Пітер Аткінс - Чотири закони, що рухають Всесвіт

Закони термодинаміки надають руху всьому, що відбувається у Всесвіті. Від раптового розширення хмари газу до охолодження гарячого металу, від розгортання листка до перебігу самого життя – усе рухається або гальмується цими законами.

Ця коротка, але дотепна книжка знайомить читачів з одним із наріжних каменів сучасної науки – чотирма законами термодинаміки, що встановлюють фундаментальні поняття, як-от температура й тепло, виявляють стрілу часу й навіть саму природу енергії. Автор, Пітер Еткінз, один з найбільших авторитетів у галузі термодинаміки, простою мовою й майже не застосовуючи математики, пояснює суть цих законів і те, як вони функціонують.

Peter Atkins 2007

© М. Мунтянова, пер. з англ., 2020

© Видавництво «Фабула», 2020

© Видавництво «Ранок», 2020

Серед сотень тих законів, які описують Всесвіт, причаїлася могутня горстка. Це закони термодинаміки, що підсумовують властивості енергії та її перетворення з однієї форми в іншу. Я вагався, чи варто згадувати слово «термодинаміка» в назві цього невеличкого вступу до такого безмежно важливого й захопливого аспекту природи. Сподіваюся, що, вилучивши з назви цей термін, я заохочу вас дочитати принаймні до цього моменту, адже слово «термодинаміка» не натякає на легке читво. Тож не вдаватиму, ніби мою працю можна потрактувати як розважальну літературу. Однак, коли дочитаєте цю тоненьку книжечку до кінця, ваш мозок буде загартованіший і вправніший, а ви самі глибше розумітимете роль енергії у світі. Коротко кажучи, ви знатимете, що саʹме рухає Всесвіт.

Вам може здаватися, ніби термодинаміка стосується лише парових двигунів, однак насправді вона стосується майже всього, що нас оточує. Безперечно, перші концепції цієї науки з’явилися в XIX столітті, коли пара була як ніколи актуальною, проте в міру формування чітких законів термодинаміки науковці почали детальніше вивчати їхні наслідки. Тоді стало зрозуміло, що цей предмет може охопити надзвичайно широкий спектр явищ – починаючи з ККД теплових двигунів, теплових помп і холодильників та закінчуючи хімією і навіть біологічними процесами. На дальших сторінках ми з вами помандруємо цим широким спектром.

Могутня горстка складається з чотирьох законів, нумерація яких досить незручно починається з нуля і закінчується на цифрі «три». Перші два закони («нульовий» і «перший») познайомлять нас із двома звичними, але все ж загадковими властивостями – температурою та енергією. Третій із четвірки («другий закон») описує ентропію, що її багато хто вважає невловимою властивістю. А втім, я сподіваюся наочно показати, що вона легша для розуміння, ніж начебто звичніші властивості температури й енергії. Другий закон – це один із найвеличніших законів усієї науки, адже він пояснює, чому щось узагалі відбувається: від охолодження гарячої речовини до висловлення думки. Четвертий із законів («третій закон») грає переважно технічну роль. Він доповнює і завершує структуру предмета, а також уможливлює або унеможливлює його застосування. Хоча третій закон і встановлює бар’єр, який заважає нам досягти абсолютного температурного нуля (тобто зробити що-небудь абсолютно холодним), та ми побачимо, що нижче від нуля все ж існує химерний і досяжний дзеркальний світ.

Як наука термодинаміка виросла зі спостережень за об’ємною матерією (інколи у формі таких громіздких об’єктів, як парові двигуни) і сформувалася ще до того, як більшість науковців переконалася, що атоми – це щось більше, ніж просто засоби обліку. Однак предмет цієї дисципліни незмірно розширяється, якщо здобуті на основі спостережень формулювання термодинаміки тлумачити в контексті атомів і молекул. Зважаючи на цей нюанс, ми спершу обговоримо спостережні аспекти кожного закону, і лише потім зануримось у глибинні аспекти об’ємної матерії й розкриємо ті тлумачення, які випливають з інтерпретації законів з погляду концепцій, притаманних світу атомів.

