Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Возьмем простейший случай. В обратимом мире пружина, адиабатически расширяясь и охлаждаясь при этом, выбрасывает на высоту шар. Пока шар совершает свои гравитационные эволюции в безвоздушном пространстве, в котором отсутствует трение, никаких компенсаций возникнуть не может: падая с высоты на пружину с такой же скоростью, с какой он был выброшен, шар восстанавливает ее первоначальную температуру при адиабатическом сжатии. Но заставим шар двигаться не в вакууме, а в обычном воздухе. Тогда за счет трения часть кинетической энергии шара превратится в теплоту. Более нагретые слои воздуха, примыкавшие к шару, начнут охлаждаться, передавая теплоту всей массе воздуха. В результате воздушная масса и пружина станут чуть теплее, чем до начала опыта. Выходит, в реальном мире, после того как шар проделал свои эволюции и вернулся в первоначальное положение, осталась компенсация: часть работы, совершенной пружиной, необратимо превратилась в теплоту.

А мы знаем: подвод теплоты к любой системе всегда увеличивает ее энтропию. Если система теплоизолирована и в ней не протекают процессы, сопровождающиеся трением и необратимым теплообменом, ее энтропия постоянна. Именно таков обратимый мир, отдельные черты которого мы пытались изобразить на предшествующих страницах.

Если система теплоизолирована, но в ней генерируется тепловое движение за счет процессов трения и необратимого теплообмена, ее энтропия увеличивается. Таким образом, энтропия замкнутой, теплоизолированной системы может только оставаться постоянной или возрастать. Но никогда, ни при каких условиях она не может уменьшаться. Ведь это означало бы, что нельзя ни двинуться, ни чихнуть, не вызвав мировой катастрофы. В мире убывающей энтропии (если бы, конечно, он был возможен), пропустив через провод импульс тока, мы обнаружили бы удивительный эффект: ток, проходя по проводнику, непрерывно усиливался бы за счет понижения температуры проводника. Звук, уходя от источника, также усиливался бы за счет охлаждения воздуха. Тело, начавшее двигаться, непрерывно ускорялось бы до тех пор, пока температура его не стала бы равной абсолютному нулю. Что касается тел, которым посчастливилось бы сохранить в таком мире неподвижность, то их поведение было бы не менее удивительным: теплота от всех менее нагретых тел самопроизвольно начала бы стекаться к самому горячему из них. Ясно, что такой мир был бы неустойчив. Процессы в нем шли бы до тех пор, пока все движущиеся тела не охладились бы до абсолютного нуля, после чего они двигались бы с постоянными скоростями. Все же неподвижные тела также охладились бы до абсолютного нуля, передав все тепло одному, раскаленному до огромной температуры. Не правда ли, фантастика? Но, оказывается, еще более фантастичен мир нашей планеты, мир Земли, на которой мы можем жить только потому, что в ней причудливо, но гармонично сочетаются черты всех тех миров, о которых мы только что говорили.

Действительно, наша планета прежде всего не замкнутая, не теплоизолированная система. Она получает теплоту от Солнца. Более того, в недрах и на поверхности ее генерируется теплота за счет необратимых процессов: здесь и горение топлива, и механическое трение, и электрическое сопротивление, и все виды необратимого теплообмена. И тем не менее мы не совершим большой ошибки, сказав, что мир Земли — мир постоянной энтропии: практически всю теплоту, получаемую от Солнца и от земных источников энергии, наша планета излучает в космос.

Правда, в результате такого переизлучения остаются компенсации — остаточные изменения, которые возможны только благодаря существованию необратимых процессов. Связав компенсацию с необратимостью, Клаузиус, сам того не подозревая, связал с необратимостью эволюцию всей природы.

Все, что мы знаем о древних народах, все, что мы знаем о планете, на которой живем, все, что мы знаем о себе самих, — все это мы знаем только потому, что до нас дошли «остаточные изменения» — компенсации — прошлых эпох: скелеты ископаемых животных, скульптуры, развалины, манускрипты. Парадоксально, но факт: все это не могло бы возникнуть в обратимом мире — в блестящем, идеальном, совершенном, вечно коловращающемся хороводе, в котором невозможны никакое устойчивое изменение формы, никакое стабильное изменение положения в пространстве, никакая память, никакая жизнь. Ни одно из бессмертных изваяний и ни один глиняный черепок немыслим в обратимом мире, ибо один и тот же процесс — необратимое разрушение — порождает и черепки и прекрасные статуи. Ни один памятник величественной архитектуры не мог бы быть сооружен в обратимом мире, ибо чтобы избежать бесконечных колебаний идеально упругих балок на идеально упругих опорах, в строительном деле понадобилась бы такая точность, которая едва ли достигнута сегодня в самом точном приборостроении. Никакая письменность не была бы возможна, ибо в мире, лишенном вязкости и трения, чернила не ложились бы на бумагу, а превращались в вечно катающиеся по ней шарики.