В океане энергии

Каков же вывод из сказанного? Механическая энергия движущегося тела — это энергия частично упорядоченного движения молекул. Преобразовать тепловую энергию в механическую — это значит навести среди беспорядочно движущихся молекул частичный порядок. Как и при каких условиях это можно сделать?

Взаимные преобразования тепловой и механической энергии интересовали ученых с глубокой древности, но только к середине XIX века в этот вопрос была внесена полная ясность. Понадобилось выполнить огромное количество опытов, в частности опытов Джоуля, которые он проводил в течение тридцати лет. Привлекались и мысленные модели, в том числе так называемые циклы Карно, предложенные французским инженером Сади Карно. Сегодня циклы Карно приводятся во всех учебниках термодинамики. Циклы Карно положены в основу индикаторных диаграмм, с помощью которых описывается работа двигателей внутреннего сгорания и турбин.

На этом фоне нам особенно приятно показать, насколько просто решается вопрос о взаимных преобразованиях тепловой и механической энергии, если пользоваться понятиями энтропии, энергии и количества движения. Рассмотрим некоторую теплоизолированную физическую систему. Для начала будем считать, что система находится в равновесии, т. е. энтропия равна своему максимально возможному значению, температура постоянна и одинакова во всех точках системы. Что означает для такой системы совершить некоторое количество механической работы или отдать часть своей энергии, преобразовав ее предварительно в какой-либо другой вид (кроме теплового, ведь система теплоизолирована)?

Это значит уменьшить энтропию. Поскольку приращение энтропии равно приращению энергии, поделенному на температуру, при постоянной температуре уменьшение энергии (отрицательное приращение) неизбежно должно сопровождаться уменьшением энтропии. Однако согласно второму началу термодинамики энтропия не может самопроизвольно уменьшаться. Отсюда первый вывод: в теплоизолированной системе, находящейся в равновесии, невозможно преобразование даже самой малой части ее тепловой энергии в какой-либо другой вид энергии.

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.