Биология в новом свете

Взаимосвязь упорядоченности и энергии, о чем мы говорили в предыдущем абзаце, была установлена Людвигом Больцманом лишь через много лет после того, как было открыто второе начало термодинамики. Этот закон играет в биофизике исключительно важную роль, на чем мы остановимся подробнее в дальнейшем. Сейчас же обсудим энергетическую сторону этого закона. Второе начало термодинамики исключает возможность существования вечного двигателя второго рода, т. е. машины, которая отнимает у какого-либо тела тепло и превращает его в полезную энергию, например электрическую.

Покажем это на примере. Температура воды в реке летом около 20° С, в то время как летний воздух несколько теплее. А нельзя ли построить на реке электростанцию, в которой вода охлаждалась бы до 10° С, а полученная тепловая энергия превращалась бы в электрическую? Вблизи такой электростанции приятно было бы отдохнуть от летней жары, а через несколько километров ниже по течению вода в реке снова приобретала бы нормальную температуру. Первое начало термодинамики здесь удовлетворяется. Электроэнергия получается не из ничего, а из тепловой энергии речной воды. Казалось бы, все в полном порядке! Тем не менее такой электростанции нет и быть не может. Второе начало термодинамики запрещает подобное направление протекания самопроизвольного процесса.

Следует отметить, что тепловая энергия занимает особое место среди всех прочих видов энергии. Энергия любого вида — будь то электрическая, химическая, механическая и т. п. — может целиком превращаться в тепловую энергию. Тепловая же энергия превращается в другие виды энергии только тогда, когда существует разница температур. Но даже и в этом случае возможно лишь частичное преобразование энергии. Впрочем, это вещь очевидная, однако и она отражена во втором начале термодинамики. Каждый из нас замечал, что чай в стакане охлаждается, то есть его тепло передается окружающей среде. Однако никому не приходилось наблюдать, чтобы чай в стакане нагрелся за счет окружающего тепла до температуры выше комнатной!

Температура тела всем известного воробья Т_Т= 41 °С. Она выше температуры внешней среды, равной, скажем, Т_В= 10 °С. Такой перепад температур вызывает постоянную потерю тепла, или, говоря языком термодинамики, рассеяние энергии

Можно привести множество подобных примеров. Но естествознание не сводится к одним только рассуждениям; его задача — найти точные математические решения тех или иных вопросов, а для этого необходимы точные определения, величины, зависимости. Выдающимся достижением физики нашего века следует считать то, что ей удалось выразить в формулах основные положения термодинамики и обеспечить тем самым возможность проведения точных расчетов. Но прежде чем перейти к формулам, нужно найти параметры, которыми можно оперировать и которые можно надежно измерять.

Проблема начинается уже с определения понятия энергии. Что это такое? Как ее измерять? Какие явления в окружающем нас мире можно охарактеризовать этим словом? Чтобы ответить на эти вопросы, следует сначала ясно представить себе, какими свойствами должна обладать энергия. Мы говорили, что существуют различные формы энергии и их необходимо измерять, суммировать, сопоставлять друг с другом. Энергия должна быть параметром, определяющим состояние системы независимо от того, как это состояние достигнуто. Энергия должна быть такой же характеристикой состояния системы, как, например, высота расположения тела над уровнем моря, температура, электрический заряд, внутреннее давление и т. д.

Однако мы рискуем слишком уклониться от наших целей и потому постараемся быть краткими.

Итак, поверим на слово, что физикам действительно удалось установить такие энергетические параметры системы, которые можно измерять и с которыми можно проводить различные расчеты.

К сожалению, мы еще не покончили с теорией. Для того чтобы второе начало термодинамики сформулировать количественно, наряду с энергетическими параметрами, характеризующими состояние системы, необходимо еще одно важное понятие. Около 100 лет назад Клаузиус ввел величину, которая могла бы служить качественной мерой тепла. Он назвал ее энтропией. Позже Людвиг Больцман связал ее с понятием вероятности и тем самым с упорядоченностью. Термин "энтропия" часто понимают и используют неправильно. Поэтому мы будем употреблять его как можно реже и только там, где его можно наглядно представить. Просто отметим, что энтропия — это величина, изменение которой определяет направление любого самопроизвольного процесса в замкнутой системе. Эти процессы протекают всегда так, что энтропия системы увеличивается. Данное положение можно рассматривать как еще одну формулировку второго начала термодинамики.