Первое начало термодинамики
Давайте еще немного углубимся в физику, точнее в науку о движении теплоты – термодинамику. Несмотря на скучное название, эта наука удивительно интересная. Она на многое открывает глаза. Взять хотя бы тот факт, что на основании законов термодинамики была точно установлена невозможность создания perpetuum mobile – вечного двигателя, над которым ломали головы многие поколения энтузиастов29.
Термодинамика изучает превращения энергии в различных явлениях, сопровождающихся тепловыми эффектами. А надо сказать, что тепловая форма энергии является базовой по отношению к другим – практически при любом переходе энергии из одного вида в другой некоторая часть энергии (порой – довольно значительная) выделяется в виде теплоты. Например, когда мы превращаем электрическую энергию в световую (включаем электролампочку), эта лампочка кроме света выделяет также и довольно много тепла, даже если это нам не требуется. Когда мы ту же электрическую энергию превращаем в механическую, например, пользуемся электрической дрелью, то двигатель дрели ощутимо нагревается, что приводит к его ускоренному износу. Но поделать с этим ничего нельзя. Даже создание холода в холодильнике не обходится без выброса в атмосферу тепла.
Тепловая энергия – универсальный вид энергии. Любой вид энергии в конечном счете превращается в тепло. Поэтому термодинамика и представляет для нас такой интерес.
Термодинамика основывается на опытных законах, которые называют началами термодинамики.
Первое начало термодинамики описывает тот очевидный факт, что при наличии разности потенциалов (энергетических уровней) энергия всегда перемещается в направлении от более высокого уровня к более низкому, от избытка к недостатку. Представьте себе водопад – резкий перепад уровня воды. В какую сторону течет вода? Конечно, с высокого уровня – на более низкий. При этом она совершает работу, которую можно использовать, например, заставив её крутить лопасти турбины и вырабатывать ток, на чём, собственно, основана идея любой гидроэлектростанции. Может ли вода двигаться в обратном направлении, снизу вверх? Конечно, не может.
Ну, это вода. Может быть, тепло ведет себя по-другому? Возьмем два предмета, имеющих различную температуру, например, горячий чай (температура 80 °С) и обычную чашку (температура комнатная, 20°С) и приведем их в соприкосновение, т. е. нальем чай в чашку. Что будет происходить? Через какое-то время мы заметим, что чай остыл, так что его можно пить, а чашка нагрелась. Очевидно, часть тепла перешла от чая к чашке. Могло ли быть по другому? Могла ли часть тепла, имевшаяся у чашки (все-таки 20 °С!) перейти к чаю, так, чтобы он вскипел, а чашка бы при этом охладилась до нуля? Нет, это уже похоже на фантастику. Тепло, как и вода, переходит всегда от более нагретого тела к менее нагретому, то есть с более высокого уровня на более низкий, и никогда иначе.
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.