Термодинамічні підходи до сутності життя
Термодинамічні підходи до сутності життя
У 1847 році Г. Гельмгольц сформулював закон збереження енергії (ЗСЕ). Слід пам'ятати, що ЗСЕ є всього лише емпіричним узагальненням: взагалі кажучи, ніхто не знає, чому енергію не можна ні створити з нічого, ні знищити - просто цього не відбувається ні в яких, як завгодно хитромудрих, спостереженнях і експериментах. Ми з вами пам'ятаємо, що одного разу ЗСЕ грунтовно похитнувся - коли виникла необхідність пояснити, чому світить Сонце (див. Вік землі), однак тут наспів відкриття Ейнштейном еквівалентності маси і енергії, і все знову стало на свої місця. Саме тому жодна патентне бюро не стане розглядати проект пристрою для отримання більшої енергії, ніж воно споживає; такий пристрій отримало назву вічний двигун першого роду. Першою створеної людиною машиною для перетворення тепла в механічну енергію був паровий двигун. Це пристрій виробляє роботу шляхом переміщення енергії в формі тепла з гарячого резервуара (з парою) в холодний резервуар (з водою). Тому розділ фізики, що займається взаємними перетвореннями роботи і енергії, назвали термодинаміки, а паровий двигун дуже довго залишався його основною моделлю. Перший закон термодинаміки говорить, що "якщо резервуар з парою містить деяку кількість енергії, то від парової машини не можна отримати більше роботи, ніж допускає запас цієї енергії". Легко бачити, що воно є однією з формулювань ЗСЕ; саме перший початок термодинаміки і порушує "вічний двигун першого роду". Ну, гаразд: не можна так не можна. Але вже принаймні всю роботу, що міститься в парі, ми можемо витягти? Мається на увазі - якщо повністю усунути тертя і всякі інші втрати? На жаль - виявляється, немає. Навіть в ідеальному випадку не те що виграти - не можна навіть "отримати своє". У 1824 році С. Карно встановив, що частка теплової енергії, яка може бути (навіть в ідеалі!) Перетворена в роботу, залежить від різниці температур гарячого і холодного резервуарів. Ідеальна віддача K = (Т2-Т1) / Т2, де Т1 і Т2 - температура холодного і гарячого резервуарів (в градусах абсолютної шкали Кельвіна). Нехай, наприклад, Т2 буде 400о (= 127оС), а Т1 300о (= 27оС). В цьому випадку K = (400-300) / 400 = 0,25. Тобто - навіть в цьому ідеалізованому випадку лише чверть енергії зможе бути перетворена в роботу, а решта три чверті - марно пропадуть. Якщо ж у нас є тільки один резервуар (він же гарячий, він же і холодний), то ідеальна віддача, відповідно, буде дорівнює нулю. Тобто - енергії-то в цьому резервуарі з парою скільки завгодно, але жодна частина її не може бути перетворена в роботу. Все це повністю відноситься і до інших видів енергії: робота, яку може зробити камінь, що падає з краю обриву, залежить від висоти останнього (тобто від різниці потенційних енергій каменю), проте камінь, що лежить посеред плоскогір'я на висоті 5 кілометрів, ніякої роботи зробити не може. В цьому і полягає одна з формулювань Другого закону термодинаміки (ВНТ): "ні один пристрій не може витягти роботу з системи, яка повністю знаходиться на одному потенційному рівні". Пристрій, призначений для вилучення роботи з системи, що має єдиний енергетичний рівень (і, відповідно, порушує ВНТ), називається вічним двигуном другого роду. Уявляєте, як було б здорово - відкачати, наприклад, енергію теплового руху молекул каструльки з водою (каструлька-то нехай при цьому замерзне - закон збереження енергії ми шануємо!) І перевести її в механічну, електричну, або ще якусь путнього форму. Тільки нічого з цієї затії не вийде - вічний двигун другого роду неможливий точно так же, як і першого. Тим часом, як тільки в системі з'являються два енергетичних рівня, енергія тут же починає перетікати від вищого рівня до низького: тепло переходить від гарячого тіла до холодного, камінь падає з обриву, ток починає текти від анода до катода, і т.д. (Тому існує й інша формулювання ВНТ: "Потік енергії завжди спрямований від високого потенційного рівня до низького"). У разі, якщо наша парова машина являє собою замкнуту систему (тобто ніяке речовина і енергія не можуть ні проникнути в неї ззовні, ні покинути її), гарячий резервуар буде поступово остигати, а холодний - нагріватися; тобто - протягом усього часу, поки в системі відбувається робота різницю температур резервуарів буде неухильно падати. Тоді, відповідно до співвідношення Карно, частка міститься в системі енергії, яку можна перетворити на роботу, буде зменшуватися, а частка тієї "омертвіння" енергії, що недоступна для такого перетворення - незворотньо рости. Тому ВНТ може бути сформульовано ще й так: "У будь-якому мимовільному процесі (коли енергії відкритий шлях для перетікання з більш високого рівня на низький) кількість недоступною енергії з часом збільшується". У 1865 році Р. Клаузіус, маючи справу з цією самою необоротно втрачається (диссипировать) енергією, ввів спеціальну величину, названу їм ентропією (S); вона відображає ставлення теплової енергії до температури і має розмірність кал / град. У будь-якому процесі, пов'язаному з перетвореннями енергії, ентропія зростає або - в ідеальному випадку (гарячий і холодний резервуари розділені абсолютним теплоізолятором, струм тече по надпровідники і т.