Репортаж с ничейной земли. Рассказы об информации

Разность давлений. Внутри сосуда оно выше, чем за его пределами. Микромир не терпит «несправедливости». Его «жители» считают, что должен быть заселен равномерно весь доступный для них объем. Пока стенки мешали им выйти за границы сосуда, они жили в «состоянии равновесия», и именно это состояние подробно исследовал и описал уравнениями и кривыми Максвелл. Но вот открылось отверстие, образовалась разность давлений, и равновесие сразу нарушилось. Молекулы получили возможность стремительно вылетать из отверстия. И будут вылетать до тех пор, пока давление внутри сосуда не станет равным давлению атмосферы. Тогда наступит новое равновесие, и молекулы станут снова водить свои хороводы, подчиняясь закону, который открыл Максвелл.

Значит, не все события, происходящие в облаке газа, можно описать кривыми Максвелла. Есть у газа еще одно очень важное свойство: выведенный из равновесия, он стремится вернуться в это состояние, и молекулы до тех пор не будут подчиняться кривой Максвелла, пока в границах отведенного им пространства не «восстановится справедливость», пока давление не станет ровным во всех частях. Для того чтобы до конца понять природу этого свойства, и понадобилась энтропия.

История энтропии

Термин «энтропия» родился в середине прошлого века. Его ввел в физику немецкий ученый Клаузиус, и с его легкой руки условный значок энтропии завоевал себе прочное место в длинном ряду термодинамических формул. Формулы эти говорили о том, что при нагревании тела увеличивается его температура, а также давление или объем.

Все это не было новостью. Еще задолго до появления формул термодинамики эти факты были установлены опытным путем. Новостью было то, что при нагревании тела возрастает его энтропия. Усвоить это было не так-то легко. Если увеличение объема можно было увидеть воочию, а температуру и давление буквально «пощупать руками», то энтропия долгое время оставалась загадочной и непостижимой «функцией состояния» различных тел.

Энтропия будет возрастать до тех пор, пока полученное тепло не распространится по всему телу равномерно, - так говорили формулы, и им приходилось верить.

Однако слепая вера - плохой помощник ученого даже в том случае, когда ее подтверждают экспериментальные данные и математический аппарат. Нашлись люди, которые захотели «увидеть» и энтропию. Если она является «функцией состояния», значит ее изменение должно быть связано с изменением состояния тела. Наблюдал ли кто-нибудь это изменение? Нет. Что ж, ничего удивительного. Невидимое изменение состояния тела - это изменение его микроструктуры. Выдающийся австрийский физик Людвиг Больцман был первым ученым, вскрывшим природу энтропии и ее связь с микроскопическим состоянием тел.

Энтропия возрастает тогда, когда происходят микропроцессы, приводящие к равновесному состоянию газа. А равновесие газа - это уже знакомый нам хаотический танец частиц.

Выходит, не зря пошли мы на риск, отправившись в путь на маленькой батисфере: гораздо легче понять ход рассуждений Больцмана тому, кто хотя бы однажды «повидал» этот мир. Вспомним, как мы неслись к открытому клапану, подхваченные толпой торопливых частиц. Это был как раз тот момент, когда в сосуде нарушилось равновесное состояние газа. В равновесном состоянии давление должно быть равным во всех частях. А здесь нарушена «справедливость»: молекулы с наружной стороны клапана чувствуют себя гораздо свободнее тех, что внутри. Но этого не терпит природа: пока не уравняется давление, молекулы будут со стремительной скоростью вылетать из сосуда вон.

Но не только давление стремится стать равномерным. Температура тоже зависит от движения тех же частиц. Когда тело находится в равновесии, его температура одинакова во всех частях. Если его подогреть с одной стороны, равновесие нарушится. Но тут же движение микрочастиц передаст тепло во все части тела, температура начнет выравниваться, в теле вновь восстановится равномерный хаос, который изобразил кривыми Максвелл.

А пока в хаотическом танце молекул не наступит этот порядок, в теле будет расти энтропия. В мире, где царит хаос, происходит множество всяких событий. Но как бы ни складывались эти события, они должны подчиняться законам этого мира: число «жителей», находящихся в одном кубическом сантиметре любой части сосуда, должно быть в среднем одним и тем же.