Читать книгу Творение Бога и творчество человека - - Страница 2

В.: Но здесь я хотел пока прервать наши рассуждения о творчестве и остановиться на некоторых законах природы.

Г.: А почему это так важно? И какое отношение это может иметь к творчеству человека?

В.: Человек живет в мире, который построен на основании законов. Эти законы очень важны для его стабильности.

Г.: Оказывается, надо уважать не только государственные законы, но и законы природы?

В.: Горацио, это закон, о котором предпочитают не думать, но он действует повсеместно и постоянно.

Г.: Звучит странно и интригующее. А что это за закон?

В.: Это закон возрастания энтропии или закон возрастания беспорядка.

Г.: Учитель Вергилий, мы уже говорили об этом законе, но мне хотелось бы точнее понять, что это такое.

В.: Энтропия – это мера беспорядка и характеристика состояния некой системы. Или, иначе говоря, это мера хаоса этой системы.

Г.: Значит, если у меня в комнате беспорядок, это можно назвать энтропией?

В.: Это значит, что энтропия в твоей комнате увеличилась.

Г.: Я, наверное, задаю слишком много вопросов. А можно ее уменьшить?

В.: Конечно, если ты сделаешь уборку.

Г.: Все, теперь буду бороться с энтропией постоянно.

В.: Похвально, Горацио. А сейчас, прежде чем продолжить разговор об энтропии, необходимо коснуться второго закона термодинамики, который предваряет проявление энтропии в любой системе.

Г.: Ну вот, час от часу не легче. А в чем проявляется этот второй закон?

В.: Классический случай – это когда тепло переходит от тела более теплого к телу более холодному. Постулат Клаузиуса гласит: «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему».

Г.: А можно пояснить этот постулат на примере?

В.: Вот гипотетический пример. Можно взять две металлические полусферы с хорошо отполированными поверхностями, одна из которых горячая, а другая холодная, и соединить их плоскостями. Обе полусферы находятся в теплоизолированном пространстве для уменьшения рассеивания тепла. Через какое-то время горячая полусфера станет менее горячей, а холодная станет более теплой. И в конце концов через какое-то время они станут равными по температуре.

Г.: Спасибо, теперь стало гораздо понятнее.

В.: Про энтропию много чего написано, но если просто, то это мера вероятности протекания самопроизвольного процесса в какой-либо системе (и не обязательно изолированной). И этот процесс направлен всегда в одну сторону, в сторону выравнивания, скажем, температуры.

Г.: Так же, как и в примере с двумя полусферами?

В.: Да, если речь идет о термодинамике системы. Вот еще один пример для закрытой системы: две круглые сферы разного диаметра вставлены одна в другую. Между ними откачан воздух для создания теплоизолирующего слоя. Внутри малой сферы помещены вода с температурой 25 °С, а также кусочки льда, по весу гораздо меньшие, чем вес воды. Через определенное время все кусочки льда растают, а температура воды понизится (рис. 2). То есть способность воды совершать полезную работу уменьшится.

Рис. 2. Демонстрация явления энтропии в закрытой системе: 1 – две сферы разного диаметра; 2 – безвоздушное пространство, созданное для теплоизоляции; 3 – вода с начальной температурой 25 °C; 4 – кусочки льда

Г.: У меня сразу вопрос. Если мы просто возьмем ведро с водой комнатной температуры и туда бросим несколько кусков льда, то через какое-то время лед растает, а вода в ведре станет холоднее. Зачем тогда все эти сложности с откачиванием воздуха для теплоизоляции?

В.: Ты проделал хороший мысленный эксперимент, мой друг. И совершенно прав в том, что произойдет то же самое, что и в изолированной системе. И даже намного быстрее, если ведро стоит просто при комнатной температуре.

Г.: И?

В.: Твой эксперимент из открытой системы. Но теплофизики не любят открытые системы и поэтому они сказали бы, что твой опыт некорректен.

Г.: Но почему?

В.: В открытой системе слишком много неизвестных и невозможно точно рассчитать процесс возрастания энтропии.

Г.: И только-то!

В.: Физика – точная наука, Горацио. Но я тоже хочу привести пример из открытой системы: вода, находящаяся в открытом водоеме, замерзает при снижении температуры окружающей среды до отрицательной. Вода из жидкого состояния, при котором она могла бы совершить работу (скажем, падая с высоты, вращать турбину генератора для получения электрического тока), перешла в твердое, при котором эту работу совершать невозможно.

Г.: А еще можно примеры из другой области?

В.: Пожалуйста. Наиболее устойчивое состояние электрона в атоме соответствует минимально возможному значению его энергии. При этом он находится на ближайшей к ядру орбите. Любое другое состояние является возбужденным, неустойчивым и обычно соответствует более высокому подуровню. Из него электрон самопроизвольно переходит в состояние с более низкой энергией на более низкий подуровень, испуская квант электромагнитного излучения [3].

Г.: Насколько я понял, возрастание энтропии связано с уменьшением возможности совершать работу в какой-либо системе?

В.: В определенной степени, да. Но в каждом отдельном случае необходим дополнительный анализ ситуации.

Г.: Все понял. Это значит, что если в моем рюкзаке беспорядок, то я должен приложить определенные усилия, то есть совершить работу, чтобы восстановить там порядок. И тогда энтропия системы (рюкзака) уменьшится. Правильно (рис. 3)?

Рис. 3. «Энтропийный» рюкзак Горацио

В.: Ты схватываешь на лету, Горацио. Окружающий нас мир постоянно изменяется. И в большинстве случаев это связано с энтропийными процессами как в живой, так и в неживой природе. Количество видов растений и животных сокращается. В информации, которая записана на молекулах ДНК и РНК, накапливаются ошибки (мутации). Ветровая и водная эрозии приводят к разрушению твердых пород и вымыванию мягких.

Г.: Получается, что энтропия окружающего нас мира возрастает?