д.) - не зменшується. Тому ВНТ іноді називають Законом неубиванія ентропії. А саме коротке об'єднана формулювання першого і другого почав термодинаміки, запропонована тим же Клаузиусом (1865), звучить так: В будь-якої замкнутої системі повна енергія залишається постійною, а повна ентропія з плином часу зростає. Нехай у нас є та ж сама пара резервуарів - гарячий і холодний; їх з'єднують, в результаті чого їх температури (що відображають середню кінетичну енергію молекул) зрівнюються. Можна описати цю картину і так: "Система спочатку була структурована - поділена на гарячу і холодну частини, а потім ця структура зруйнувалася; система перейшла з упорядкованого стану в безладне, хаотичне". Поняттям "порядок" і "хаос" не так-то просто дати строгі визначення, однак інтуїтивно ми маємо на увазі, що порядок - це коли предмети розкладені відповідно до якоїсь логічної системою, а хаос - коли ніякої системи не виявляється. Отже, ми бачимо, що коли енергія (в даному випадку - теплова) перетікає в напрямку, зазначеному ВНТ, хаос (безладдя) в системі зростає. А оскільки ентропія при цьому зростає теж, то виникає цілком логічне припущення: а чи не є "хаос" і "ентропія" родинними, взаємопов'язаними поняттями? Так воно і є: в 1872 році Л.Больцман строго довів, що Клаузіусова ентропія (S) дійсно є мірою невпорядкованості стану системи: S = klnP, де k - універсальна постійна Больцмана (3,29 * 10-24кал / гр), а P - кількісне вираження невпорядкованості (воно визначається досить складним способом, який для нас зараз важлива). Це співвідношення називають принципом порядку Больцмана; воно означає, що незворотні термодинамічні зміни системи завжди йдуть в сторону більш ймовірних її станів, і в кінцевому рахунку ведуть до стану хаосу - максимальної виравненності і симетрії. Оскільки в будь-який замкнутої системі ентропія безперервно і необоротно зростає, то з часом в такій системі, як наш Всесвіт, зникне всяка структурованість і повинен запанувати хаос. Зокрема, встановиться єдина температура (яка, відповідно, буде лише трохи вище абсолютного нуля). Цю гіпотетичну ситуацію звану, "теплової смертю Всесвіту"; міркування на цю тему були дуже модні в кінці минулого століття. Треба сказати, що закон неубиванія ентропії - з усіма його глобально-песимістичними наслідками - взагалі створює масу незручностей для світовідчуття будь-якого нормального людини. Не дивно, що регулярно виникає питання - а чи не можна знайти спосіб як-небудь обдурити ВНТ і перемогти зростання ентропії? Ті з вас, хто Новомосковскл "Понеділок починається в суботу", можливо, пам'ятають працювали в НІІЧАВО вахтерами демонів Максвелла; дехто, можливо, навіть прочитав в "Словнику-довіднику" роз'яснення Стругацьких, що істоти ці були спочатку створені "для віроломного нападу на Другий закон термодинаміки". Суть уявного експерименту, здійсненого Дж. Максвеллом (1860) полягає в наступному. Є дві посудини з газом, з'єднані трубкою; система знаходиться в тепловій рівновазі - усереднені енергії молекул будь-яких двох порцій газу рівні між собою. Це зовсім не означає, що всі молекули однакові: серед них є більш швидкі ( "гарячі") і більш повільні ( "холодні"), просто на великих числах це все усредняется. А що, якщо кілька швидких молекул - чисто випадково! - перейдуть з правого резервуара в лівий, а кілька повільних - з лівого в правий? Тоді лівий посудину кілька нагріється, а правий охолоне (при цьому сумарна енергія системи залишиться незмінною); в системі виникне різниця потенціалів, тобто - зросте впорядкованість, а ентропія знизиться. У реальності такі відхилення будуть - по теорії ймовірностей - суто тимчасовими. Давайте, однак уявімо, що в з'єднує судини трубці сидить крихітний демон, який буде пропускати швидкі молекули тільки зліва направо, а повільні - справа наліво. Через деякий час все швидкі молекули зберуться в правому посудині, а все повільні - в лівому, лівий посудину нагріється, а правий - охолоне; значить, ентропія відступила. Ясна річ, що такого демона в дійсності не існує, але може бути ми з часом зуміємо створити якийсь пристрій, що працює на цих принципах? На жаль, не зуміємо. (До речі, сам Максвелл і не думав робити замах на ВНТ: йому-то демон був потрібен просто для пояснення температури через швидкість руху молекул - на противагу тодішнім уявленням про "невидиму рідини-теплорода".) Вся справа в тому, що наші резервуари з газом не є повною системою: повна ж система складається з газу плюс демона. "Отлавливая" молекули з відповідними параметрами, наш демон змушений буде орати як трактор. Тому підвищення власної ентропії демона з лишком перекриє то зниження ентропії, яке він справить в газі. Одним словом, ми маємо справу з класичним вічним двигуном другого роду. Однак постійте: ентропію газу-то демон, як не крути, знизив. А адже це ідея.
випадковий малюнок
Увага! Інформація на сайті
призначена виключно для освітніх
і наукових цілей