Работающий механизм не может добывать энергию «из ниоткуда».
Жизнь так сложилась, что если нужна полезная работа, то необходимо где‑то добывать для нее энергию. Или хорошенько покушать и самим крутить, или пусть ветер крутит мельницу, или пусть река крутит турбину электростанции. А еще много скрытой энергии содержится в топливе. Если его сжечь, получится куча тепла, с его помощью можно нагреть воду в котле, превратив ее в пар, а уже сжатый пар может толкать поршень или крутить какой‑нибудь агрегат. Именно это и происходит на тепловых электростанциях, где перегретый пар крутит ротор электрогенератора.
Но потом, когда топливо сгорит, все выделенное им тепло, вылетев в трубу, рассеется в пространстве. И тепло от трения тоже рассеется в пространстве. И вообще любая‑любая работа, которую мы производим, в конечном итоге сводится только к одному – к безвозвратной потере энергии в виде рассеянного тепла. Такова природа: все высокоорганизованные виды энергии (механическая, электрическая, кинетическая) в конце концов превращаются в низкоорганизованное бросовое тепло.
– А нельзя ли его обратно собрать из окружающей среды? Тогда получится вечный двигатель второго рода! Мы не нарушим закон сохранения энергии, ведь мы не будем брать энергию из ничего. Мы просто соберем ту энергию, что уже рассеялась, и заново заставим работать! – задумались изобретатели. И начали конструировать разные фантастические проекты. Вся суть которых в конечном счете сводилась к сбору рассеянного тепла из окружающей среды с целью его концентрации (нагрева чего‑то конкретного) для совершения в последующем полезной работы.
|
|
|
Однако строгие физики каждый раз указывают таким вот горе‑изобретателям:
– Ребята! Принципиально невозможно тепло от более холодного тела передать более горячему, сделав его еще горячее. Тепло может переходить только от горячего к холодному, а не наоборот!
Почему это так, мы скоро поймем, а пока послушаем дальше физиков:
– Для совершения любой работы нужна разность потенциалов, разность энергий. Это может быть разность электрических потенциалов в электротехнике. Или разность потенциальной энергии тел, находящихся на разной высоте – например, поднятая над уровнем пола гиря в часах с кукушкой имеет больше энергии, чем та же гиря на полу. Или текущая сверху вода – за счет разницы высот она может крутить турбину или водяное колесо. А если разницы высот и, соответственно, течения нет, колесо не будет крутиться. Точно так же и с тепловыми машинами – там вся полезная энергия добывается из разницы температур между горячим телом (например, горящим топливом) и холодной окружающей средой.
|
|
|
Если нет разницы потенциалов (электрических, температурных или высотных), будет полный покой и никакого движения, способного совершить полезную работу. Нужен поток! Поток энергии (электронов в виде тока, текущей воды, передающегося от горячего тела к холодному тепла). Нет потока – нет работы.
А передача тепла от холодного тела к горячему так же невероятна, как вода, сама по себе текущая в гору! Поэтому вечный двигатель второго рода и невозможен. Да, вокруг нас полно паразитного тепла – оно и в воздухе, и в воде, но попробуй его собери! Попробуй‑ка организуй «кучку тепла», из которой потом можно будет организовать обратный поток в окружающую среду для пользы дела.
Представьте себе большой баллон с газом, разделенный пополам перегородкой. В левой половинке баллона у нас газ под большим давление, а в правой половинке – под малым. Температура газа одинакова. Это значит, что скорости молекул в обеих частях одинаковы, просто слева (где высокое давление) молекул больше и их пробег между соударениями короче.
Разница потенциалов налицо – с одной стороны высокое давление, с другой низкое! Что теперь произойдет, если мы уберем заслонку между половинками баллона или откроем на ней какой‑нибудь вентиль?
|
|
|
Давление выровняется. И в обеих частях баллона будет мельтешить одинаковое количество молекул.
Пока давление выравнивается, мы можем поставить под дутье турбинку и получить кручение – полезную работу. А вот когда давление выровняется, турбинка крутиться перестанет.
