Приведем интересные выкладки. При этом для простоты будем оперировать с количествами энергии, очень малыми по сравнению с полными запасами энергии. Изменения энергии тел на подобные величины практически не влекут за собой изменения их температуры. Пусть тело с температурой Т\ отдает некоторое количество энергии (тепла) AQi. Оно частично преобразуется, например, в механическую работу, количество которой равно AR, а частично передается телу с температурой Тч. Количество тепла, переданного телу с температурой Т2, равно AQ2. В результате получаем AQi = AR + Л<3г-Поскольку температуры по условию остаются неизменными,
^- = AS1 и 4^=AS2. 11'2
Максимальное количество работы будет получено, если A5i—Д5г=0, т. е. при условии, что энтропия системы остается постоянной. Получаем непосредственно
Atf = AQ7,1-7,3
Величина
74 — Т.
а =
7\
получила название коэффициента полезного действия. Коэффициент полезного действия всегда меньше единицы и приближается к единице лишь по мере приближения температуры одного из тел к температуре абсолютного нуля. Второй вывод, который можно сделать из сказанного: только неравновесные теплоизолированные системы способны отдать часть своей энергии в виде, преобразованном в другую форму.
Теперь прояснилось сделанное в начале книги замечание по поводу разговоров об энергетическом кризисе. Запасы тепловой энергии в такой системе, как Земля вместе с окружающей ее атмосферой, практически остаются неизменными. А если и изменяются, то чрезвычайно медленно на протяжении тысячелетий. Так что на недостаток энергии пожаловаться нельзя. Иное дело возможности преобразования. Всякий раз, чтобы получить какое-то количество нетепловой энергии, мы переводим до этого неравновесную систему в состояние, находящееся ближе к равновесному.
Переход из неравновесного состояния в равновесное совершается самопроизвольно, причем он может проходить как с преобразованием, так и без преобразования тепловой энергии в другие виды энергии. А обратный процесс — процесс перехода систем из равновесного в неравновесное состояние — самопроизвольно идти не может. В этом и состоит великий смысл второго начала термодинамики. Дефицит для человечества составляют не запасы энергии — при всем желании мы не можем не только исчерпать их, но и хоть как-то уменьшить, а запасы неравновесных систем. Энергия, получаемая от Солнца, частично затрачивается как раз на создание неравновесных систем, например, при нагревании не всей земной атмосферы, а лишь какой-то ее части.
Нужна ли опора?
До сих пор мы говорили в основном о преобразовании тепловой энергии в механическую. Ведь перед тем как рассматривать какое-то явление, важно узнать его причину. Разобравшись в причине, можно еще раз все подытожить. В мире макроскопических объектов, т. е. тел, состоящих из большого количества отдельных частей, всякое движение совершается в сторону увеличения энтропии. Сказав это, мы перейдем к рассмотрению самого движения, точнее, некоторых его сторон, представляющих, на наш взгляд, особый интерес.
Рассуждения о движении окажутся самыми простыми и понятными, если в основу их класть закон сохранения количества движения, который понадобится нам чуть позже. Между прочим, закон сохранения количества движения пытались опровергать точно так же, как пытались опровергать первое и второе начала термодинамики бесчисленные изобретатели вечных двигателей. Последняя эпидемия опровержений закона сохранения количества движения разразилась в нашей стране относительно недавно, чуть больше десятилетия назад, когда проходила довольно бурная дискуссия о так называемых безопорных движителях.
Опровергнуть закон сохранения количества движения невозможно, потому что он представляет собой следствие достаточно простого и очевидного утверждения о пространственной симметрии окружающего нас мира. Интересно другое. Откуда у человека вообще такая страсть опровергать физические законы? С одной стороны, это делается, конечно, из наилучших побуждений. И вечные двигатели и безопорные движители, если бы они были осуществимы, принесли бы человечеству большую пользу. Но наверное, следует признать и то, что причина кроется в плохом преподавании физики. Чем более сложно и запутанно излагается некоторое положение, тем менее оно убедительно, тем естественнее желание отыскать в нем слабые места и опровергнуть. Кроме того, с понятием энергии учащиеся знакомятся относительно рано, еще в школе, а понятие энтропии всерьез изучается лишь в вузах, да и то не во всех. А ведь только взятые вместе, они создают цельную и непротиворечивую картину.