В океане энергии

Чему рав«!и^статистический вес системы после того, как из нее убрали перегородку? Он равен количеству способов, которыми можно распределить энергии 20 шариков по 15 различным уровням при условии, что сумма энергий 20 шариков останется равной 15 единицам. Это количество способов равно 1 855 967 520 (S = 21,3) — значительно больше, чем произведение статистических весов двух сосудов, разделенных перегородкой. После того как убрали перегородку, движение в системе оказалось направленным в сторону увеличения статистического веса, а следовательно, в сторону возрастания энтропии.

Мы не установили ничего нового, только то, что было сказано в разделе «Кто выиграл?» Правда, там не было перегородки. Она и здесь понадобилась исключительно для наглядности. Просто в системе из 20 шариков в некоторый момент времени оказалось реализованным такое состояние, когда в левой половине объема собралось больше быстрых, а в правой — больше медленных шариков. В полном соответствии со вторым началом термодинамики это состояние сразу сменилось каким-то другим, более вероятным. Система двигалась в направлении повышения энтропии. Причем, если можно так выразиться, единственной побудительной причиной было то, что состояния с равномерными распределениями энергии между всеми составляющими частицами могут быть ргализованы большим числом различных способов и, следовательно, встречаются чаще.

По-другому звучат теперь для нас слова Демокрита.

— Ты был прав,— сказали бы мы нашему мудрому предку.— Мир и впрямь движется вниз, если под словом «вниз» понимать «в сторону увеличения энтропии».

Еще несколько слов по этому поводу. Достигнув состояния, характеризуемого наивысшей энтропией, большую часть времени система будет находиться в этом состоянии. Наблюдая систему в каждый момент, мы могли бы убедиться, что энергия распределяется между шариками (молекулами) каждый раз по-разному, но в подавляющем большинстве случаев равномерно. Состояния с равномерным распределением энергии практически не отличимы друг от друга, и можно сказать, что подавляюще большую часть времени система находится в одном и том же состоянии, в котором ничего не меняется. Синонимом для выражения «ничего не меняется» служит слово «равновесие». Так мы пришли к формулировке очень важного положения: энтропия системы, находящейся в равновесии, равна максимально возможному для данной системы значению.

Каким же законам подчиняются тепловые явления? Во-первых, закону сохранения энергии и, во-вторых, закону неубывания энтропии. Величина энергии показывает, сколько работы может совершить система (как вы скоро увидите, с некоторыми ограничениями), а величина энтропии — куда будет направлена эта работа. Но ни энергия, ни энтропия по отдельности не дают исчерпывающего описания системы. С другой стороны, зная энергию и энтропию, можно предсказать поведение системы настолько точно, насколько это вообще возможно. Закономерности, изучаемые в термодинамике, представляют собой следствия закона сохранения энергии и закона неубывания энтропии, взятых вместе.

Самое замечательное во всем этом следующее. Закон неубывания энтропии есть не что иное, как высказанная другими словами мысль о том, что состояние, в котором все перемешано («все» — это либо энергии молекул, либо номера лотерейных билетов), реализуется наибольшим возможным числом способов. Аналогичным образом закон сохранения энергии есть только высказанная другими словами мысль о том, что окружающий нас мир симметричен во времени. Действительно, если бы энергия не сохранялась, а, скажем, убывала бы со временем, то рано или поздно полная энергия Вселенной оказалась бы отрицательной и окружающий нас мир стал бы невыразимо иным.

Какова она — температура?

Любые термодинамические, т. е. связанные с теплом, процессы, могут быть исчерпывающим образом описаны, если пользоваться только понятиями энергии и энтропии участвующих в этих процессах тел или систем. Но и у энергии, и у энтропии есть одно неудобное свойство: и та и другая — величины аддитивные. Это означает, что если две системы обладают каждая определенным запасом энергии и определенной величиной энтропии, то после объединения этих систем в одну ее полная энергия (энтропия) будет равна сумме энергий (энтропии) соединившихся частей. Следовательно, величины энергии и энтропии зависят от количества молекул, участвующих в процессах. Конечно, было бы желательно располагать какой-то величиной, не зависящей от количества веществ. Зачем? Ну, например, выходите вы утром на балкон, чтобы узнать, как надо одеться, и получаете исчерпывающую информацию. Вряд ли ощущения, которые вы получаете, выйдя за дверь, зависят от количества наружного воздуха.