Книга Сейчас. Физика времени - Ричард А. Мюллер

Карно понял, что работа тепловой машины необязательно должна основываться на паре. Паровая машина была только одним видом двигателя, который мог преобразовывать горячий газ в полезную механическую энергию. Аналитические разработки Карно сегодня повсеместно используются в бензиновых и дизельных двигателях. В идеале было бы желательно, чтобы вся энергия тепла переводилась в механическую энергию. Но инженер пришел к заключению, что это невозможно. Та часть тепла, которая может преобразовываться в другой вид энергии, называется коэффициентом полезного действия. Карно показал, что поддержание одной части двигателя в разогретом состоянии так же важно, как и охлаждение другой его части. Именно соотношение тепла и холода и определяет КПД. Отклонение реального КПД машины от идеального определяется соотношением Тхолода/Ттепла, в котором температуры измеряются по абсолютной шкале. Если Тхолода достаточна низка или Ттепла достаточно высока, можно приблизиться к 100 %-ной эффективности.

Современная АЭС использует уран, чтобы производить пар, и охлаждающую воду, чтобы этот пар конденсировать и вновь превращать в жидкость. Символом АЭС стали не реакторы, в которых расщепляются ядра уранового топлива, а гигантские сооружения[101], похожие на широкие заводские трубы. Ядерная реакция происходит в небольшом здании с куполом. По сравнению с величественными испарителями оно не производит никакого впечатления. И вот работа мощных энергетических станций основывается на уравнениях, выведенных когда-то Карно, в которых показывалось использование тепла и холода для достижения максимальной эффективности. По сути современнейшие атомные электростанции остаются теми же самыми паровыми машинами, каким бы странным это ни казалось. Точно так же и атомные субмарины движутся за счет пара.

При наличии горячего потока теплоносителя (пара) и охлаждающей камеры любая паровая машина должна конструироваться с максимальной тщательностью, чтобы избежать потерь тепловой энергии. Карно придумал, как это сделать, и сегодня мы называем его оптимальное виртуальное устройство циклом Карно. Мы определяем КПД других двигателей в процентах от КПД Карно. (Иногда вы можете услышать, что какой-то тепловой двигатель имеет КПД 90 %. Это значит, что он достигает 90 % от цикла Карно.) Гипотетический двигатель Карно достигает высших показателей за счет сведения к нулю производимой энтропии. Ниже я дам определение энтропии, однако важнейшим моментом в понимании существа паровых машин будет то, что вы, создавая энтропию, тем самым расходуете энергию впустую. Карно не вводил в научный оборот термин «энтропия». Он был придуман его учеником Рудольфом Клаузиусом, который взял начало «эн-» и окончание «-ия» из слова «энергия», а корень «-троп-» – от греческого «тропос», что значит «трансформация». В 1865 году Клаузиус писал:

Предлагаю назвать величину S энтропией системы, от греческого «тропос» («трансформация»). Я намеренно сделал так, чтобы слово «энтропия» максимально походило на слово «энергия». Эти два понятия так тесно связаны по их значению в физике, что некоторая похожесть в определяющих их словах кажется мне весьма уместной.

Так что, если вы перепутали энтропию с энергией, это вина Клаузиуса.

Энтропия теплового потока

В изначальной формулировке энтропия объекта определялась как нулевая в том случае, если все тепло из объекта удалено. Чтобы определить энтропию теплого объекта, необходимо начать от нулевой температуры (по абсолютной шкале, то есть по шкале Кельвина) и постепенно сообщать ему тепло, следя за поднимающейся температурой объекта. Небольшое увеличение энтропии определяется как добавленная теплота, поделенная на температуру. Если сложить все небольшие увеличения энтропии, можно получить энтропию теплого объекта. Так, например, мы измеряем энтропию чашки воды. Если температуру постепенно снижать, уменьшится и энтропия.

Обычно холодные объекты обладают низкой энтропией, а горячие – высокой. В этом смысле энтропия подобна энергии, но она безгранична и легко создается. Общее количество энергии отдельной группы предметов не меняется со временем, хотя энергия может переноситься от объекта к объекту или превращаться из потенциальной в кинетическую или из массы в тепло. Это закон сохранения энергии. В отличие от этого энтропия не сохраняется. Она может увеличиваться беспредельно. В этом смысле она подобна словам: вы можете спродуцировать столько слов, сколько вам угодно. Слова не сохраняются. (Отец Ричарда Фейнмана любил подтрунивать над сыном по этому поводу: он просил малыша помолчать, предупреждая, что иначе у него кончатся слова и он не сможет говорить.) С энтропией то же самое. Вселенная постоянно создает новую энтропию.

Энтропия может увеличиваться со временем, даже если вы ничего не делаете. Создавать ее легко. Оставьте чашку горячего кофе в холодной комнате. По мере ухода из кофе тепла энтропия напитка уменьшается (отрицательный поток тепла), но энтропия комнаты увеличивается – настолько, чтобы компенсировать ее потерю в чашке[102].

Ни один реальный двигатель не может достичь коэффициента полезного действия Карно, так что экономия энергии подразумевает движение вперед с использованием минимально возможного количества полезной энергии, необходимой для выполнения некоей работы. В конечном счете даже полезная энергия забирает тепло, и это, наряду с другими факторами, увеличивает энтропию Вселенной.

Энтропия смешения

Формирование тепловых потоков не единственный путь создания энтропии. Например, можно взять углекислый газ, образующийся в ходе работы угольной тепловой электростанции, и дать ему возможность смешаться с атмосферой. Возникающую в результате энтропию смешения легко высчитать с использованием правил и формул, разработанных Карно, Клаузиусом и их последователями. Эти формулы изучаются начальными курсами физики в университете. Добавляя шоколадный сироп в молоко, вы смешиваете две жидкости и без дополнительной энергии уже не можете их разделить. Энтропия смешения станет более понятной, когда в следующей главе мы обсудим вопрос о ее связи с ее же ошибочным пониманием.

Вот практический пример. Предположим, вы хотите опреснить морскую воду. Она представляет собой смесь воды и соли: в ней присутствует энтропия смешения. Опресняя, вы лишаете ее энтропии смешения. Второй закон (или начало) термодинамики гласит, что вы можете сделать это, только увеличив энтропию где-то еще. Например, используя тепловой поток для толкания поршня; тот оказывает на морскую воду давление, проталкивая ее через специальную мембрану, а она, в свою очередь, делит эту воду на два компонента. Расчеты позволяют определить минимальное количество энергии, которая должна быть затрачена на процесс опреснения: примерно 1 кВт/ч на 1 м³ морской воды.