Может ли так случиться, что миллиарды и триллионы молекул газа в баллоне вдруг сами по себе совершенно случайно соберутся в одной части баллона? Да нет конечно! Чисто статистически это практически невероятно! Они ведь движутся хаотически и все в разные стороны!
Теперь представим другую ситуацию. Тот же баллон, только теперь в левой части газ нагретый, а в правой – холодный. Убираем перегородку, и что происходит? Энергичные и быстрые («горячие») молекулы из левой части начинают сталкиваться с «холодными», то есть медленными молекулами из правой части, подталкивая и подгоняя их. А сами при этом будут свою скорость терять. И в результате через некоторое время скорости молекул усреднятся.
Может теперь так случиться, что миллиарды и триллионы молекул газа вдруг как‑нибудь сами по себе совершенно случайно разделятся на две группы – очень быстрых и очень медленных? Да нет конечно! Это практически невероятно! Они ведь движутся хаотически и все в разные стороны!
|
|
|
Вот в этом и заключается феномен однонаправленности времени. Он носит чисто статистический характер. Просто большинство происходящих в мире процессов статистически необратимы!
Выравнивание температуры (вверху) и давления (внизу) в баллоне
Времени как такового нет. Есть только необратимые с точки зрения теории вероятности процессы. Нет, они не невозможны! Они просто настолько маловероятны, что для их реализации не хватит времени существования всей вселенной.
Это значит, что все в нашем мире ведет к усреднению и деградации. Когда‑нибудь все запасы энергии во вселенной будут потрачены и превращены в рассеянное тепло. Все неравномерности и разности потенциалов усреднятся, и в мире просто ничего не будет происходить. Эта печальная картина получила в науке название тепловой смерти вселенной.
Глава 4
Энтропия и информация
– А вот у нас дома есть кондиционер, – скажет мне особо сметливый читатель, – и он очень даже запросто передает тепло от холодного тела к нагретому. Он не дает уравниваться температурам на улице и в доме, делая прохладу в квартире, тогда как на улице жара. Кондиционер забирает квартирное тепло и выкидывает его на жаркую улицу.
Сметливый читатель мог припомнить и более обыденную вещь – холодильник. Тот тоже работает против усреднения, искусственно создавая разницу температур в комнате и внутри себя. Но на создание этой разницы температурных потенциалов мы тратим энергию из сети.
Конечно, можно локально препятствовать природе в ее стремлении к усреднению и тепловой смерти, но для этого нужно затрачивать энергию. То есть где‑то ее брать, прикладывать к нужному месту и в этом месте творить созидательную работу по противодействию слепым омертвляющим силам природы. По противодействию энтропии.
Вы когда‑нибудь слышали это слово – «энтропия»? Это термин из области термодинамики – раздела физики, который, как видно из названия, изучает процессы передачи тепла и превращения в тепло других видов энергии.
Энтропия – это мера хаоса.
Мера статистического усреднения. Чем более усреднена система, чем меньше она способна совершить работу, тем больше в этой системе энтропии. Один из законов физики гласит: энтропия в любой закрытой системе может только расти или по крайней мере не убывать. Причем не убывать она может только в одном случае – если уже достигла максимума. Если система умерла.
Рост энтропии – это рост хаоса, это усреднение, умирание, деградация, разрушение. Стрела времени – это стрела энтропии.
В рисунках с газовыми баллонами, приведенными ранее, сверху система, обладающая минимальной энтропией, а снизу, после усреднения – максимальной.
Но почему физика уточняет, что энтропия растет только в закрытых системах? И что такое закрытая система?
Закрытой является система, которая не обменивается с окружающей средой массой и энергией. А если обменивается, то уже становится открытой.
Когда физиками были осознаны законы термодинамики, – а их естественным следствием стала будущая тепловая смерть вселенной, – физики немного огорчились. Им жалко стало нашего мира. А церковь, наоборот, обрадовалась. В термодинамике они увидели свой шанс.
