в виде работы.

Теперь можно понять, что холодный сток является существенно важным. Только если холодный сток есть в наличии, и часть энергии попадает в него, имеется какая-то надежда, что энтропия в целом возрастет. Отдача энергии горячим источником соответствует убыванию энтропии. Перенос энергии вовне в виде работы оставляет энтропию неизменной, поэтому на данной стадии всей истории в целом имеет место убывание энтропии. Для того чтобы двигатель работал спонтанно (а двигатели, которые не действуют спонтанно, то есть приводимые в движение извне, хуже чем бесполезны), существенно важно производить где-то некоторую энтропию, чтобы гарантировать, что в целом энтропия будет возрастать. В этом роль холодного стока: он действует, как тихая библиотека, являясь местом большого возрастания энтропии, даже если в него сбрасывается малое количество энергии. При этом важно заметить, что «потери», как и сосуд для этих потерь, необходимы, чтобы двигатель мог быть жизнеспособным. Холодный источник поэтому является источником жизнеспособности двигателя, поскольку без него не могло бы быть никакого возрастания энтропии.

Паровой двигатель демонстрирует тот факт, что для получения работы — конструктивной силы — существенно важно, чтобы происходила также и диссипация энергии. Простое отбирание энергии из горячего источника не приводит к результату: чтобы заставить двигатель работать, мы должны сбросить некоторое количество тепла для подогрева холодного стока (который может быть просто окружающим пространством, а не обязательно частью конструкции двигателя). Где бы мы ни встретили конструкцию, мы обнаруживаем связанную с ней по крайней мере столь же большую деструкцию.

Давайте взглянем на некоторые изменения, происходящие в мире, и увидим, как, несмотря на то что они являются конструкциями, они вызываются к жизни происходящей где-то деструкцией. Сначала внешний мир. Любой акт строительства, например возведение стены, требует, чтобы была проделана работа по поднятию кирпичей на соответствующую высоту. Чтобы проделать эту работу, надо использовать двигатель (включая заправляемые едой мускульные двигатели живых тел), а чтобы двигатель был жизнеспособным, он должен порождать энтропию, рассеивая энергию в окружающую среду. Итак, двигатель подъемного устройства, тепловой двигатель некоторого рода, действует, рассеивая энергию в окружающее его пространство. Это верно даже для электрического подъемника, когда рассеяние энергии происходит в некотором удалении, на электростанции. Все искусственно созданные структуры мира, от гигантских пирамид до примитивных лачуг, были построены за счет рассеяния энергии.

Мы можем увидеть ближе способ, посредством которого происходит рассеяние энергии, рассмотрев химические реакции, используемые для поднятия температуры горячего источника. В этом обсуждении я сосредоточу внимание на привычном паровом двигателе. Хотя принцип действия двигателя внутреннего сгорания, в том, что касается рассматриваемых процессов, является тем же, технологически он реализуется более сложным путем, а я не хочу отвлекать вас деталями. Паровой двигатель является двигателем внешнего сгорания, где огонь нагревает воду вне поршня, так что последовательность событий легче проследить.