Атомы у нас дома. Удивительная наука за повседневными вещами - Крис Вудфорд

Если вы поставите свой кофе на айсберг, произойдут два события. Кофе сразу сильно остынет, а айсберг чуть-чуть нагреется (хотя это будет незаметно). Два предмета разной температуры воздействуют друг на друга: они обмениваются тепловой энергией, пока она не сравнивается и не достигается тепловое равновесие, называемое в физике термодинамическим. В рамках молекулярно-кинетической теории это легко объяснить. Молекулы горячей воды сталкиваются с молекулами фарфора в чашке, передают им часть своего тепла (кинетической энергии), остывают сами, при этом нагревая чашку. Чашка, находящаяся в контакте с холодной поверхностью, передает ей тепло точно так же, разогревая молекулы льда и по мере этого остывая. Так что между чашкой и айсбергом возникает невидимый конвейер, транспортирующей энергию кофе в лед. И так происходит до тех пор, пока их температура не сравняется.

Как мы видели в главе 2, энергия не волшебна: она не возникает и не исчезает без предупреждения. Если что-то теряет энергию, что-то ее приобретает. Энергетический обмен всегда идет с нулевым балансом. То же истинно для чашки кофе и айсберга. Количество тепловой энергии, которое теряет кофе, в точности равно количеству энергии, которое получает айсберг (мы исходим из того, что потерь тепла в атмосферу нет). Этот закон, который мы ранее называли законом сохранения энергии, является также и первым законом термодинамики (два эквивалентных названия для одного понятия).

Есть и еще одно правило, касающееся движения тепла. Нам нужно его знать – и оно куда сложнее. Когда вы ставите чашку кофе на айсберг, напиток охлаждается, а айсберг нагревается, но никогда не наоборот. Первый закон это не обязательно формулирует. Нет причины, по которой айсберг не отдал бы часть своего тепла и не вскипятил вам чашку кофе; во всяком случае, она не указана в первом законе термодинамики. Если получение тепла одним предметом уравновешивается потерей тепла другим, всё в порядке. И нет причины, по которой термодинамическое равновесие не может быть достигнуто либо охлаждением кофе, либо согреванием льда. Согласно первому закону, возможны оба варианта. Проблема в том, что так не бывает. Ведь это исключает второй закон термодинамики. В упрощенной форме он гласит, что тепло всегда течет от горячего к холодному и никогда не наоборот (если только этому не способствуют какие-то внешние силы). Иными словами, второй закон можно сформулировать так: энергия склонна к распространению и рассеиванию (хотя на самом деле она никогда не исчезает).

Ученые формулируют эту идею несколько туманно: «энтропия (мера хаоса) замкнутой системы стремится к своему максимуму». Это означает только то, что Вселенная естественным путем переходит от упорядоченности к хаосу. Это относится не только к тепловой энергии. Если вы уроните бокал, то он, скорее всего, разлетится на десятки осколков. И они не соединятся вновь и не образуют целый бокал. Это и есть второй закон в действии.