Дело в том, что бурное развитие наук в XVI–XIX веках очень сильно потеснило разного рода мифологические доктрины. Наука стала объяснять то, что раньше объяснялось только наличием богов и ангелов, и конструировать такие вещи, которые с помощью религии сделать было нельзя. Люди стали все больше смеяться над прошлыми наивными представлениями о мире, которые им продавала церковь, и авторитет церкви начал стремительно падать. В конце концов на рубеже XVIII–XIX веков на волне социальных революций люди стали в массовом порядке отказываться от религиозных сказок.
И тут наука преподнесла религии неожиданный подарок. Из законов термодинамики вытекало два неопровержимых следствия и один неприятный для науки вопрос.
Первое следствие. Раз все в этом мире по естественному течению событий может только портиться и разрушаться, раз вся энергия в конце концов переходит в тепло и рассеивается в пространстве, значит, мир имел начало и был создан богом с запасами энергии. Которые мы теперь и тратим в свое удовольствие. А ведь именно о сотворении мира и говорили всегда попы!
Второе следствие. Раз мир ждет неизбежная тепловая смерть, значит, настанет конец света. Как и учит церковь!
А неприятный вопрос состоял вот в чем… Если все может только усредняться и портиться, упрощаться и деградировать, почему же мы вокруг наблюдаем столь прекрасный мир? Из маленького зерна произрастают огромные деревья. Растут люди, усложняются общества, строятся дома. Мир развивается, а вовсе не деградирует! Как это соотносится с законом о нарастании энтропии? Нет ли в этом промысла божьего?
Ответ на первое следствие наука дала в ХХ веке. Мир действительно имел начало, он произошел в результате так называемого Большого взрыва, причиной которого послужила банальная квантовая флуктуация. Правда, устройству вселенной и ее возникновению нужно посвятить отдельную книгу…
Что же касаемо конца света, то каков он будет, пока еще не вполне понятно и зависит от многих факторов, которые еще предстоит изучить – является вселенная открытой системой или закрытой, ждет ли ее бесконечное раздувание или схлопывание и т. д.
Но самое замечательное, что в том же ХХ веке был дан ответ на главный вопрос: отчего же вокруг нас происходит развитие, если законы термодинамики требуют неизбежной деградации?
Ответ этот довольно прост: наша планета не является закрытой системой. Напротив! На нее буквально потоком льется солнечная энергия, благодаря которой и происходит мощнейшая работа эволюции по противодействию энтропийному давлению. Приток свободной энергии и является причиной эволюции, то есть постоянного усложнения систем, которые с помощью этого усложнения конкурируют между собой за свободную энергию. Кто сложнее – тот и обыгрывает конкурентов.
Даже совсем простые системы, если их накачивать энергией извне, склонны создавать некие упорядоченные структуры. Например, вихри конвекции, как в кипящей кастрюле.
А что такое человек, биосфера, цивилизация? Это сложные устойчивые неравновесные системы. Поясню.
Бывают системы устойчивые и неустойчивые.
Бывают равновесные и неравновесные.
Если воду не подогревать, она спокойна и находится в равновесии со средой. Но если ее начать накачивать энергией путем разогрева на газу, в воде тут же образуются устойчивые вихри конвекции – горячая вода от дна поднимается кверху, а охлажденная валится вниз. Внимательно почитайте далее текст об устойчивости и равновесии!
Устойчивая система – шарик в рюмке или в ямке. Он вниз закатился и сам оттуда наверх не выкатится нипочем, если ему не помочь. Все системы стремятся к энтропии, к равновесию, к нижайшему уровню энергии. Человеческая лень – пример такого стремления на уровне организма. Ну, а раз так, шарик в самом низу и лежит. Любое случайное воздействие, стронувшее шарик, приведет к тому, что он снова скатится на самое дно рюмки. Устойчивое положение!
Неустойчивая система – это карандаш, стоящий на острие или шарик на пригорке. Зафиксировать эту систему практически не удастся, любое случайное дуновение, любое дрожание молекул эту системы валит – карандаш падает, шарик скатывается с пригорка вниз.
Равновесная система – это система, находящаяся в равновесии. Нет в ней никаких пиков, все усреднено и мертво. Шарик в ямке – система равновесная.
Дата добавления: 2020-04-25; просмотров: 109; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!