 |
Глава 9. Раскрываем секрет энтропии. Движущая сила огня
|
|
|
|
Глава 9
Раскрываем секрет энтропии
Энтропия звучит таинственно, но это все‑ таки и инструмент, который обладает обычными единицами измерения: калория на градус…
Я дух, всегда привыкший отрицать.
И с основаньем: ничего не надо.
Нет в мире вещи, стоящей пощады,
Творенье не годится никуда.
Гете, «Фауст», Мефистофель
Физика привыкла давать непонятные и абстрактные определения повседневным явлениям. Если только вы не закончили университет со степенью бакалавра по этой науке, вы можете быть незнакомы, например, с определением энергии, разработанным Эмми Нётер (см. главу 3), которое изучают в самых продвинутых курсах по физике:
Энергия – это сохраняющаяся физическая величина, сохраняемость которой обусловлена отсутствием явной временно й зависимости в лагранжиане.
Не стоит и говорить, что это непохоже на то, чему нас учат в старшей школе или даже на последних курсах университета. Однако это определение оказывается очень полезным, когда возникают новые обстоятельства. Например, если вы – Эйнштейн и только что создали новые уравнения, которые назвали теорией относительности. И хотите пересмотреть сохранение энергии с помощью этих новых уравнений. Тогда вам нужно применить теорему Нётер. (Более подробно об этом понимании энергии см. Приложение 2. )
Другие физические понятия имеют столь же абстрактные и таинственные определения, которые могут оказаться полезными для ученых, но весьма туманными для нефизиков. Одно из них – как раз продвинутое определение энтропии. В самом абстрактном виде оно может быть сформулировано следующим образом:
|
|
|
Энтропия – это логарифм количества квантовых состояний, которого может достичь система.
Это пояснение настолько же легко для понимания, как и определение энергии, данное Нётер. Энтропия начинает казаться чем‑ то загадочным, совершенно недоступным для большинства людей, за исключением наиболее продвинутых в математическом отношении физиков‑ статистиков.
Если у вас сложилось такое представление, вы очень удивитесь, узнав, что энтропия чашки кофе составляет около 700 калорий на 1 °С. Энтропия вашего тела – примерно 100 000 калорий на градус. С небольшими познаниями в физике и химии, а также при наличии химического справочника вы вычислите энтропию большинства окружающих объектов. Если вас это заинтересовало, откройте страничку «Энтропия воды» в интернете.
Калории на градус? Те самые единицы измерения количества теплоты, которые изучают на уроках физики в старшей школе? Той теплоты, которую нужно перенести на объект, чтобы повысить его температуру. Это очень далеко от «логарифма количества квантовых состояний», правда? Ничего в этом нет также от «степени хаоса» или «неупорядоченности». Энтропия может быть окружена каким‑ то налетом загадочности, но это не миф. Она присутствует в нашей жизни и очень важна в технике.
Движущая сила огня
Так же как сегодня компьютерные технологии продвигают информационную революцию, паровые машины некогда двигали вперед революцию промышленную. В начале 1700‑ х годов паровые машины были огромными, занимающими целые здания, и неэффективными. И все‑ таки они были достаточно экономически результативными, чтобы, например, выкачивать воду из глубоких шахт. Быстрая модернизация техники началась с развитием конкуренции. В 1765 году Джеймс Уатт, чьим именем названа одна из разновидностей паровой машины, изобрел более экономичный и малый по размерам двигатель. В 1809 году Роберт Фултон создал целый небольшой флот паровых судов, которые сновали по шести рекам Америки и Чесапикскому заливу. В конце концов механизм удалось сделать достаточно компактным, чтобы сконструировать паровоз. Была создана протяженная транспортная система и открыт американский Запад. Но революция не остановилась. Современные угольные и газовые ТЭЦ можно назвать сильно продвинутыми вариантами паровой машины, точно так же, как и атомные электростанции, топливом для которых вместо угля служит уран, но теплоносителем по‑ прежнему оказывается пар.
|
|
|
Большинство решений, найденных на ранних этапах развития паровых машин, были эмпирическими. Джеймс Уатт, шотландский механик‑ изобретатель, обратил внимание на чрезвычайную неэффективность попеременного нагревания и охлаждения парового цилиндра и придумал отдельный конденсатор отработанного пара, который значительно повысил КПД устройства.
