Жизнь по закону
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.
Сколько тепла способен удержать дом зимой?
В теории и на практике законы термодинамики говорят нам всё, что нам нужно знать об отоплении и охлаждении. Вам приходится отапливать дом, потому что зимой на улице холоднее, чем в помещении (второй закон). Всё тепло, которое дом теряет, поступает в окружающее пространство: землю под ним и воздух вокруг него (первый закон). Чтобы поддерживать в доме постоянную температуру, вы должны обеспечивать его таким же количеством энергии (в форме электроэнергии, газа или другого топлива), какое он теряет (снова первый закон). Как бы мы ни хотели этого, наши дома сами по себе зимой теплее не станут, «засасывая» тепло снаружи (второй закон). Хотя есть, конечно, хитрости вроде тепловых насосов, о которых мы поговорим ниже.
Всё это настолько очевидно, что последствия действия этих законов мы уже не замечаем. В зимние месяцы авторы редакционных статей кричат о растущих ценах на энергию, скандалах, связанных с «энергетической бедностью» (когда людям не хватает средств на то, чтобы отапливать свои дома), и о «неприлично» высоких прибылях энергетических компаний. По иронии судьбы, температуры на Земле по абсолютным значениям могут считаться средними и постоянными. Ведь минимально возможная температура, абсолютный ноль, составляет –273,15 °C (0 градусов Кельвина) и до сих пор не достигнута даже в лабораторных условиях. Самое холодное место, которое мы можем себе представить, находится внутри огромной черной дыры, и имеет температуру на миллиардную долю градуса выше абсолютного ноля[214]. На другой стороне температурного спектра ученым удалось к настоящему времени достичь максимальной температуры внутри Большого адронного коллайдера – гигантской машины по разгону и сталкиванию частиц в Швейцарии: 5 трлн °C – примерно в 350 000 раз больше, чем в ядре Солнца[215].
В свете таких экстремальных значений наша повседневная борьба за тепло и прохладу кажется банальщиной. Но независимо от того, находитесь ли вы в черной дыре, вращаетесь с неимоверной скоростью внутри адронного коллайдера или дрожите от холода во временном модуле в Антарктике, вы не можете игнорировать законы физики. Если внешняя температура составляет, например, 0 °C, а мы хотим получить в помещении комфортную для нас температуру 18–20 °C, законы термодинамики однозначно указывают на то, что нам придется заплатить за комфорт, и даже говорят, сколько именно. Давайте посчитаем.
Согреваемся
С чего начать? В теории всё просто. Нужно переписать все предметы, находящиеся в вашей комнате, включая даже ткани, и взвесить их. Измерить внешнюю температуру (скажем, она будет равна 0 °C) и решить, какая температура нужна внутри помещения (скажем, 20 °C). Для каждого материала нужно найти значение удельной теплоемкости (см. главу 2), которое подскажет вам, сколько энергии нужно для того, чтобы нагреть 1 кг конкретного материала на 1 °C. Затем в результате простых вычислений вы можете узнать, сколько энергии необходимо для нагревания всех материалов в помещении до 20 °C, и это количество (благодаря первому закону термодинамики) укажет вам, сколько энергии потребуется на отопление вашего дома.
Вдобавок благодаря этому упражнению вы поймете, что термодинамически ваш дом – не просто коробка, наполненная воздухом. Если вы уезжали из дома зимой на пару недель, то наверняка знаете, что для его прогрева по возвращении нужны по крайней мере два-три дня. Почему? Не только потому, что он охладился больше, чем обычно, но и потому, что каждый атом или молекула в каждом предмете в вашем доме (в теории) потеряли часть кинетической энергии. Чтобы прогреть дом до комфортной температуры, вы должны нагреть каждый атом в нем: в каждом стуле, кресле, книге, наволочке, ручке, карандаше, картинной рамке. Нужно немало времени, чтобы «закачать» энергию во все имеющиеся дома предметы и материалы.
