Седьмое доказательство

Виктор Печорин

– Браво! – вскричал иностранец, – браво! Вы полностью повторили мысль беспокойного старика Иммануила по этому поводу. Но вот курьез: он начисто разрушил все пять доказательств, а затем, как бы в насмешку над самим собою, соорудил собственное шестое доказательство!– Доказательство Канта, – тонко улыбнувшись, возразил образованный редактор, – также неубедительно…М. Булгаков. Мастер и Маргарита

Глава 8. Первое начало термодинамики

Термодинамика (греч. θέρμη — «тепло», δύναμις — «сила») — наука о движении теплоты.

Несмотря на скучное название, это весьма интересная наука. 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 во время óно ломали головы поколения энтузиастов, а теперь шутят поколения юмористов.

Термодинамика изучает превращения энергии в различных явлениях, сопровождающихся тепловыми эффектами.

А тепловая форма энергии является базовой по отношению к другим. При любом переходе энергии из одного вида в другой некоторая часть энергии (порой — довольно значительная) выделяется в виде теплоты.

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 и двигатель дрели и сверло вполне ощутимо нагреваются, что приводит к их ускоренному износу. Но поделать с этим ничего нельзя.

Тепловая энергия — универсальный вид энергии. Любой вид энергии в конечном итоге превращается в тепло.

Поэтому термодинамика и представляет для нас такой интерес.

Термодинамика основывается на эмпирических 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. 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 этом явлении, собственно, основана идея любой гидроэлектростанции.

А может ли вода двигаться в обратном направлении, снизу вверх?

Глупый вопрос. Конечно, не может.

Ну, это вода. Может быть, тепло ведет себя по-другому?

Возьмем два предмета, имеющих различную температуру. Например, чай (t=80⁰С) и обычную чашку (t=20⁰С) и приведем их в соприкосновение: 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 иначе?

Могла ли чашка передать свои 20⁰С чаю так, чтобы он вскипел (t=100⁰С), а чашка бы охладилась до нуля градусов?

Нет, это уже похоже на фантастику.

Тепло, как и вода, переходит ВСЕГДА с более высокого уровня на более низкий, то есть от более нагретого тела к менее нагретому. И никогда иначе!

Этот простой факт и констатирует первое начало термодинамики.

Любой вид энергии (не только теплота) ВСЕГДА переходит с более высокого уровня на более низкий.

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 выравнивается, скорость движения потока снижается до тех пор, пока оба уровня не уравновесятся. Тогда поток энергии прекратится, и система не сможет больше совершать 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 50⁰ С).

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

Нет, 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 ведь 50 градусов — это тоже энергия?

А это зависит от того, какую систему рассматривать.

Если в качестве изолированной системы рассматривать систему «чашка — чай», то для неё не имеет значения, какую температуру имеют оба компонента. Важно только то, что эта температура одинакова.

Если же включить в систему также и комнату, в которой находится чашка (предположим, что температура в комнате 20⁰С), 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 энергия системы опять примет нулевое значение.

Продолжая расширять границы системы, мы придем к тому, что рано или поздно равновесие должно наступить в пределах всей Вселенной, и что её энергия станет равна нулю.

Таким образом, первое начало термодинамики утверждает, что любая совершаемая в изолированной системе работа (любое движение) ВСЕГДА ведет к уменьшению разности потенциалов, то есть к убыванию энергии системы, и НИКОГДА — к увеличению разности потенциалов.

Применительно к Вселенной это означает, что из нынешнего активного состояния Вселенная неизбежно движется в сторону потери энергии, и, рано или поздно, придет к состоянию с максимальной энтропией, к неактивному состоянию.

Давайте припомним вывод, сделанный нами в конце первой главы: Вселенная не вечна. Она движется навстречу неизбежному концу. Мы сделали этот вывод исходя из наблюдений за окружающим миром. Теперь мы видим, что он прямо вытекает из Первого закона термодинамики, который и объясняет склонность материи к разрушению. Материя ведет себя так не вследствие своего дурного характера, а подчиняясь фундаментальному закону Природы.

Согласно этому закону, материя не может бесконечно поддерживать свое существование.

Если бы это было возможно, был бы возможен и «вечный двигатель».

С 1775 года Парижская академия не принимает к рассмотрению проекты вечного двигателя ввиду очевидной невозможности его создания. Потому что «бессмертные», как именуют себя члены Парижской академии, в отличие от авторов проектов «вечных двигателей», знали Первый закон термодинамики.

Аристотель в XII книге «Метафизики» выделил две категории сущностей: одни — вечные, другие — преходящие. Вечные сущности не имеют ни начала, ни конца, они всегда существовали, и всегда будут существовать.

Преходящие сущности — это те, которые сотворены (возникли) и будут уничтожены (исчезнут). Преходящие сущности имеют начало и конец. К преходящим сущностям Аристотель относил, например, растения и животных. К преходящим сущностям относится и человек, поскольку он рождается и умирает.

Раз материальная Вселенная не вечна, она тоже относится к преходящим сущностям.

Материалисты, которые считают Материю всемогущей (в их системе мира Материя занимает место Бога), до недавнего времени наделяли ее чудесным свойством бессмертия и категорически отрицали факт ее сотворения (возникновения).

Однако такое представление находится в явном противоречии как с наблюдаемыми явлениями, так и с законами Природы. В том числе — с Первым законом термодинамики, согласно которому материальная Вселенная неизбежно движется навстречу своему концу.

Что имеет конец — то, конечно же, имело начало.

Не бывает конца без начала, как не бывает и начала без конца.

Впрочем, трудно убедить того, кто не хочет быть убежденным. Вера на то и вера, что ей не нужны доказательства. Материалистическая вера не исключение.

Первому закону термодинамики материалисты пытаются противопоставить Законы сохранения, полагая, что эти законы подтверждают их веру в вечную и несотворенную Материю.

Неужели один закон Природы может отменить другой?

Придется нам ненадолго отклониться от генеральной линии нашего повествования, чтобы развеять это заблуждение.