Основные закономерности движения энергии

Основные закономерности движения энергии

 

Понятие энергии определяется как способность совершать работу. Хотя вся современная наука проникнута этим понятием, природа энергии до сих пор до конца не понята. Особенно ярко это проявилось после того, как мир узнал, что E = mc2. 

Впервые наиболее полно понятие энергии было проработано в термодинамике, что вылилось в формулировку двух наиболее основополагающих законов, описывающих свойства энергии:

1) первый закон термодинамики (принцип сохранения энергии) - энергия может переходить из одной формы в другую, но она никогда не исчезает и не создается заново;

2) второй закон термодинамики (принцип роста энтропии) - все реальные процессы превращения энергии сопровождаются ростом энтропии, то есть переходом энергии в более рассеянное состояние.

Энтропия, или дословно способность к превращению, есть величина еще более непонятная, чем энергия. Некоторые вопросы, касающиеся понятия энтропии, мы уже рассмотрели в предыдущих главах. Здесь мы несколько дополним его, акцентировав внимание именно на энергетической стороне вопроса. Для этого рассмотрим сначала, каким образом термин энтропия вошел в научный лексикон.

Известно, что во всех естественных процессах теплообмена тепло передается только от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой и никогда наоборот. То есть если от тела 1 с температурой Т1 и энтропией S1=Q1/Т1 отводится к телу 2 с температурой Т2 (Т1 > Т2) и энтропией S2 = Q2/Т2 некоторое количество теплоты dQ, достаточно малое, чтобы температуры обоих тел не уменьшились, то энтропия тела 1 изменится (уменьшится) на величину dS1 = dQ/Т1 (здесь dQ < 0, следовательно, dS1 < 0), а энтропия тела 2 изменится (увеличится) на величину dS2 = dQ/Т2 (здесь dQ>0, следовательно, dS2 > 0), причем так как Т1 > Т2, то по абсолютной величине |dS1| < |dS2|, поэтому общая энтропия двух тел S = S1 + dS1 + S2 + dS2 = S1 - |dS1| + S2 + |dS2| > S1 + S2, то есть в процессе теплопередачи суммарная энтропия двух тел возрастает и никогда не убывает. Это и есть формулировка второго закона термодинамики. То есть энтропия - это величина, характеризующая направление естественных процессов теплопередачи и, как выяснилось, вообще любых процессов преобразования энергии.

Энтропию называют тенью энергии. Как мы уже говорили, в более широком смысле под энтропией понимают меру качества, то есть меру концентрации и упорядочения энергии. Так тепловая энергия с большей температурой обладает меньшей энтропией S = Q/T, то есть большим качеством, чем такое же количество тепла при меньшей температуре. Поэтому по мере понижения температуры рабочего тела, например, пара, до температуры окружающей среды, можно попутно превратить часть тепловой энергии в механическую работу (тепловая машина). Чем больше качество энергии, то есть, чем больше превышение температуры пара над температурой окружающей среды, тем большее количество работы можно получить. Разные виды энергии обладают разным качеством. Так, например, упорядоченное движение частиц твердого тела (механическое движение) обладает большим качеством, чем хаотичное движение этих же частиц с той же средней скоростью (тепловое движение). Поэтому любое механическое движение при наличии трения сопровождается самопроизвольным превращением части механической энергии в тепловую. Поэтому иногда используют такие формулировки второго закона термодинамики: невозможно создать машину с КПД = 1; все естественные процессы идут в направлении ухудшения качества (деградации) энергии.

Когда мы говорим об энергии, особенно в контексте, связанном с энергетическим кризисом, следует помнить, что энергии на Земле вполне достаточно. Теплоход, идущий по океану, идет по морю энергии. Тем не менее он вынужден вести с собой запас угля, потому что энергия, запасенная в океане обладает низким качеством. Для полезного использования нужна именно высококачественная энергия, энтропия которой ниже энтропии энергии, рассеянной в окружающей среде. Энергию океана можно использовать только при наличии холодильника с более низкой температурой, чем температура океана. В качестве такого холодильника может выступать только космос, в который Земля “сбрасывает” излишки тепла. За счет этого ресурса во многом формируется энергия ветров.

Именно разность энтропий на входе и выходе энергетического потока порождает фактор, который мы обозначаем понятием силы, приводящей в движение все процессы в природе. По сути дела, любая сила имеет энтропийную природу. Рассмотрим пример с обычным футбольным мячом. Если он туго накачан, то можно выделить область, ограниченную поверхностью мяча, где концентрация частиц (носителей энергии) больше, чем в окружающей среде. Накачивая мяч, мы создаем неравновесие в системе, упорядочивая частицы в пространстве и увеличивая концентрацию энергии. По второму закону термодинамики система стремится к состоянию с максимумом энтропии. Это воспринимается в окружающем мире как проявление силы давления. Чем дальше система от равновесного состояния, тем больше сила. Эта сила создает поток энергии, направленный в сторону уменьшения неравновесия в системе. Остановить этот поток может только то, что при его появлении по каким-то причинам будет уменьшаться энтропия. Но растяжение резины поверхности мяча как раз и приводит к уменьшению энтропии. Понять это можно, рассмотрев строение молекулы каучука. Она представляет собой длинную полимерную цепь, свернутую в клубок случайным образом. Попытка выпрямить ее путем растяжения резины приводит к увеличению порядка в молекуле, то есть к уменьшению энтропии. Таким образом, два противоречивых фактора оказывают противоположные воздействия, в системе устанавливается такое состояние, которое соответствует локальному максимуму энтропии.

