Вид с высоты

Но нельзя же бесконечно увертываться. Итак, стиснув зубы и слегка побледнев, я приступаю…

Начну с закона сохранения энергии. Он утверждает, что энергия может переходить из одного вида в другой, но что ее нельзя ни сотворить, ни уничтожить.

Этот закон отражает наш жизненный опыт, поскольку никто не знает, почему энергию нельзя ни сотворить, ни уничтожить; так считают просто потому, что ни самыми хитроумными опытами, ни самыми тщательными наблюдениями ученым не удалось обнаружить ни одного случая, когда энергия была бы сотворена из ничего или исчезла бесследно.

Закон сохранения энергии был открыт в 1840 году и просуществовал безмятежно и счастливо целых полвека. Он как нельзя лучше подходил для объяснения всех встречавшихся земных проблем. Разумеется, астрономы задумывались над тем, откуда берутся гигантские потоки энергии, излучаемой Солнцем в течение всей долгой истории солнечной системы, и не могли найти ответа, который удовлетворил бы и астрономов, и закон сохранения энергии.

Но то Солнце. На Земле таких проблем не существовало… пока не открыли радиоактивность.

В 1890 году появилась необходимость узнать, откуда берется огромная энергия, излучаемая радиоактивными веществами. Примерно лет десять закон сохранения энергии переживал трудные времена. Затем, в 1905 году, Альберт Эйнштейн доказал (математически), что масса и энергия должны быть различными свойствами одного и того же и что самая крошечная доля массы эквивалентна огромной порции энергии. Всю энергию, высвобождаемую в процессе радиоактивности, следует отнести за счет исчезновения массы столь малой, что измерить потерю обычными методами просто невозможно. Эта идея указала на источник энергии, превосходно объясняющий природу излучения Солнца и других звезд.

После 1905 года теорию Эйнштейна снова и снова подтверждали эксперименты физиков, а в 1945 году апофеозом этих доказательств стал взрыв атомной бомбы. Закон сохранения энергии теперь господин положения в большей мере, чем когда бы то ни было, и всерьез ученые не ждут, что это положение поколеблется в будущем, разве что при самых исключительных обстоятельствах.

По сути дела, закон этот столь незыблем, что ни один работник патентного бюро, находясь в здравом уме, не стал бы тратить и долю секунды на рассмотрение любого проекта устройства, предназначенного для получений большей энергии, чем оно само потребляет. (Такое устройство называется «вечным двигателем первого рода».)

Первой машиной, которая превращала тепло в механическую работу в больших масштабах, был паровой двигатель, изобретенный в начале XVIII века Томасом Ньюкоменом. В конце века двигатель, усовершенствованный Джеймсом Уаттом, нашел практическое применение. Так как паровая машина производила работу путем перемещения энергии в форме тепла из горячего резервуара с паром в холодный резервуар с водой, то наука о взаимопревращениях энергии и работы была названа термодинамикой — от греческих слов, означающих «движение тепла». Закон сохранения энергии играет столь важную роль в устройствах типа паровой машины, что его часто называют Первым началом термодинамики.

Первое начало термодинамики говорит нам, что если резервуар с паром содержит некоторое количество энергии, то от паровой машины нельзя получить работы больше, чем допускает запас этой энергии. Это как будто справедливо; нельзя получить что-то за ничего.

Но, уж конечно, можно, скажете вы, получить всю работу из энергии, которая есть в паре, — по крайней мере если предположить, что устранены потери и трение.

Увы, нет. Постройте самую совершенную из всех возможных паровых машин, избавьтесь полностью от трения и потерь — все равно вам никогда не удастся превратить всю энергию в работу. В термодинамике не то что нельзя выиграть — нельзя даже получить свое.

Первым, кто недвусмысленно указал на это, был французский физик Сади Карно. В 1824 году он заявил, что часть тепловой энергии, которая может быть превращена в работу, даже при идеальных условиях зависит от разности температур горячего и холодного резервуаров. Он дал следующее уравнение:

Идеальная отдача = (Т2 — Т1)/Т2;

здесь Т2 — температура горячего резервуара, а Т1 — температура холодного. Эта формула справедлива в абсолютной шкале температур. (О ней мы расскажем в главе 12.)

Если горячий резервуар имеет абсолютную температуру 400 градусов (127 градусов по шкале Цельсия), а холодный — абсолютную температуру 300 градусов (27 градусов по шкале Цельсия), то идеальная отдача будет равна (400–300)/400, или просто 0,25. Другими словами, в работу может быть превращена в лучшем случае лишь четверть тепла, содержащегося в паре, тогда как три четверти его просто не используются.

Более того, имея только горячий резервуар и ничего более, — так что ему придется служить одновременно и холодным, — вы получите, согласно уравнению Карно, идеальную отдачу (400–400)/400, то есть просто нуль. В паре много энергии, но ни единая часть ее не может быть превращена в работу, если в устройстве как-нибудь не предусмотрена разность температур.

Так же обстоит дело и с другими формами энергии; ситуация будет яснее, если взять пример более будничный, чем паровой двигатель. Большой камень, лежащий на краю обрыва, может произвести работу, если его переместить из положения с большой потенциальной энергией в поле силы тяжести в положение с меньшей потенциальной энергией, скажем на дно обрыва. Чем меньше разность потенциальных энергий (чем менее глубок обрыв), тем меньше работы может, падая, совершить камень. А если вообще обрыва нет, а есть просто плоскогорье, то камню некуда падать, совершая при этом работу, даже если плоскогорье находится на высоте 6000 метров над уровнем моря.

Следовательно, ни одно устройство не может извлечь работу из системы, которая целиком находится на одном энергетическом уровне.

Это один из способов сформулировать то, что называют Вторым началом термодинамики.

Устройство, предназначенное для того, чтобы извлечь работу при одном только энергетическом уровне, есть «вечный двигатель второго рода». По существу, почти все вечные двигатели, изобретаемые армией заблудших фантазеров Земли, относятся к этому типу. Так вот, патентные учреждения не станут тратить времени и на такие проекты.

Как только появляются два энергетических уровня, энергия тотчас начинает перетекать с одного уровня (мы зовем его верхним) на другой (мы зовем его нижним), но никогда — в обратном направлении (если только не перекачивать ее силой). Человечество уже давно свыклось с этим фактом. Другими словами, тепло самопроизвольно переходит от горячего тела к холодному; валун сам скатывается с края обрыва к его дну, электрический ток самопроизвольно течет от катода к аноду.

Сказать: «Поток энергии всегда направлен от высокого потенциального уровня к низкому потенциальному уровню» — это значит лишь другими словами выразить Второе начало термодинамики. (Можно доказать, что из единственности направления потока энергии — от высокого к низкому — неизбежно следует тот факт, что невозможно извлечь работу из системы с одним уровнем энергии и наоборот, так что и то и другое — полноправные способы формулировать Второе начало.)

Далее: работа никогда не осуществляется мгновенно. На нее неизменно требуется время. Что же происходит в течение этого времени? Простоты ради представим себе, что паровая машина работает как «замкнутая система», то есть как своего рода изолированная от всего и вся часть мироздания, в которую никакая энергия не может ни проникнуть извне, ни покинуть ее, если первоначально она была в системе. Согласно Второму началу термодинамики, в такой паровой машине — замкнутой системе — тепло также должно устремляться из точки с высоким энергетическим потенциалом (в машине — из горячего резервуара) к точке с низким потенциалом (холодному резервуару).