ЭНТРОПИЯ

Внесем небольшое терминологическое изменение в закон о максимальной вероятности равновесного со­стояния.

Очень часто в физике величины, которые меняются в больших пределах, заменяют их логарифмами.

Напомним, что такое логарифм. Когда я пишу о на­уке для так называемого массового читателя, для чита­теля вообще («дженерал ридер» — по-английски) и вы­нужден использовать какой-либо термин, который в на­уке имеет такое же самое распространение, как, ну скажем, поэма в литературе, то впадаю в смущение. Объяснять?! Можно обидеть читателя, который вправе сказать: «За кого ты меня принимаешь, неграмотный я, что ли?» Не объяснять? А вдруг он позабыл и не поймет того, о чем будет говориться дальше. Поэтому все же напомню: 102 = 100; 103 = 1000; 104 = 10000 и т. д. Числа 2, 3, 4 и т. д. представляют собой десятичные ло­гарифмы 100, 1000, 10000 и т. д. Как видим, само число возросло в сто раз, а логарифм лишь вдвое.

Логарифмы оказываются полезными и в нашем слу­чае. Вместо того чтобы пользоваться «вероятностью состояния», в обиход вводят «логарифм вероятно­сти состояния». Этот логарифм и называется энтро­пией.

Закон природы, согласно которому тепло не перехо­дит от холодного к горячему, маховик не раскручивается за счет охлаждения оси и прилегающего к нему воздуха и раствор медного купороса не делится на воду и купо­рос, кратко формулируется так: энтропия в естествен­ных процессах всегда растет.

Закон возрастания энтропии — важнейший закон природы. Из него вытекает, в частности, и невозмож­ность создания вечного двигателя второго рода, и, что то же самое, утверждение, что предоставленные сами себе тела стремятся к равновесию.

Закон возрастания энтропии иногда называют «вто­рым началом термодинамики» (термодинамика — уче­ние о тепле). А что такое первое начало? Это закон со­хранения энергии.

Название «начала термодинамики» для этих законов природы сложилось исторически. Нельзя сказать, что объединение «под одну шапку» обоих начал было делом удачным. Ведь закон сохранения энергии — это механи­ческий закон, которому подчиняются неукоснительно как большие тела, так и отдельные атомы и молекулы. Что же касается закона возрастания энтропии, то, как сле­дует из сказанного выше, он применим лишь к до­статочно большому собранию частиц, а для отдель­ных молекул его просто невозможно сформули­ровать.

Статистический (это и означает — относящийся к большому собранию частиц) характер второго начала термодинамики нисколько не принижает его значения. Закон возрастания энтропии предопределяет направле­ние процессов. В этом смысле энтропию можно назвать директором-распорядителем природных богатств, а энер­гия служит у нее бухгалтером.

Кому же принадлежит честь открытия этого важ­ного закона природы? Здесь нельзя ограничиться одним именем. У второго начала термодинамики есть своя история.

Как и в истории первого начала термодинамики, в первую очередь должно быть упомянуто имя фран­цуза Сади Карно. В 1824 году он издал на свои сред­ства печатный труд под названием «Размышления о движущей силе огня». В этой работе впервые было указано, что тепло не может переходить от холодного тела к теплому само собой без затраты работы. Карно показал также, что максимальный коэффициент полез —

ного действия тепловой машины определяется лишь разностью температур нагревателя и охлаждающей среды.

Только после смерти Карно, в 1832 году на эту ра­боту обратили внимание другие физики. Однако она ма­ло повлияла на дальнейшее развитие науки из-за того, что все сочинение Карно было построено на признании неразрушимого и несоздаваемого «вещества» — тепло­рода.

Лишь вслед за исследованиями и размышлениями Майера, Джоуля и Гельмгольца, установивших закон эквивалентности тепла и работы, немецкий физик Ру­дольф Клаузиус (1822—1888 гг.) пришел ко второму на­чалу термодинамики и математически сформулировал его. Клаузиус ввел в рассмотрение энтропию и показал, что сущность второго начала термодинамики сводится к неизбежному росту энтропии во всех реальных про­цессах.

Все, что мы сказали ранее по поводу истолкования естественного хода процессов, несомненно, очень остро­умно и очень похоже на правду. Но тем не менее на­бросанную картину никак нельзя назвать завершенной. В таком виде наши молекулярно-кинетические рассужде­ния могут быть скептиками отнесены к разряду бол­товни. Так оно, кстати, и было в конце XIX века. О на­скоках противников молекул на статистическую теорию мы расскажем чуть ниже. Но уже сейчас можно утверждать, что выступления сторонников теории, за­канчивающиеся чем-нибудь вроде: «Итак, мы показали, что второе начало термодинамики хорошо объясняется молекулярно-кинетической гипотезой», комментирова­лись противниками примерно следующим образом: «Ну что же, гипотеза ваша выиграла, но наука от этого ни­чего не получила».

Дело заключается в том — об этом мы тоже уже го­ворили выше. — что теория становится теорией лишь тогда, когда с ее помощью можно что-то предсказать. Объяснения постфактум — это не наука; объяснения постфактум создают лишь ощущение умственного ком­форта. Но, право же, ценность теории близка к нулю, если ее значение оказывается аналогичным значимости в нашей жизни удобного кресла.

Таким образом, перед сторонниками молекулярно-ки- нетической гипотезы встала задача перекинуть мост меж­ду молекулярными характеристиками и непосредственно измеряемыми физическими свойствами вещества. Мало того, надо было построить такую теорию, которая пред­сказывала бы, как те или иные свойства вещества будут изменяться с изменением состояния тела, то есть что будет делаться с тем или иным веществом, если растет температура, увеличивается давление…

На пути решения этой грандиозной задачи и возник­ла новая физика, получившая название статистической физики.