Первый и второй законы термодинамики

Первый закон термодинамики: нельзя получить что-то, не платя за это. Изучая движение миллионов предметов, множество физических и химических превращений, колебания температуры живых и неживых сис­тем, измеряя энергию, переходящую из одного вида в другой, ученые не смогли обнаружить возникновения или исчезновения энергии ни при лю­бых физических процессах, ни при химических реакциях, а только ее превращение из одной формы в дру­гую.

В результате был сформулирован закон сохранения энергии, извест­ный также как первый закон термо­динамики. Согласно этому закону, при любых физических или химиче­ских взаимодействиях, при любом перемещении вещества из одного ме­ста в другое, при любом изменении температуры энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одного вида в другой. Другими словами, энергия, полученная или затраченная какой-либо живой или неживой системой — любым изучае­мым материальным объектом, — должна быть равна той энергии, ко­торую одновременно получила от си­стемы или отдала ей окружающая ее среда:

Закон подразумевает, что в ре­зультате превращений энергии ни­когда нельзя получить ее больше, чем затрачено: выход энергии всег­да равен ее затратам; нельзя из ничего получить нечто, за все нуж­но платить (бесплатных ленчей не бывает).

Второй закон термодинамики: невозможно помешать выравнива­нию энергии. Поскольку первый за­кон термодинамики утверждает не­возможность возникновения или ис­чезновения энергии, можно поду­мать, что она всегда будет существо­вать в достаточном количестве. Од­нако если Вы будете ездить на авто­мобиле, наполнив бак бензином, или у Вас будет постепенно садиться ба­тарейка карманного фонарика, Вы будете что-то терять. Если не энергию, то что же еще? Ответ один — качество энергии.

Множество опытов, проведенных учеными, показали, что в процессе любого превращения энергии из од­ного вида в другой всегда происхо­дит снижение качества энергии, или уменьшается, количество полезной энергии. Все, что мы наблюдаем в природе, в кратком виде сформули­ровано во втором законе термодина­мики: при любом превращении энер­гии из одного вида в другой некото­рое количество первично полученной полезной энергии переходит в менее качественную, менее полезную энер­гию, которая обычно рассеивается в окружающей среде в виде низкотем­пературного тепла. Энергия низкого качества, обладающая высокой энт­ропией, рассеяна настолько, что не­способна выполнять полезную рабо­ту. Закон снижения качества энер­гии известен как второй закон тер­модинамики, и до сих пор наруше­ний его не обнаружено.

Рассмотрим в действии три при­мера второго закона термодинамики. Пример первый. Когда движется ав­томобиль, в механическую энергию, приводящую его в движение, и элек­трическую энергию всех его систем превращается всего лишь около 10% получаемой при сгорании бензина высококачественной химической энергии. Остальные 90% в виде бес­полезного тепла рассеиваются в ок­ружающей среде и в конечном счете теряются в космическом пространст­ве. Пример второй. Когда электри­ческая энергия проходит через про­волоку лампы накаливания, 5% этой энергии превращается в полезное световое излучение, а 95% в виде тепла рассеивается в окружающей среде.

Третий пример деградации качест­ва энергии показан на рисунке 3-12: зеленые растения преобразуют сол­нечную энергию в высококачествен­ную химическую энергию, которая содержится в молекулах глюкозы, и низкокачественное тепло, поступаю­щее в окружающую среду. Когда Вы едите растительную пищу, например яблоко, его высококачественная хи­мическая энергия в Вашем организме превращается в высококачественную электрическую и механическую энер­гию (используемую для движения и обеспечения других процессов жизне­деятельности), а также в низкокаче­ственное тепло.

Согласно первому закону термо­динамики, энергия никогда не исто­щится, поскольку она не может ни возникать, ни исчезать. Но согласно второму закону термодинамики, об­щее количество концентрированной высококачественной энергии, которую мы можем получить из всех источников, постоянно сокращается превращаясь в низкокачественную энергию. Мы не только не можем получить нечто из ничего в смысле количества энергии (первый закон термодинамики), мы не в состоянии нарушить выравнивание качества энергии (второй закон термодина­мики). При использовании энергии какое-то ее количество безвозвратно теряется и повышает энтропию окру­жающей среды.

Второй закон термодинамики подразумевает также, что мы прак­тически никогда не можем восста­новить или повторно использовать высококачественную энергию для выполнения полезной работы. Буду­чи однажды использованной, скон­центрированная высококачественная энергия, которая содержится в лом­те хлеба, галлоне бензина, в камен­ном угле или куске урана, рассеива­ется в окружающей среде в виде низкокачественного тепла. Правда, мы можем, нагрев воздух или воду, поднять их температуру и тем са­мым увеличить качество энергии, со­держащейся в этих компонентах. Однако, согласно второму закону термодинамики, на это будет потра­чено гораздо больше высококачест­венной энергии, чем произведено в результате нагрева.

Жизнь и второй закон термоди­намики. Для того чтобы в организме поддерживался высокий уровень упорядоченности молекул и сохра­нялся определенный порядок хими­ческих превращений, Вы должны постоянно потреблять получаемые извне вещество и энергию высокого качества. Использовав эти ресурсы, Вы возвращаете в окружающую сре­ду низкокачественное тепло и менее упорядоченное вещество в виде отхо­дов.

Например, Ваше тело постоянно излучает такое же количество тепла, как электрическая лампочка мощно­стью в 100 ватт, — вот почему в бит­ком набитой людьми комнате вскоре становится жарко. Кроме того, Вы постоянно выделяете молекулы углекислого газа и водяного пара, рассеивающиеся в атмосфере.

Посадка, выращивание, переработка и приготовление пищевых продуктов требуют использования высококачественных ресурсов вещества и энергии, а в окружающую среду при этом выбрасываются низ­кокачественное тепло и отходы. К тому же громадное количество низ­кокачественной тепловой энергии и отходов поступает в окружающую среду при эксплуатации богатых ме­сторождений полезных ископаемых, промышленной их переработке или сжигании для отопления либо ох­лаждения помещений, при движении транспортных средств, строительстве дорог, жилья, производстве одежды и всего необходимого человеку.

Некоторые из перечисленных процессов способствуют созданию сложных органических молекул и развитию живых организмов, повы­шая тем самым степень упорядочен­ности материи. Но одновременно эти же процессы сопровождаются изме­нением энтропии на Солнце и в ок­ружающей среде. Измерения пока­зывают, что общее количество энтро­пии в виде низкокачественного тепла и неупорядоченного вещества, обра­зовавшегося при обеспечении жизне­деятельности какого-либо организма и производстве всего Вам необходимого, намного превышает масштабы создания при этом высокоорганизо­ванного, хорошо упорядоченного ве­щества и соответствующих запасов высококачественной энергии в Ва­шем организме.

Таким образом, все формы жиз­ни — это крошечные хранилища по­рядка, который поддерживается со­зданием океана беспорядка в окру­жающей их среде. Определяющей чертой любого развитого промыш­ленного общества можно считать постоянно возрастающие масшта­бы использования ресурсов вещест­ва и энергии высокого качества для поддержания порядка в организме человека, а также в более крупных хранилищах порядка, называемых цивилизациями. Значит, современ­ные промышленно развитые сообще­ства повышают энтропию окружаю­щей среды в больших масштабах, чем на любом предыдущем этапе че­ловеческой истории.

Это — энтропийный капкан. Вто­рой закон термодинамики гласит, что избежать увеличения энтропии окру­жающей среды нельзя, но можно по­пытаться сократить или свести к ми­нимуму то количество энтропии, ко­торое производим мы сами.