І насамкінець, перед тим як ви вигострите розум і візьметеся за пізнання принципів функціювання Всесвіту, я мушу подякувати серові Джону Ровлінсону за детальне вивчення і коментування двох робочих версій рукопису – його академічні поради були надзвичайно корисні. А втім, якщо якісь помилки й залишилися, то вони, без сумніву, стосуватимуться тільки тих моментів, де я не погодився з ним.

Нульовий закон – це свого роду запізніла думка. Хоча давно було відомо, що такий закон істотно важливий для логічної структури термодинаміки, але до початку XX століття він не мав ані сталого номера, ані назви. На той час перший і другий закони вже так укорінилися, що годі було й думати про те, щоб перенумерувати їх наново. Далі стане очевидно, що кожен закон забезпечує експериментальну основу для запровадження певної термодинамічної властивості. Нульовий закон визначає зміст, мабуть, найвідомішої, але насправді найзагадковішої із цих властивостей – температури.

Термодинаміка, як і більшість наукових дисциплін, бере (дехто сказав би «викрадає») терміни з повсякденним значенням і поліпшує їх так, щоб вони набули точного й однозначного змісту. Ми спостерігатимемо за цим процесом протягом усього цього вступу до термодинаміки. Усе починається, щойно ми ступаємо на поріг цієї наукової дисципліни. Ту частину Всесвіту, яка перебуває в центрі уваги термодинаміки, називають системою. Системою може бути шматок заліза, склянка води, двигун, тіло людини. Це може бути навіть окремо взята частина будь-якого із цих об’єктів. Решту Всесвіту називають довкіллям. Довкілля – це те місце, звідки ми спостерігаємо за системою і визначаємо її властивості. Досить часто фактичне довкілля складається з водяного купелю, підтримуваного за постійної температури, але це значно контрольованіше наближення до справжнього довкілля, решти світу. Система разом зі своїм довкіллям утворює Всесвіт. Тоді як більшість людей вважає Всесвітом буквально все навколо, для ощадливих термодинамістів (науковців у галузі термодинаміки) Всесвіт може складатися зі склянки води (системи), зануреної у водяний купіль (довкілля).

Система визначається її межами. Систему вважають відкритою, якщо до неї можна додати або ж вилучити з неї матерію. Приклад такої системи – відро або відкрита пляшка, бо ми можемо досить легко додати туди певну речовину. Якщо ж система має непроникні для матерії межі, то її вважають закритою. Герметична пляшка – це закрита система. А якщо межі системи непроникні для всього – у тому сенсі, що система залишається незмінною попри те, що відбувається в довкіллі,– то її вважають ізольованою. Приблизним прикладом ізольованої системи може бути термос із гарячою кавою.

Властивості системи залежать від домінантних умов. Наприклад, тиск газу залежить від того об’єму, який він займає. Ми можемо спостерігати ефект зміни цього об’єму, якщо система має гнучкі стінки. Під «гнучкими стінками» найкраще мати на увазі те, що межі системи жорсткі з усіх боків, крім перемички або поршня, який може переміщатися всередину й назовні. Як приклад можна навести велосипедну помпу, чиє сопло ви затуляєте пальцем.

Властивості ділять на два класи. Екстенсивна властивість залежить від кількості речовини в системі, її обсягу. Маса й об’єм системи – це екстенсивні властивості. Наприклад, 2 кг заліза займають удвічі більше об’єму, ніж 1 кг заліза. Інтенсивна властивість не залежить від кількості матерії, що міститься в системі. Приклади таких властивостей – температура (будь-яка) і густина. Температура ретельно перемішаної гарячої води в посудині не залежить від її розмірів. Густина заліза становить 8,9 г/см3 незалежно від ваги наявного шматка (чи то 1 кг, чи то 2 кг). Під час ознайомлення з різними аспектами термодинаміки ми стикнемося з багатьма прикладами властивостей обох видів, тому важливо пам’ятати їхні відмінності.

Утім, досить із нас цих нудних