скачать книгу бесплатно
Мерой инерции является масса.
Чем больше масса, тем труднее изменить скорость движения тела, тем больше его инерция. То есть масса и инерция это, по сути, одно и то же.
С другой стороны, масса также является мерой количества вещества. Чем больше это количество – тем больше инерция, тем сильнее тело сопротивляется внешним воздействиям.
Отсюда видно, что главное свойство вещества – это косность. Само по себе вещество не способно ни к самостоятельному движению, ни к развитию, а, наоборот, по самой своей природе является тормозом и препятствие тому и другому.
Энергия
Древнегреческие натурфилософы, введшие в научный оборот термин «энергия» (от греч. energeia – деятельность, способность производить работу) подразумевали под этим словом «деятельную силу, соединенную с настойчивостью в достижении поставленной цели»[15 - Наследие Эллады. Энциклопедический словарь. Советская Кубань, Краснодар, 1993.]. В этом смысле мы говорим: «энергичный человек», подразумевая человека, настойчиво и деятельно осуществляющего свои замыслы.
Позже физики придали этому слову более отвлеченный смысл.
Сегодня под «энергией» подразумевают «общую количественную меру движения и взаимодействия различных видов материи». Другими словами, энергия – это способность тела или вещества производить какую-либо работу. Впервые в таком значении это слово употребил в 1807 году английский физик Томас Янг.
Первоначальный (древнегреческий) смысл этого понятия, однако, лучше отражает его сущность. Для преодоления инерции (косности) вещественной системы необходимо приложить к ней деятельную силу. Причем эта сила должна действовать настойчиво, то есть её действие должно быть постоянным или, по крайней мере, достаточно длительным.
Способность системы производить работу возникает не сама собой, а вследствие приложения к системе деятельной силы (т.е. сообщения системе какого-то количества энергии извне).
В этом можно убедиться на простом примере.
Сколь тщательно ни была бы изготовлена часовая пружина – сама по себе она не способна производить никакую работу. Она совершает порученное ей дело (приводит в движение часовой механизм) только после того, как вы её заведете, то есть сообщите ей необходимое количество энергии. Вы в этом случае выполняете роль источника внешней деятельной силы.
Другой пример. Камень, лежащий на земле, не может совершить какой-либо работы. Он совершит работу (например, упадет на землю) только в том случае, если его поднять над землей на некоторую высоту. Но для этого опять же нужно применить к нему деятельную силу – только тогда у него появится энергия, достаточная для совершения работы.
В некоторых случаях деятельная сила бывает заключена в самой системе или в объекте. Такие объекты, обладающие внутренним источником энергии, способны совершать работу, подпитываясь энергией изнутри. Например, Солнце совершает работу (обогревает и освещает нас), питаясь внутренней энергией протекающих в нём ядерных реакций. Значит, приложение внешней силы к системе не всегда необходимо?
Не будем спешить с выводом. Наличие объектов со «встроенным» источником энергии нисколько не меняет общего порядка вещей. Ведь бывают и часы, которые не требуют подзавода, – достаточно вставить в них батарейку (внутренний источник энергии). Но ведь эта батарейка сама собой в часах не образуется – кто-то должен ее туда вставить.
Глава 6. Мера хаоса
Согласно древним мифам, первоначально мир представлял собой бесформенное, недифференцированное скопление вещества (или смешение стихий), в котором не было ни верха, ни низа, ни края, ни середины. Лишенный форм, безжизненный и неподвижный, хладным трупом лежал он во тьме, и в нем ничего не происходило. Существование этого первобытного мира более походило на несуществование.
Миф довольно точно передает представление о свойствах материи. Именно так выглядела бы материя, будь она предоставлена сама себе.
Такое состояние мира называется Хаосом.
От греческого слова «хаос» впоследствии возник термин «газ» – состояние вещества, при котором вещество равномерно заполняет весь предоставленный ему объем. Можно представить себе первобытный Хаос как некий газ из частиц материи, некое подобие которого мы обнаруживаем в космосе в виде газово – пылевых туманностей.
Согласно затейливой, но точной формулировке Платона, «Хаос есть такое состояние системы, которое остается по мере устранения возможностей проявления её свойств». Иначе говоря, Хаос не способен проявлять никакие свойства, он не обладает созидательной способностью.
Собственно, больше о Хаосе сказать нечего. Хаос – он и есть Хаос. Никому не нужный, ни на что не годный. Тут бы и мифу конец.
Единственное развитие, которое мог получить миф – это вмешательство в Хаос внешних сил. Какой другой выход был из этой безнадеги?