Но поистине революционного прогресса в понимании процессов работы тепла, не прибегая к утомительной череде проб и ошибок, добился молодой французский военный инженер Сади Карно. Он работал над физическими принципами паровых машин в начале XIX века и пришел к выдающимся результатам.
Карно понял, что работа тепловой машины необязательно должна основываться на паре. Паровая машина была только одним видом двигателя, который мог преобразовывать горячий газ в полезную механическую энергию. Аналитические разработки Карно сегодня повсеместно используются в бензиновых и дизельных двигателях. В идеале было бы желательно, чтобы вся энергия тепла переводилась в механическую энергию. Но инженер пришел к заключению, что это невозможно. Та часть тепла, которая может преобразовываться в другой вид энергии, называется коэффициентом полезного действия. Карно показал, что поддержание одной части двигателя в разогретом состоянии так же важно, как и охлаждение другой его части. Именно соотношение тепла и холода и определяет КПД. Отклонение реального КПД машины от идеального определяется соотношением Т холода/Т тепла, в котором температуры измеряются по абсолютной шкале. Если Т холода достаточна низка или Т тепла достаточно высока, можно приблизиться к 100 %‑ ной эффективности.
|
|
|
Современная АЭС использует уран, чтобы производить пар, и охлаждающую воду, чтобы этот пар конденсировать и вновь превращать в жидкость. Символом АЭС стали не реакторы, в которых расщепляются ядра уранового топлива, а гигантские сооружения[101], похожие на широкие заводские трубы. Ядерная реакция происходит в небольшом здании с куполом. По сравнению с величественными испарителями оно не производит никакого впечатления. И вот работа мощных энергетических станций основывается на уравнениях, выведенных когда‑ то Карно, в которых показывалось использование тепла и холода для достижения максимальной эффективности. По сути современнейшие атомные электростанции остаются теми же самыми паровыми машинами, каким бы странным это ни казалось. Точно так же и атомные субмарины движутся за счет пара.
При наличии горячего потока теплоносителя (пара) и охлаждающей камеры любая паровая машина должна конструироваться с максимальной тщательностью, чтобы избежать потерь тепловой энергии. Карно придумал, как это сделать, и сегодня мы называем его оптимальное виртуальное устройство циклом Карно. Мы определяем КПД других двигателей в процентах от КПД Карно. (Иногда вы можете услышать, что какой‑ то тепловой двигатель имеет КПД 90 %. Это значит, что он достигает 90 % от цикла Карно. ) Гипотетический двигатель Карно достигает высших показателей за счет сведения к нулю производимой энтропии. Ниже я дам определение энтропии, однако важнейшим моментом в понимании существа паровых машин будет то, что вы, создавая энтропию, тем самым расходуете энергию впустую. Карно не вводил в научный оборот термин «энтропия». Он был придуман его учеником Рудольфом Клаузиусом, который взял начало «эн‑ » и окончание «‑ ия» из слова «энергия», а корень «‑ троп‑ » – от греческого «тропос», что значит «трансформация». В 1865 году Клаузиус писал:
Предлагаю назвать величину S энтропией системы, от греческого «тропос» («трансформация»). Я намеренно сделал так, чтобы слово «энтропия» максимально походило на слово «энергия». Эти два понятия так тесно связаны по их значению в физике, что некоторая похожесть в определяющих их словах кажется мне весьма уместной.
Так что, если вы перепутали энтропию с энергией, это вина Клаузиуса.
|
|
|
