великий

ДСМПфЕР

ПРИРОДЫ

Г. СМИРНОВ, инженер Рис. В. Кащенко

Пожалуй, ни одно научное понятие не породило столько кривотолков, споров и разногласий, сколько выпало на долю энтропии. Ученые разных специальностей и журналисты-популяризаторы определяли ее и как «кладбище энергии», и как «функцию состояния», и как величину, которая «сродни беспорядку». «Энтропия — это мера необратимости», — говорили одни. «Мера неопределенности», — утверждали другие. «Мера неразличимости», — настаивали третьи. «Мера незнания», — подсказывали четвертые.

И в этом обилии определений как-то утерялся смысл той энтропии, которую около 100 лет назад ввел в научный обиход немецкий термодинамик Клаузиус и без которой немыслима универсальнейшая из естественных наук — термодинамика. Вот почему в наше время не так уж редко встречаются инженеры-теплотехники, которые каждый день пользуются энтропийными диаграммами и которые тем не менее убеждены в том, что невозможно дать вразумительный ответ на вопрос:

ЧТО ЖЕ ТАКОЕ ЭНТРОПИЯ?

Впрочем, это мнение не лишено оснований. Но не потому, что понятие энтропии нечто в принципе недоступное для понимания, а потому, что в любой науке существуют вопросы, на которые, по сути дела, нельзя ответить. Это происходит тогда, когда дело касается определения фундаментальных понятий, не сводимых к другим, более элементарным. Попробуйте дать нетривиальный ответ, например, на такие вопросы: «Что такое масса?», «Что такое сила?», «Что такое электрический заряд?» Для термодинамики понятие энтропии как раз и является таким элементарным, не сводимым к другим понятиям.

Но почему же тогда слова «сила», «масса», «электрический заряд» не вызывают таких затруднений и неясностей, которые считаются едва ли не непременной реакцией на слово «энтропия»?

Пожалуй, причина в том, что все мы более или менее четко представляем себе, КАК ведут себя тела различной массы под действием сил, КАК перемещаются заряды в электрических и магнитных полях. А вот КАК изменяется энтропия в различных физических процессах, знают далеко не все.

Прежде всего заметим, что энтропия наряду с температурой теснейшим образом связана с тепловой энергией. Но в каком отношении находятся эти понятия? Какие стороны тепловых процессов связаны с температурой, а какие с энтропией?

Для ответа на эти вопросы необходимо небольшое отступление. Значение любого вида энергии можно представить как произведение 2 сомножителей, один из которых характеризует стремление к изменению, а второй — само изменение. Наличие только первого сомножителя — необходимое, но не достаточное условие для вычисления энергии. Например, рабочий может приложить к рычагу довольно большую силу. Но до тех пор, пока рычаг не начал двигаться, рабочий не совершает никакой механической работы. Поток пара, протекающий с большой скоростью через турбину с зажатым ротором, может создавать на валу огромный крутящий момент, но до тех пор, пока ротор не начал вращаться, турбина не совершает никакой работы. Давление в цилиндре двигателя может быть сколь угодно велико, но

пока не изменился рабочий объем, то есть не переместился поршень, газ не совершает никакой работы. Напряжение на зажимах аккумулятора необходимо для совершения работы, но пока через цепь не протекло некоторое количество электричества, аккумулятор не развивает никакой мощности.

Итак, для вычисления количества любого вида энергии необходимо перемножить две величины: силу и путь, крутящий момент и угол поворота, давление и изменение объема, напор и расход; электрический потенциал и протекший заряд, температуру и... энтропию.

Повседневный опыт нередко обманывает нас. Мы, например, считаем, что если к веществу подводится тепло, то его температура обязательно повышается. Но вот чайник, стоящий на плите. Когда вода в нем закипела, температура остается неизменной, равной 100°С, хотя газ продолжает гореть, а тепло подводится.

Куда же идет это тепло, если температура не повышается? Оно идет на увеличение энтропии воды и пара.

Больше того: мы можем повышать температуру газа, не подводя к нему тепла; при быстром и сильном сжатии газа в цилиндре достигается температура в сотни и даже тысячи градусов. Поскольку в таком процессе, именуемом адиабатическим, к газу подводится механическая энергия, а не тепло, его энтропия остается постоянной, кок бы высоко ни поднималась температура. Таким образом, всегда при подводе тепла к телу его энтропия возрастает. И наоборот — отвод теплоты свидетельствует об уменьшении энтропии тела.

Электризация, намагничивание, адиабатическое сжатие, то есть подвод или отвод от тела любого вида энергии, кроме тепловой, в идеальном случае не меняют его энтропии.

Величину любого вида энергии можно представить в виде произведения двух сомножителей: силы и пути ее действия, напора и расхода, потенциала и заряда, температуры и... энтропии.

При остывании нагретых тел происходит возрастание энтропии. Площади на последнем графике представляют собой теплоту. При остывании тела с 1000 до 300° неизбежно должна возрасти энтропия, поскольку площадь должна остаться неизменной, а температура уменьшается.

Мы не случайно говорим «в идеальном случае», ибо именно здесь проявляется важнейшая особенность тепловой энергии, обусловливающая то исключительное место, которое занимает термодинамика среди других наук.

МИР, В КОТОРОМ МЫ ЖИВЕМ

Всем реальным природным процессам свойственна одна общая черта — предоставленные самим себе, они со временем прекращаются. Останавливаются движущиеся по инерции автомобили. Волны от брошенного в воду камня, расходясь, становятся слабее, пока не исчезнут совсем. Колеблющиеся струны гитары через некоторое время перестают звучать.

Все это никого не удивит: причина затухания — трение. Но просто сослаться на трение — значит ничего не объяснить. Ведь трение — это лишь механизм перехода механической энергии в тепловую. Главная же причина затухания — особые свойства тепловой энергии.

7