Возвращение чародея - Владимир Келлер

Иное — тепловая энергия. Она — сама беспорядок. Это энергия хаотического движения молекул вещества. Энергия теплового движения частиц не может перейти сама собой в механическую энергию, способную совершить работу, потому что это значило бы самопроизвольное превращение беспорядка в порядок, что запрещено законом физики.

Как бы ни были велики запасы тепловой энергии, они не могут быть превращены в работу, стать полезными, если речь пойдет о том, чтобы только «поднять их вверх». В Земле хранится очень много такой энергии. Охладив планету, масса которой равна 6·1024 (6 миллионов миллиардов миллиардов) килограммов, всего на 1 градус, мы получили бы 1,2·1024 килокалорий тепла — в миллиард раз больше, чем вырабатывают сейчас каждый год все вместе электростанции мира. Но это невозможно; такого рода тепло бесполезно для электростанции: извлечь его не позволяет закон роста энтропии.

Мы не смогли бы превратить в работу тепловую энергию Земли, даже если бы вся планета вдруг резко разогрелась бы, а мы в жаростойких костюмах поспешили воспользоваться этим для выработки электроэнергии.

Многие убеждены, что, для того чтобы заработала паровая машина, достаточно дать пар. Но это совершенно неверно. Беспорядок не может сам по себе превратиться в порядок.

Чтобы работали тепловые двигатели, обязательно находят где-то холодильник, может быть обыкновенную воду при обычной температуре. Почему? Нетрудно догадаться. Хотя «с двух сторон» машины и будут находиться два источника тепла низшей формы энергии: горячий пар и холодная вода для охлаждения, — но само по себе соединение этих двух источников создаст какое-то упорядоченное движение. Им будет переток более «горячих» (то есть обладающих более высокой средней кинетической энергией) молекул в сторону менее «горячих» молекул (то есть молекул с менее высокой средней кинетической энергией). А это уже порядок, это уже возможность стремиться к беспорядку и, значит, совершать работу.

Здесь та же логика, как в утверждении, что большая потенциальная механическая энергия озера на горе бесполезна для электростанций, пока озеру не найдут хорошего слива. Горячий пар — одна потенция, вода — другая. Лишь в соединении они способны создать энергетический поток, который может производить работу.

Теперь, пожалуй, вы можете спросить: почему так странно названа эта глава? Чем пугает нас беспорядок и чем он должен вдруг радовать?

С тех пор как был открыт закон возрастания энтропии, многие ученые стали развивать «теорию тепловой смерти»: раз все идет от высших форм энергии к низшей, тепловой, — остывает, односторонне превращается в беспорядок, — то, дескать, мир рано или поздно весь остынет. Ведь беспорядок порядком уже не сделать.

То, что предсказывали пессимисты, было бы истинным холодом смерти. Даже если бы все вещество Вселенной можно было уничтожить, превратив его массу в энергию (а 1 грамм массы вещества смог бы быть преобразован в 9·1020 эргов энергии), то и тогда мировое пространство нагрелось бы от минус 270–273 градусов всего до минус 260 градусов, то есть лишь примерно на 10 градусов.

Бояться этого, однако, не приходится, даже если думать о поколениях людей, которые будут жить через многие миллионы лет. Прежде всего закон возрастания энтропии сформулирован и многократно проведен для ограниченных физических систем. Что такое «энтропия всей Вселенной» — это вряд ли кому-нибудь сегодня ясно.

Человек уже показал, что разум в состоянии находить всё новые источники энергии, способные поддерживать бесконечный перепад температур, и это в принципе может продолжаться вечно.

А радоваться чему? Тому, что основные законы физики со временем не изменяются. Само существование порядка и беспорядка в раз навсегда положенной последовательности, немыслимость их поворота — тоже благотворный порядок.

Как в новых формах возродилось древнее учение о четырех стихиях

Облака — начало и примитив всего

Огненное облако с огромной скоростью скатилось с вулкана Мон-Пеле и превратило в пепел цветущий город Сен-Пьер с населением 26 тысяч человек. Катастрофа была столь же ужасна, сколь неожиданна и непонятна. Долго не могли объяснить, каким образом мельчайшие раскаленные частицы вулканического вещества не поднялись в воздух, не рассеялись, а упали на город и предали его страшной участи.

