Теперь вам ясно, почему мы начали эту главу с намека на то, что температура — понятие тонкое, и обращаться с ним надо с осторожностью? Мы готовы также ответить на вопрос, поставленный в разделе «Можно все, кроме того, что нельзя». Какова связь между выведенным в этом разделе соотношением и уравнением Клапейрона?
"Отношение, выведенное в разделе «Можно все, кроме того, что нельзя», представляет собой одну из форм записи соотношения неопределенностей Гейзенберга. Оно справедливо всегда, для всех без исключения физических объектов. Можно рассмотреть один случай, когда система состоит из большого числа частей (молекул) и находится в равновесии как внутри себя, так и с внешней средой. Энтропия такой системы равна своему максимально возможному значению и постоянна. Только в этом случае можно считать, что средняя энергия, приходящаяся на одну часть (молекулу), представляет собой температуру. При таких условиях это соотношение совпадает с уравнением Клапейрона.
Если хотят измерить температуру не в единицах энергии, а в градусах, используют специальный коэффициент пересчета, получивший название постоянной Больц-мана и равный 1,38-10~16 эрг/°К. Постоянная Больцма-на входит в состав универсальной газовой постоянной. И та, и другая постоянные потому и имеют такой неудобочитаемый вид, что за единицу измерения температуры, названную градусом, без каких-либо на то оснований приняли совершенно произвольную величину, т. е. одну сотую разности между температурой кипения воды и температурой таяния льда.
Настала пора подвести итоги. Два важных обстоятельства мы обсудили достаточно подробно и с разных сторон. Какие? Повторим их кратко.
Первое. Тепловая энергия, или теплота, на самом деле есть обычная механическая, точнее кинетическая, энергия движения большого числа частиц (молекул или атомов). При условии, конечно, что тепловая энергия распределена между ними равномерно, т. е. нет никаких поводов, по которым для отдельных молекул какие-то значения были бы более предпочтительными. Частицы тела, имеющего запас тепловой энергии, непрерывно взаимодействуют друг с другом, обмениваются своими энергиями.
- Второе. Тепловые, или термодинамические, процессы исчерпывающим образом описываются двумя законами, получившими название двух начал термодинамики. Оба закона имеют универсальный характер. Первое начало представляет собой следствие симметрии окружающего нас мира во времени, второе же, по существу, не имеет отношения к термодинамике, а есть просто свойство любой смеси, состоящей из большого числа взаимодействующих друг с другом объектов. Именно простота обоснования первого и второго начал термодинамики обусловливает их универсальность.
Согласно второму началу термодинамики энтропия любой системы, предоставленной самой себе, может лишь увеличиваться, а увеличение энтропии сопровождается установлением равновесия и выравниванием температуры. Наша Вселенная представляет собой физическую систему, по всей вероятности, предоставленную самой себе. Значит, согласно второму началу все процессы во Вселенной направлены к тому, чтобы в ней установилось полное равновесие, температура всех частей стала одинаковой и всякое макроскопическое движение прекратилось. Это и есть гипотеза так называемой тепловой смерти Вселенной. Тепловой не в том смысле, что не хватит тепла, а в том, что всюду станет одинаково тепло. Справедлива ли гипотеза тепловой смерти Вселенной? Попробуем разобраться в этом.
Умрет ли Вселенная?
Сначала попробуем восстановить в памяти ход рассуждений, которые проводятся для обоснования первого и второго начал термодинамики. Первое начало мы приняли безусловно. Что касается второго, то рассуждение о нем каждый раз начинается с предположения, что все частицы, участвующие в процессе, совершенно одинаковы, неразличимы, как зайцы, и энергия между ними распределяется равномерно. А если на самом деле это не так, то рассуждения, приводящие к выражению второго начала термодинамики, окажутся неверными. О том же свидетельствует и опыт. Например, при хорошо известном процессе кристаллизации молекулы стройными рядами располагаются в заранее предназначенных для них местах и ясно, что процесс кристаллизации сопровождается уменьшением энтропии. Правда, кристаллизация, как правило, происходит при охлаждении, т. е. при уменьшении количества тепловой энергии. Но какие-то основания для того, чтобы усомниться во всеобщей значимости второго начала термодинамики, у нас появляются.