Сначала о "само собой разумеющемся", о фундаменте термодинамики, о том, что называют "основными законами". Два из них, известные как первое и второе начала термодинамики, особенно важны. Мы попытаемся передать смысл этих законов, не прибегая к математически строгим определениям. Их можно сформулировать следующим образом:
1. Существует нечто, называемое нами "энергией". Энергия обладает следующими свойствами: она не может возникать из ничего, равно как и бесследно исчезать; она существует в различных формах и может переходить из одной формы в другую.
2. Все процессы в окружающей нас природе развиваются в определенном направлении. Самопроизвольные (спонтанные) процессы в замкнутых, или изолированных, системах всегда протекают так, что из всех возможных состояний достигается состояние, характеризующееся максимальной неупорядоченностью.
Это не строгие формулировки, а попытка изложить основные законы термодинамики в наиболее доступной для понимания форме.
Оба начала термодинамики — первое, которое называют также законом сохранения энергии, и второе, позволяющее говорить о возможном направлении самопроизвольных процессов, — послужили исключительно плодотворной почвой для проведения многих расчетов. Первое начало исключает возможность существования вечного двигателя первого рода, т. е. провозглашает бессмысленной давнишнюю мечту людей о машине, которая сама себя непрерывно приводила бы в движение и производила бы при этом полезную работу.
Второе начало также чрезвычайно важно, а сфера его действия столь велика, что это трудно себе представить. Каждый знает, что порядок, если его постоянно не поддерживать, непременно нарушается, — система приходит в неупорядоченное состояние. А что при этом происходит с энергией? Если, например, высокая башня, сложенная из кирпичей, обрушится, то в результате, конечно, освободится энергия. Но такая упорядоченная система, как башня, вряд ли может возникнуть сама по себе из груды набросанных кирпичей даже в том случае, если средняя потенциальная энергия кирпичей в груде и в башне одинакова.
Вечный двигатель второго рода. Электростанция работает за счет охлаждения речной воды, превращая отобранное тепло в электроэнергию. Такой электростанции не может быть, поскольку самопроизвольное охлаждение тела ниже температуры окружающей среды исключается вторым началом термодинамики. Чтобы использовать тепловую энергию воды, необходимо иметь горячий источник
Взаимосвязь упорядоченности и энергии, о чем мы говорили в предыдущем абзаце, была установлена Людвигом Больцманом лишь через много лет после того, как было открыто второе начало термодинамики. Этот закон играет в биофизике исключительно важную роль, на чем мы остановимся подробнее в дальнейшем. Сейчас же обсудим энергетическую сторону этого закона. Второе начало термодинамики исключает возможность существования вечного двигателя второго рода, т. е. машины, которая отнимает у какого-либо тела тепло и превращает его в полезную энергию, например электрическую.
Покажем это на примере. Температура воды в реке летом около 20° С, в то время как летний воздух несколько теплее. А нельзя ли построить на реке электростанцию, в которой вода охлаждалась бы до 10° С, а полученная тепловая энергия превращалась бы в электрическую? Вблизи такой электростанции приятно было бы отдохнуть от летней жары, а через несколько километров ниже по течению вода в реке снова приобретала бы нормальную температуру. Первое начало термодинамики здесь удовлетворяется. Электроэнергия получается не из ничего, а из тепловой энергии речной воды. Казалось бы, все в полном порядке! Тем не менее такой электростанции нет и быть не может. Второе начало термодинамики запрещает подобное направление протекания самопроизвольного процесса.
Следует отметить, что тепловая энергия занимает особое место среди всех прочих видов энергии. Энергия любого вида — будь то электрическая, химическая, механическая и т. п. — может целиком превращаться в тепловую энергию. Тепловая же энергия превращается в другие виды энергии только тогда, когда существует разница температур. Но даже и в этом случае возможно лишь частичное преобразование энергии. Впрочем, это вещь очевидная, однако и она отражена во втором начале термодинамики. Каждый из нас замечал, что чай в стакане охлаждается, то есть его тепло передается окружающей среде. Однако никому не приходилось наблюдать, чтобы чай в стакане нагрелся за счет окружающего тепла до температуры выше комнатной!