Плата за работу

Мы говорили, что если попытаться реализовать идеальный цикл, то мы встретимся с неразрешимыми проблемами. Главное, надо проследить, чтобы температура газа всегда точно равнялась температуре холодильника (нагревателя) и чтобы расширение газа и его сжатие происходили бы очень медленно - иначе не будут успевать выравниваться температура и давление в газе. Такой цикл хотя и идеален, но ни на что не годится: его мощность будет строго равна нулю - любая работа по-требует бесконечно большого времени. Чтобы получить какую-либо работу, приходится нарушать жесткие условия идеального цикла. Но как только условия будут нарушены, в игру войдет теплопроводность - между участками с разной температурой возникает поток тепла и, как было сказано выше, возрастет энтропия.

При изотермическом расширении (на первом этапе цикла Карно) энтропия возрастет не на ΔQ₁/T₁, а на большую величину. Точно так же при передаче теплоты холодильнику энтропия уменьшится не на ΔQ₂/T₂, а на меньшую величину. В результате энтропия рабочего тела (газа) после всего цикла возрастет.

Отсюда следует одна из самых важных теорем, гласящая, что изменение энтропии тела (или системы) всегда не меньше количества теплоты, подведенной к телу (системе), деленное на термодинамическую температуру тела:

Знак равенства отвечает обратимому (т. е. практически неосуществимому) процессу.

Возрастание энтропии - это плата за реальную работу тепловой машины, за то, что машина имеет мощность, отличную от нуля.

Если мы хотим, чтобы какая-то машина совершила работу, то за это необходимо заплатить не только расходом энергии, но и возрастанием энтропии системы. Энергию можно вернуть, отдав обратно полученную работу. Возросшую энтропию уменьшить (без дополнительной работы) нельзя - в обратном цикле она еще больше возрастет.

Наверное, было бы разумнее изменить знак в определении энтропии - ведь если что-то теряется, то логично говорить об уменьшении. В теории информации так и делают - говорят о "негэнтропии" - энтропии с обратным знаком.

Платить энтропией надо не только за совершенную работу, надо платить и за любое измерение.

Больному поставили термометр. Столбик ртути вначале не был виден. К термометру пошел поток тепла от тела больного, и столбик ртути поднялся вверх. Вместе с тем увеличилась энтропия термометра и уменьшилась (незначительно) энтропия больного. Энтропия системы "больной + термометр" возросла необратимо. Нельзя поставить термометр так, чтобы поток тепла не возникал,- для этого надо знать температуру больного заранее. Но именно такой информации вначале нет - иначе зачем было ставить термометр.

Какое бы измерение не было произведено, за все надо заплатить энтропией. В нашем мире любой выигрыш в работе, любое измерение обязательно приведут к увеличению энтропии. Возрастание энтропии сопровождает нас на каждом шагу. Трение, теплопроводность, диффузия, вязкость, джоулево тепло - вот некоторые из основных механизмов, которые увеличивают энтропию.

Энтропия изолированной системы растет до тех пор, пока система не придет в состояние термодинамического равновесия, когда в ней прекратятся все необратимые процессы.

В состоянии теплового равновесия энтропия достигает своего максимально возможного значения. Газ потому "забывает" о стенках и столкновениях, что в состоянии с максимальной энтропией ему нечем "заплатить" за информацию о характере ударов, ибо энтропия больше расти не может.