Седьмое доказательство

Вот этот простой факт и демонстрирует действие первого начала термодинамики. Любой вид энергии (не только теплота) всегда переходит с более высокого уровня на более низкий. И скорость этого перехода тем больше, чем больше разница уровней (разность потенциалов). Очевидно, что поток воды Ниагарского водопада низвергается гораздо быстрее, чем, скажем, «течет река Волга – издалека долго». Если в процессе энергообмена разность потенциалов имеет возможность выравниваться, то скорость движения потока энергии постепенно снижается, до тех пор, пока оба уровня не уравновесятся. Тогда поток энергии прекратится и система не сможет больше производить работу. Система в этом случае перейдет в равновесное состояние, характеризующееся нулевой энергией. В нашем примере с чашкой чая это произойдет тогда, когда температура нагретой чашки сравняется с температурой остывшего чая; например, равновесие может быть достигнуто на уровне 50 °С.

Обладает ли наша система, достигшая такого равновесия, какой-нибудь энергией?

Вроде бы, не обладает, потому что поток энергии прекратился и никакая работа больше не совершается (в данном случае работа заключалась в нагреве чашки или в остывании чая). Но как же так, ведь 50 °С – это тоже энергия? А это зависит от того, какую систему рассматривать. Если в качестве замкнутой рассматривать систему «чашка-чай», то для неё не имеет значения, какую температуру имеют оба компонента, важно, что эта температура одинакова. Свободная энергия такой системы равна нулю. Если же включить в систему также и комнату, в которой находится чашка (предположим, что температура в комнате 20 °С), то в этой системе наша чашка с чаем, конечно, будет обладать энергией. До тех пор, пока не остынет до комнатной температуры. И тогда в системе «комната-чашка с чаем» тоже наступит равновесие и свободная энергия системы опять примет нулевое значение. Продолжая расширять границы нашей системы, мы придем к тому, что рано или поздно равновесие должно наступить в пределах всей Вселенной, и что её свободная энергия будет равна нулю.

Второе начало термодинамики

Незнание второго начала термодинамики равносильно незнанию произведений В. Шекспира.

Чарльз Сноу

Пусть общее количество энергии во Вселенной равно нулю, – возразят нам, – но ведь это как бы усредненное значение. При этом энергия отдельных объектов во Вселенной может отличаться от нуля и сильно отличаться – как в положительную, так и в отрицательную сторону. Не получится ли у нас как в том анекдоте, когда дежурная медсестра заверяла главврача, что во время ее дежурства все было хорошо, средняя температура больных – 36 °С.

– А как вы определяли среднюю температуру? – поинтересовался главврач.

– У половины больных температура 42 °С – у них жар, а у второй половины 30 °С, поскольку они уже померли. А в среднем – 36 °С.

Суть вопроса заключается вот в чём: могут ли внутри системы, в целом обладающей нулевой энергией, сами собой, без какого бы то ни было внешнего воздействия, возникнуть разности потенциалов, позволяющие ей совершать некоторую работу?

Для наглядности рассмотрим два простых примера.

Предположим, у нас есть система, состоящая из двух сообщающихся сосудов, в которые налита вода. Уровни воды в обоих сосудах одинаковы – так всегда бывает в сообщающихся сосудах. Возможно ли, что бы уровни воды в сосудах сами собой вдруг изменились?

Теперь возьмем более простую систему, состоящую из одного сосуда с водой. Плотность воды в каждом месте сосуда одинакова, приблизительно 1 г/см³. Возможно ли, чтобы без всякого внешнего воздействия в каком-то месте сосуда вода вдруг приобрела большую (или меньшую) плотность? Например, в одном месте сосуда плотность воды стала бы 1,2 г/см³ а в другом – 0,8 г/см³?

Ответ представляется очевидным. Конечно, ни то, ни другое – невозможно!

Однако не торопитесь с выводами.

Правильный ответ, – говорит нам наука, – такой: уровень воды самопроизвольно подниматься, конечно, не может, а вот плотность её увеличиться без постороннего вмешательства – пожалуйста!

Да в чем же разница? – спросите вы, – и почему никто никогда такого явления не наблюдал?