Это произошло в 1902 году на острове Мартиника в архипелаге Малых Антильских островов.

Иначе на противоположной стороне планеты двигалось другое облако — песчаное облако пустыни Кара-Кумы. Оно двигалось не спеша — десятилетиями, веками. Оно незаметно по земле подползало к становищам людей, к продуктам их труда. Оно не убивало сразу, но то, что укутывалось им, переставало существовать. Пески пустыни омертвляли все встречавшееся на пути: колодцы и сады, пастбища и бахчи, города и кишлаки, обнесенные глинобитными стенами.

Есть облака, не похожие ни на первое, ни на второе. Мириады всевозможных бактерий и грибков, взвешенных в воздухе — воздушная микрофлора, — тоже перемещаются как облака. Распространяясь, такие облака порой служат источниками заболеваний.

Но не только бедствия приносят облака. Бывает, например, хорошая воздушная микрофлора.

Вот подул ветерок, и в воздух поднялись облака золотистой пыльцы. В виде «серного дождя» (так это называется) они потом где-то опустятся на землю, покроют собой огромные пространства. Некоторая их часть попадет на тычинки цветков своего вида, оплодотворит растения. Частицы облака выступают здесь как могучий стимул жизни.

Для большинства пустыня Гоби — мертвая пустыня. А известно ли вам, читатель, что она несет плодородие и жизнь Южному Китаю? Под влиянием резких переходов от тепла к холоду и обратно камни пустыни Гоби в течение веков измельчаются и превращаются в тончайшую желтоватую пыль, лёсс, которая затем подхватывается ветром и уносится на юг. Действуя столетиями, ветротранспортер создал грандиозные лёссовые отложения на юге, в частности в бассейне реки Хуанхэ. С лёссом появились замечательные условия для жизни, так как он плодороден.

Много облаков парит над миром, много опускается на него, забирается в любую щелку. То, что мы называем обычно облаками, — ничтожная часть огромного, многоликого семейства облаков. У него, впрочем, есть и другое название: аэрозоли.

За последние десятилетия люди научились сами вырабатывать полезные аэрозоли. Все возрастающую роль играют теперь в жизни и в различных формах деятельности людей искусственно создаваемые облака тончайшей пыли.

Жидкое топливо перед сжиганием обычно механически распыляют, превращают в туман. В распыленном виде сжигают также твердое пылевидное топливо и некоторые виды минерального сырья (колчеданы).

В борьбе с вредителями и возбудителями грибковых болезней растений, а также с малярийными комарами применяются почти исключительно распыленные ядовитые вещества — инсектициды.

В военной технике в большом ходу маскирующие дымы и туманы.

Врачи охотно прописывают больным ингаляцию — лечение путем глубокого вдыхания специальных лекарственных препаратов. Преимущество этого метода лечения — плотное осаждение лекарства в легких.

Специальные облака применяются в экспериментальной физике. Исследуя движение капелек в вертикальном электрическом поле, впервые точно определили заряд электрона и число Авогадро (см. стр. 140), а также решили ряд других физических задач (например, выяснили квантовую природу фотоэффекта, см. стр. 161). Явление образования тумана при конденсации пересыщенного пара на газовых ионах послужило основанием для создания распространенного физического прибора — камеры Вильсона.

Что же такое аэрозоли? Чем характерен этот мир и почему мы с описания его начали раздел, посвященный веществу?

Песчинку величиной в десятые доли миллиметра человек еще заметит невооруженным глазом. Молекулу в 5 миллионов раз меньшую он увидит только с помощью электронного микроскопа. А в этом колоссальном интервале укладываются размеры всех частиц аэрозолей.

Различают три вида аэрозолей.

Туманы — аэрозоли с жидкими частицами: природный туман, дождевое облако, туман, образующийся при распылении падающей воды. Частицы таких аэрозолей, как правило, шарообразны.

Пыли — аэрозоли с твердыми частицами, образующиеся при измельчении твердых тел и при переходе порошкообразных тел во взвешенное состояние под действием воздушных потоков, сотрясений и т. д. К ним относятся угольная пыль, лёсс, цементный порошок и т. д. Под микроскопом пылинки выглядят как грубые обломки неправильной формы.