Согласно мифу, в дело вмешался Бог (аналог уже знакомого нам нематериального фактора). Бог использовал Хаос как материал для творчества: придал ему форму и упорядоченную структуру, создал из него звезды, планеты, Луну и Солнце, то есть учредил организованность и порядок.
Порядок по гречески называется «Космос».
Таким образом, первобытный Хаос был преобразован в Космос.
Хаос послужил материалом для создания Космоса, как песок служит материалом для песчаных замков или детских куличиков.
Песок способен принимать форму, которую ему придают. Но удерживать эту форму долгое время он не в состоянии.
Любой песчаный замок по истечении недолгого времени начинает разрушаться и в конечном итоге переходит в свое изначальное аморфное состояние, которое и есть естественное и наиболее вероятное состояние материи.
Бесформенная куча – более вероятное состояние песка, чем песчаный замок. Не каждая куча песка становится песчаным замком, но каждый песчаный замок становится кучей песка.
Песчаный замок отличается от кучи песка степенью разрушения или беспорядка. Наименьшей степенью разрушения обладает только что построенный песчаный замок. Когда он начинает осыпаться, степень разрушения увеличивается, и достигает своего максимума в состоянии кучи.
Физики выражают степень беспорядка (степень разрушения) величиной энтропии, обозначая ее латинской «S».
Рудольф Клаузиус
Термин «энтропия» был введен в научный оборот в 1865 году Рудольфом Клаузиусом, одним из основателей термодинамики. Клаузиус так объяснял значение изобретенного им слова. «Тропе» по-гречески означает «превращение»; к этому корню Клаузиус добавил приставку «эн», чтобы получившееся слово было созвучно слову «энергия», к которому энтропия близка по физической значимости.
Энтропия – мера беспорядка. Мера хаоса.
Энтропия выражает стремление материи к беспорядку и разрушению.
Австрийский физик Л. Больцман выразил связь между величиной энтропии изолированной системы и вероятностью состояния этой системы следующей формулой:
S = k ln N,
где k = 1,38 * 10
Джоуль/градус – постоянная Больцмана.
Не обращайте внимание, если формула покажется непонятной. Физический смысл ее прост: самым вероятным состоянием системы является состояние с максимальной энтропией. То есть состояние полного хаоса, полного разрушения. Такое состояние будет наиболее вероятным. А состояние с нулевой энтропией практически невероятно. Таких состояний в реальной жизни не бывает. Любая материальная система (любая!) имеет либо трещинку, либо червоточинку, либо скрытый дефект. Идеальных материальных систем в принципе быть не может.
Итак, энтропия воплощает главное свойство материи – стремление к разрушению. Значение энтропии показывает, насколько это свойство реализовано на данный момент.
Глава 7. Энергия против энтропии
Если читателю когда-нибудь доводилось прогуливаться по старинному кладбищу, возможно, он замечал разницу между часто посещаемыми могилами и теми, за которыми никто не ухаживает. Неухоженная могилка зарастает сорняками, давно некрашеный, с явными следами гниения крест на ней покосился, того и гляди упадет. Само имя покойного уже невозможно прочесть. Пройдет еще какое-то время – и исчезнут всякие следы того, что здесь был кто-то похоронен, и все это место вернется в первоначальное девственное состояние.
Нужны ли какие-то усилия для того, чтобы такое превращение совершилось? Очевидно, не нужны. Причина превращения в том и состоит, что никто сюда не приходил и не препятствовал обветшанию могилы.
Точно так же обстоит дело с любым предметом или объектом: для его разрушения не нужно прилагать никаких усилий. Просто предоставьте его самому себе – и он рано или поздно обратится в прах.
Процесс разрушения любой материальной системы, её перехода в более простое состояние, приводящий к увеличению энтропии системы, совершается сам собой, в силу внутренне присущего материи свойства. Для этого не нужно прикладывать никаких усилий.
А вот для того, чтобы этот процесс замедлить, а более того, повернуть вспять – усилия, безусловно, потребуются. И немалые. Для того, чтобы противостоять энтропии, к системе должна быть приложена, как говорили древние греки, энергия – «деятельная сила, соединенная с настойчивостью в достижении поставленной цели».
Почему энтропия системы растет сама собой, без всякого усилия, а для того, чтобы противостоять ей нужно специально прикладывать к системе усилия, тратить энергию?
Понять это нам поможет Термодинамика с двумя ее фундаментальными законами.
Глава 8. Первое начало термодинамики
Термодинамика (греч. ????? – «тепло», ??????? – «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 оно 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=80
С) и обычную чашку (t=20
С) 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 20
С чаю так, чтобы он вскипел (t=100
С), 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 50
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 20
С), 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.
