Холодильник Эйнштейна

На соседней странице три этих эксперимента представлены на графике (горизонтальные линии соответствуют кипению воды и наличию водопаровой смеси в ковше).

Вспомните, что энтропия — это мера рассеяния теплоты в любом теле (в нашем примере — в воде в ковше).

Таким образом, ось времени в этом случае также представляет энтропию воды и пара. Теплота от горящего газа непрерывно поступает в воду и рассеивается в ней.

На втором графике показано, что увеличение энтропии может проявляться двумя способами: либо в форме повышения температуры, либо в форме преобразования воды в пар. В последнем случае увеличение энтропии проявляется в повышении доли воды, пребывающей в парообразном состоянии.

Повторяя эти измерения при разном давлении, мы получаем первую термодинамическую карту, которая показывает, как вода, лед и пар реагируют на нагревание и охлаждение в широком диапазоне условий. Слева от купола — значения температуры и давления, при которых вода пребывает в жидкой форме. Внутри купола — значения температуры и давления, при которых вода пребывает в форме водопаровой смеси. Справа — значения температуры и давления, при которых вода пребывает только в форме пара. Под куполом давление и температура так низки, что вода пребывает в форме смеси льда и пара. Над куполом давление и температура так высоки, что вода пребывает не в жидком и не в парообразном, а в так называемом сверхкритическом состоянии.

Переоценить важность этих диаграмм невозможно. Например, они широко применяются инженерами, которые проектируют электростанции, вырабатывающие большую часть мирового электричества. На многих из них установлены современные паровые двигатели, в которых теплота от угля, ядерных реакций, геотермальных источников и солнечного света используется для создания горячего пара высокого давления. В отличие от паровых машин XIX века, в двигателях пар не толкает поршень. Вместо этого он нагнетается на лопасти турбины, раскручивая их и питая электрогенераторы. Когда пар выполнил работу по раскручиванию турбины, он конденсируется обратно в воду, после чего процесс повторяется. Главное здесь — эффективность: нужно преобразовывать как можно больше доступной теплоты в электроэнергию. Благодаря Сади Карно инженеры знают, что легче всего добиться желаемого результата, сделав пар как можно более горячим. Но при этом они должны поддерживать структурную целостность компонентов электростанции.

Именно здесь неоценимую роль играют термодинамические диаграммы. Так, они сообщают инженерам, сколько именно тепловой энергии на электростанции поглощается водой при преобразовании в пар, какое давление оказывает этот пар и до какой температуры он разогревается. Диаграммы помогают инженерам определить оптимальную температуру для конденсации пара, выходящего из турбин. Это позволяет им максимизировать эффективность электростанции без ущерба безопасности ее работы.

Вы включаете свет, смотрите телевизор, жарите курицу в электрической духовке — и все это возможно во многом благодаря термодинамической диаграмме.

Но работа Гиббса не ограничивается генерацией энергии. Его графический подход с использованием диаграмм привлек внимание ученых и инженеров к так называемым фазовым переходам — преобразованию вещества, скажем, из жидкой формы в твердую или газообразную и наоборот. Термодинамическая диаграмма показывает, что фазовые переходы происходят при постоянной температуре, при которой энтропия вещества существенным образом меняется. Иными словами, как ни парадоксально, во время таких переходов вещества могут поглощать теплоту, не становясь теплее, и выделять теплоту, не становясь холоднее. Мы отметили, что вода кипит при постоянной температуре в 100 °C. Подобным образом при охлаждении пар, температура которого составляет, скажем, 120 °C, начинает конденсироваться обратно в воду, когда его температура снижается до 100 °C. При этом температура остается неизменной, пока в воду не превращается весь пар. Только после этого температура снова начинает снижаться. Поняв принципы фазового перехода, люди научились творить холод.

Археологические источники свидетельствуют, что наши предки овладели огнем около миллиона лет назад. Делать лед было гораздо сложнее, и охлаждение стало не слишком впечатляющей, но незаменимой технологией современной эпохи. Охлаждение — самое несомненно термодинамическое из всех изобретений человека. Оно также сильнее всех противоречит универсальной тенденции к увеличению энтропии. При работе холодильника теплота идет из холодной зоны внутри в теплую зону снаружи, то есть в направлении, противоположном тому, в котором она движется самопроизвольно. Цель при этом состоит в том, чтобы создать пространство, где будет замедлено неумолимое увеличение энтропии. Хотя, по сути, холодильник — это охлаждающий контейнер, охлаждение служит более важной цели, которая заключается в том, чтобы замедлить процессы гниения и разложения, служащие примерами увеличения энтропии. Следовательно, холодильник можно считать устройством, внутри которого время замедляется.