Наличие упорядоченных структур типа кристаллических решеток, живых организмов и т.п., способствует упорядочению движения частиц за счет уменьшения их степеней свободы. Поэтому принцип роста энтропии требует роста количества степеней свободы в каждом реальном процессе превращения энергии. Поэтому все упорядоченные структуры имеют тенденцию к разрушению. “Все разрушается, все умирает, все приходит в хаос” - это еще одна формулировка второго закона термодинамики.

Правда, помимо такого разрушения есть еще один способ увеличения количества степеней свободы - усложнение структуры системы. Именно по этому пути движется глобальный эволюционный процесс. При этом природа никогда не стремится достичь полного хаоса на данном уровне системной иерархии. В этом случае эволюция Вселенной остановилась бы достаточно быстро. Обычно в пределах данного иерархического уровня открываются некоторые устойчивые структуры, из которых строятся более высокие иерархические уровни, характеризующиеся большими значениями максимально возможной энтропии, чем на предыдущем уровне. Это дает возможность непрерывному росту энтропии.

Так обычно тенденция к возникновению хаоса реализуется в стремлении вещества к рассеянию (например, растворение сахара в воде). Но в случае сложных органических соединений больший хаос (рассеяние энергии) может быть достигнут именно при концентрации вещества. Например, капли масла, рассеянные в воде, стремятся слиться в одну большую каплю. Дело в том, что молекулы воды “окутывают” молекулу углеводорода своеобразной упорядоченной оболочкой. Поэтому чем больше поверхность масла, тем более упорядоченными оказываются молекулы воды, чего природа допустить не может. Поэтому в хаосе движения капель они обязательно рано или поздно примут состояние с наименьшей поверхностью, то есть сольются в одну большую каплю.

Именно это, вероятно, послужило в свое время началом одноклеточной жизни. Так в растворе белковых молекул формируются так называемые коацерватные капли, имеющие стабильную и иногда достаточно сложную структуру и поглощающие из раствора строго определенные вещества.

В биосистемах стремление к хаосу реализуется еще в более сложных механизмах. Примером тому может служить процесс деления клеток. Производство энтропии за счет протекания внутриклеточных процессов пропорционально объему клетки V, а отток энтропии из клетки пропорционален площади ее поверхности S. Если клетка имеет форму шара, то V = 4pr3/3, S = 4r2. Прирост энтропии в клетке S = A4pr3/3 - B4r2. При малых радиусах прирост энтропии S < 0. С ростом клетки ее радиус увеличивается, пока не достигнет некоторого критического значения при r = 3B/A, характеризующегося S = 0. В случае дальнейшего роста энтропия в клетке будет расти S > 0. Чтобы не допустить этого, она должна разделиться, иначе она погибнет от голода, перегрева и отравления своими же отходами.

Существуют и другие механизмы, решающие данную проблему. Клетка может увеличить площадь своей поверхности, например, приобрести форму эллипсоида, цилиндра (палочки) или нити, образовать корнеподобные выросты, ложноножки и т.п. Многоклеточные организмы решают подобную проблему аналогичным образом. У растений увеличивается поверхность листьев и корней. У животных в отличие от растений подобное увеличение поверхности упрятано обычно внутрь организма, чтобы не мешать движению. Достаточно вспомнить развитые поверхности кишечника, органов дыхания, кровеносной системы и т.п. Например, общая поверхность всех эритроцитов взрослого человека составляет около 3000 м2, общая длина всех капилляров - около 100 000 км и т.д.

Нечто аналогичное происходит и в рамках таких сверхорганизмов, как экосистемы. Здесь дифференциация достигается путем увеличения экологических ниш и разнообразия видов, населяющих данную экосистему, удлинением и усложнением пищевых цепей, совершенствованием внутривидовых и межвидовых отношений и т.п. Все это есть следствие принципа роста энтропии.

Таким образом, разрушение структуры, требуемое принципом роста энтропии, является необходимым компонентом жизненного процесса. Но жизнь научилась использовать разрушение во благо, поэтому разрушение не обязательно сопровождается гибелью биосистем. “Умеренное разрушение”, на которое накладываются определенные запрограммированные ранее ограничения, приводит к расширению и усложнению жизни. Наиболее характерно в этом отношение деление клетки. Здесь смерть и рождение слились в одном процессе. Очень ярко об этом свойстве жизни выразился Ричард Бах: “Там, где глупец видит смерть гусеницы, мудрец видит рождение бабочки”.