Дело в химии. Как все устроено?

Классическим примером для иллюстрации этой концепции служит холодильник. Представьте себе, что читаете эту книгу очень жарким августовским днем. Температура на улице поднялась до 35 °C, солнце нещадно жарит стены вашего дома так, что он все больше напоминает жерло вулкана. Выбросив из головы все счета за электричество, вы отчаянно хватаетесь за пульт кондиционера, предвкушая уже струю холодного воздуха, омывающую тело. Вы нажимаете на кнопку… и ничего не происходит. Вы повторяете нажатие еще несколько раз, но напрасно: не работает. В отчаянии вы звоните в техническую службу, но у них полно заявок, и они смогут приехать только через пару дней. И тут вам приходит в голову идея: надо открыть дверь холодильника! Конечно, он не так удобен, как кондиционер, но лучше что-то, чем ничего, не так ли? Надо закрыть дверь и окно в кухне, открыть дверцу и подождать. Но пару часов спустя вам начинает казаться, что стало еще жарче, холодильник начинает завывать, будто готовится взорваться. Пришедший из школы сын, изучающий на физике как раз второе начало термодинамики, подкидывает вам учебник. И тут вы вспоминаете, что невозможно просто «уничтожить» тепло в комнате (первое начало термодинамики), его нужно куда-то деть. У кондиционера есть трубка, через которую тепло рассеивается вне стен вашего дома, а у холодильника есть теплообменник, который рассеивает в кухне тепло, извлеченное изнутри холодильной камеры. Если дверца закрыта, камера охлаждается, а воздух в кухне слегка нагревается; но если оставить ее открытой, вы не получите ничего, поскольку вы будете забирать тепло с одной стороны, и тут же выбрасывать с другой. И не только. Холодильник подключен посредством провода к электрической сети: как разделить виды энергии? Если бы тепло, отдаваемое задней стенкой холодильника, было равно количеству тепла, полученного из камеры, общий энергетический баланс равнялся бы нулю: а куда бы делась работа электричества? На самом деле из холодильника выделяется больше тепла, чем он забирает из воздуха, потому что часть работы электричества, вследствие второго начала, тоже преобразуется в тепло. И ваш сын совершенно прав – вы превратили холодильник в очень затратную духовку…

Теперь можно сформулировать итог: второе начало декларирует, что мир постоянно стремится к некоему равновесию, неподвижности. Жизнь – это нечто иное, как непрерывная борьба с термодинамикой. Все биохимические процессы, происходящие в нашем теле, имеют одну цель: не позволить нашему организму прийти в равновесие с окружающей средой. Для этого нам необходима энергия, которую мы потребляем с пищей и которую наше тело расходует для поддержания постоянной температуры в 37 °C в более холодной или более горячей среде. Эта энергия служит также для выработки электрических импульсов, используемых мозгом и нервной системой для коммуникации с остальными частями тела, для сокращения мускулов, возвращения их в прежнее состояние готовности к новым движениям. Она позволяет крови – при каждом вдохе – наполняться кислородом и циркулировать по телу. Равновесие же есть смерть: ничто больше не сможет измениться, ничего не случится. Это – конец времен, самый кончик стрелы. Согласно самым свежим космологическим теориям, это возможная окончательная судьба нашей Вселенной, термическая смерть, после которой не останется ни звезд, ни планет, ни галактик, ни черных дыр и никакой жизни, только вечная ледяная тишина[21].

Химия ископаемого топлива

А сейчас, когда мы уже познакомились с основными законами, управляющими преобразованиями энергии, мы можем погрузиться в процессы, посредством которых химия помогает найти самые надежные способы удовлетворения наших потребностей в энергии. Отправным пунктом нашего обсуждения станет ископаемое топливо, мы постараемся вместе лучше понять его природу, преимущества и почему мы столь зависимы от него.

Ископаемое топливо представляет собой соединения органических молекул – в основном углеводородов, – образовавшихся в результате очень медленного разложения органических веществ в условиях высокого давления и температуры, однако на самом деле, вопреки расхожим представлениям, не имеет никакого отношения к динозаврам. Несмотря на распространенность идей о том, что ископаемое топливо образовалось из останков динозавров, на самом деле это не так: оно образовалось в результате разложения остатков растений, водорослей и зоопланктона – микроскопических водных существ, живших за сотни миллионов лет до появления динозавров. Динозавры жили на Земле в период между 65 и 200 миллионов лет назад, а нефть образовалась из останков живых организмов, доминировавших в период от 10 до 100 миллионов лет назад. На самом деле эти организмы были для динозавров тем, чем динозавры являются для нас.