Айзек Азимов - Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Теперь возвратимся к вопросу о том, как же энтропия может интерпретироваться в свете атомного представления о движении теплоты? Энтропия согласно второму закону термодинамики всегда увеличивается. Хорошо, тогда что же является тем, что всегда увеличивается в результате молекулярных столкновений? Рассматривая этот вопрос в свете идущего разговора, мы можем сказать, что увеличивается замедление молекул. Если первоначально в системе теплота была накоплена, сконцентрирована в одной части, а в другой ее части имелся дефицит теплоты, то столкновение молекул замедляет их увеличение и распространяет теплоту более равномерно по всей системе. В конце концов, когда достигнуто температурное равновесие, теплота распространяется по системе настолько равномерно, насколько это возможно.

Энтропию можно поэтому интерпретировать как меру неравномерности, с которой распределена энергия. Этот подход может применяться к любой форме энергии, а не только к тепловой. Когда электрическая батарея разряжается, ее электрическая энергия все более равномерно распределяется по ее веществу и по материалу, вовлеченному в передачу электрического тока. В ходе непосредственной химической реакции химические энергии более равномерно распределяются по вовлеченным в нее молекулам.

Более того, равномерность распределения энергии «более равномерна», если так можно выразиться, в том случае, когда она распределена среди молекул, находящихся в хаотическом движении. Преобразование любой формы нетепловой энергии в тепловую приводит к увеличению равномерности в распределении энергии, а потому — к увеличению энтропии.

По этой причине любой процесс, включающий в себя передачу энергии, приводит к возникновению теплоты как стороннего продукта. Тело, находящееся в движении, произведет теплоту в результате трения или сопротивления воздуха, и часть его кинетической энергии будет распространяться по молекулам, с которыми оно вошло в контакт. При преобразовании электрической энергии в свет или движение также производится и теплота, что мы можем легко обнаружить, прикоснувшись к электрической лампочке или электродвигателю.

И наоборот, это означает, что если бы теплота была полностью преобразована в некоторую форму нетепловой энергии, то автоматически это вызвало бы уменьшение энтропии. Но уменьшение энтропии в замкнутой системе настолько чрезвычайно маловероятно, что возможность его возникновения при обычных условиях можно полностью игнорировать. Да, конечно, некоторое количество теплоты может быть преобразовано в другие формы энергии, но только за счет дальнейшего увеличения энтропии теплоты, остающейся в системе. В паровом двигателе, например, преобразование энергии теплоты пара в кинетическую энергию поршней, то есть в часть, уменьшающую энтропию, приводит к ее увеличению за счет (все большего) увеличения энтропии горящего топлива, благодаря которому производится пар.

Увеличивающаяся равномерность в распространении энергии может интерпретироваться как увеличивающийся «беспорядок». «Порядок» мы интерпретируем как качество, характеризующее расположение частей системы: например, распределение вещей по категориям, расположение карточек в алфавитном порядке, занесение предметов в список по мере увеличения их количества. Равномерное распространение предметов должно игнорировать все это дифференцирование. Как результат мы получаем, что специфическая категория объектов равномерно распределяется среди остальных категорий: такое явление мы можем назвать «максимальным беспорядком».

По этой причине, когда мы перемешиваем аккуратно сложенную колоду карт в случайном порядке, мы можем говорить об увеличении энтропии. Да и вообще все процессы, которые непосредственно происходят, кажется (в соответствии со вторым законом термодинамики), вызывают увеличение беспорядка. Если не предпринять специальных усилий, чтобы полностью изменить порядок вещей (что увеличит нашу собственную энтропию), то опрятные комнаты будут иметь тенденцию стать неряшливыми, неубранными, блестящие объекты будут иметь тенденцию стать мутными, пыльными, вещи, которые мы запомнили, будут иметь тенденцию забываться, и так далее.

Таким образом, здесь, в этой книге, мы пришли к достаточно парадоксальной симметрии. Мы начали с греческих философов, сделавших первую попытку установить систематические обобщения, лежащие в основе порядка Вселенной. Они были уверены, что такой порядок, в основном простой и постижимый, существует. В результате развития предложенных ими идей мы действительно обнаружили такие обобщения. И из них наиболее мощные из всех обнаруженных обобщений -первые два закона термодинамики — демонстрируют нам, что порядок во Вселенной прежде всего бесконечно увеличивает беспорядок в ней же.