Представьте теперь теплоизолированную систему, не находящуюся в равновесии. Что это означает? В пределах системы можно выделить отдельные области или отдельные тела с различными температурами. Предположим для простоты, что система состоит из двух таких тел, причем температура одного из них равна Ти а второго— Т2, причем Ti>T2. При таких условиях реализуются не все возможные способы распределения энергии по молекулам и, следовательно, энтропия системы меньше максимально возможной. С этим мы сталкивались на примере двух сосудов с шариками.
Если дать возможность теплу переходить от тела с" большей температурой к телу с меньшей температурой, энтропия системы в общем случае будет повышаться. Если одновременно с этим часть тепловой энергии преобразовывать в какой-нибудь другой вид, энтропия системы должна уменьшаться. Итак, имеем два процесса: один из них — установление равновесия — сопровождается повышением энтропии, а второй — преобразование тепловой энергии в какой-нибудь другой вид — понижением энтропии.
Какое максимальное количество энергии другого вида можно получить от неравновесной физической системы, обладающей запасом тепловой энергии? Ответ получаем немедленно. Это то самое количество энергии, которое вызывает понижение энтропии. По абсолютной величине оно не больше той величины, на которую повысилась бы энтропия системы, если бы процесс установления равновесия совершался без преобразования и отвода от системы какого-то количества энергии. Другими словами, наибольшее количество нетепловой энергии можно получить от неравновесной физической системы в том случае, если в процессе преобразования ее энтропия будет оставаться постоянной.
Приведем интересные выкладки. При этом для простоты будем оперировать с количествами энергии, очень малыми по сравнению с полными запасами энергии. Изменения энергии тел на подобные величины практически не влекут за собой изменения их температуры. Пусть тело с температурой Т\ отдает некоторое количество энергии (тепла) AQi. Оно частично преобразуется, например, в механическую работу, количество которой равно AR, а частично передается телу с температурой Тч. Количество тепла, переданного телу с температурой Т2, равно AQ2. В результате получаем AQi = AR + Л<3г-Поскольку температуры по условию остаются неизменными,
^- = AS1 и 4^=AS2. 11'2
Максимальное количество работы будет получено, если A5i—Д5г=0, т. е. при условии, что энтропия системы остается постоянной. Получаем непосредственно
Atf = AQ7,1-7,3
Величина
74 — Т.
а =
7\
получила название коэффициента полезного действия. Коэффициент полезного действия всегда меньше единицы и приближается к единице лишь по мере приближения температуры одного из тел к температуре абсолютного нуля. Второй вывод, который можно сделать из сказанного: только неравновесные теплоизолированные системы способны отдать часть своей энергии в виде, преобразованном в другую форму.
Теперь прояснилось сделанное в начале книги замечание по поводу разговоров об энергетическом кризисе. Запасы тепловой энергии в такой системе, как Земля вместе с окружающей ее атмосферой, практически остаются неизменными. А если и изменяются, то чрезвычайно медленно на протяжении тысячелетий. Так что на недостаток энергии пожаловаться нельзя. Иное дело возможности преобразования. Всякий раз, чтобы получить какое-то количество нетепловой энергии, мы переводим до этого неравновесную систему в состояние, находящееся ближе к равновесному.
Переход из неравновесного состояния в равновесное совершается самопроизвольно, причем он может проходить как с преобразованием, так и без преобразования тепловой энергии в другие виды энергии. А обратный процесс — процесс перехода систем из равновесного в неравновесное состояние — самопроизвольно идти не может. В этом и состоит великий смысл второго начала термодинамики. Дефицит для человечества составляют не запасы энергии — при всем желании мы не можем не только исчерпать их, но и хоть как-то уменьшить, а запасы неравновесных систем. Энергия, получаемая от Солнца, частично затрачивается как раз на создание неравновесных систем, например, при нагревании не всей земной атмосферы, а лишь какой-то ее части.
Нужна ли опора?
До сих пор мы говорили в основном о преобразовании тепловой энергии в механическую. Ведь перед тем как рассматривать какое-то явление, важно узнать его причину. Разобравшись в причине, можно еще раз все подытожить. В мире макроскопических объектов, т. е. тел, состоящих из большого количества отдельных частей, всякое движение совершается в сторону увеличения энтропии. Сказав это, мы перейдем к рассмотрению самого движения, точнее, некоторых его сторон, представляющих, на наш взгляд, особый интерес.
