Чтобы иметь возможность вычислить эту величину тепловой энергии,
Клаузиус в 1865 г. ввел понятие энтропии. Оно стало кошмаром для
множества поколений студентов и яблоком раздора для физиков.
Что такое энтропия? Термин происходит от греческого entrope и означает
«замкнуть внутри». А с тех пор как его применил Клаузиус, он означает
меру деградации какой-либо системы. Физик определяет энтропию как
соотношение между количеством теплоты и абсолютной температурой. Если мы
присмотримся к проблеме эффективности поближе, то поймем смысл энтропии:
в оптимальных условиях все превращения энергии происходят на базе
постоянной энтропии.
Если, например, тепловая машина располагает источником теплоты при 600
К, дающим ей 1200 кал, то энт-ропическое отклонение равно минус 2.
Клаузиус утверждает, что работа машины будет оптимальной, если холодный
источник будет иметь энтропическое отклонение, равное плюс 2. Иначе
говоря: если источник холода находится при 350 К, то ему нужно добавить
700 кал. И только 500 кал превратятся в механическую работу. Такова по
крайней мере максимальная эффективность, фактически же машина будет
работать в менее благоприятных условиях, так что передаст источнику
холода 800— 900 кал. В этом случае энтропия системы будет повышаться.
Итак, энтропия должна возрастать повсюду, где тепловые машины работают с
КПД, меньшим теоретического, а превращение механической энергии в
теплоту должно с точки зрения качества быть чистой потерей,
проявляющейся в резком росте энтропии.
Это объяснение удобное, Но является ли оно достаточным? Имеет ли понятие
«энтропия» физический смысл или же это только математическое построение?
Энтропию и второй закон термодинамики, часто называемый «принципом
энтропии», действительно, поначалу принимали очень сдержанно. Но скоро
кинетцческая теория газов осветила связи между теплотой и механической
энергией, а это помогло понять роль абсолютной температуры в принципе
Карно и в энтропии Клаузиуса.
Как известно, молекулы газа движутся со средней скоростью, характерной
для каждой данной температуры. Строго говоря, энергия молекул
пропорциональна абсолютной температуре, так что превращение теплоты в
работу является лишь изменением формы: из состояния беспорядочной толпы
энергия переходит в состояние марширующего отряда. Значит, температура —
это механическая работа, рассеянная на молекулярном уровне.
Из хода самого процесса непосредственно выявляется смысл превращения
работы в теплоту; мы поймем также, почему такое превращение оказывается
необратимым: молекулы — отнюдь не индивидуумы, выбирающие себе
направление по своей воле, а материальные частицы, которым нельзя
внушить никакого порядка; иными словами, вернуться от неупорядоченности
к упорядоченности для них невозможно. Случайно, конечно, могло бы
оказаться, что все молекулы в данный определенный момент движутся в
одном направлении; тогда тепловая энергия снова превратилась бы в
механическую. Но простой расчет показывает, что вероятность подобного
явления чересчур мала, чтобы принимать ее во внимание.
Таковы выводы, к которым постепенно приходили физики во второй половине
XIX в. Физики поняли, что теплота и работа равноценны лишь
количественно, а не качественно, так как теплоте свойственна
«врожденная» неупорядоченность, а для перемещающегося предмета, все
точки которого движутся одинаково, характерна именно упорядоченность.