В самом деле, предположим, что тело с температурой Т1 превратило полностью некое количество теплоты q в работу. Преобразуем эту работу вновь в тепло, передаваемое телу с температурой Т2>Т1 (этого нам механика не запрещает: разгоним какой-нибудь неупругий молот и ударим им по телу 2, или превратим работу полностью в энергию электрического тока и с помощью нагревателя передадим ее телу 2).

В итоге получится, что тепло от холодного тела перешло к горячему с полным сохранением общей энергии и вообще без любых иных изменений в природе, что невозможно. Чем больше температура тела, тем большую часть отбираемого от него тепла можно преобразовать в работу. Можно и это положение доказать строго, что и делается при анализе теплового двигателя. Кратко пояснить это можно так.

В замкнутой системе между телами с температурами Т1 и Т2 мы помещаем рабочее тело, которое, получая тепло dq1 от тела 1 совершает работу dA и отдает тепло dq2 телу 2. Так работает любая тепловая машина. В случае идеальной машины у нас не будет потерь энергии и энтропия нашей замкнутой системы не возрастет. Чтобы энтропия замкнутой системы не изменилась у нас должно быть dq 1 /T 1 =dq 2 /T 2 =ds.

Здесь ds – равное по модулю и противоположное по знаку изменение энтропии каждого из тел. А по закону сохранения энергии: dq1=dq2+dA Тогда dA=dq1 –dq2=ds(T1-T2). Чем больше разница между температурами Т1 и Т2, тем больше и получаемая работа. Можно сказать, что температура тела определяет рабочий потенциал или сорт того тепла, которое это тело содержит и часть которого теоретически может преобразовать в работу.

Тело содержащее много тепла, но при низкой температуре содержит низкопотенциальное, "второсортное" тепло. Работы из него не извлечь. Ведь и температуру окружающей среды, близкую к Т2, мы не можем понизить. Гораздо лучше то тело (обычно, меньшее по массе), которое такое же количество тепла содержит при более высокой температуре. Из этого тела еще есть возможность добыть какую-то полезную работу.

Например, раскаленный конец термопары может некую часть подводимого тепла преобразовать в работу электрического тока. Такое же тепло, распределенное по еле теплому утюгу, превратить в работу уже практически невозможно. Тому же правилу подчиняется и энергия, переносимая при помощи излучения. Излучение Солнца, приходящее на землю, соответствует гораздо более высокой температуре, чем то же количество тепла, которое сама земля сбрасывает в космос, поддерживая свой тепловой балланс и не перегреваясь.

Потому солнечная энергия гораздо высшего качества, нежели теряемое землею тепло. Зеленые растения при фотосинтезе и используют эту высококачественную энергию. А использовать для фотосинтеза тепло остывающей по ночам земли они не могут. Этого требует второе начало термодинамики. В дальнейшем в курсе термодинамики показывается связь между энтропией и термодинамической вероятностью системы, то есть числом микросостояний элементов системы, с помощью которых реализуется данное макросостояние.

Чтобы понять сказанное, возьмем простой пример: сосуд, состоящий из двух половинок, разделенных проницаемой сеткой или просто воображаемой плоскостью. Поместим туда две одинаковых молекулы газа, черную и белую, которые могут свободно перемещаться из одной половины в другую. Конкретное макросостояние: обе частицы в левой половине – может реализоваться лишь одним микросостоянием: каждая из частиц именно там.

А другое макросостояние: в левой половине одна частица, – может реализоваться двумя способами: или белая частица находится там, или черная. Концентрация частиц или давление в левой половине (параметры макросостояния) не зависят от того, которая именно из двух частиц там находится. Для этих макропараметров важно только одна ли там частица, или две.

Итак, термодинамическая вероятность второго макросостояния равняется уже не 1, а 2. Иными словами равномерное распределение частиц по сосуду более вероятно, потому наблюдая за сосудом мы в среднем чаще будем видеть в каждой половине по одной частице, чем обе сразу в одной половине. Если же частиц будет много, например 10, то гораздо большим числом способов можно распределить их так, чтобы в обеих половинах их было примерно поровну (по 5 или 4 и 6)

– нежели чем все десять найти в одной половине (это последнее состояние можно осуществить лишь одним способом). Естественно на опыте мы будем видеть всегда преимущественно наиболее вероятные состояния. Оказывается что энтропия пропорциональна логарифму термодинамической вероятности системы. Потому и выполняется закон роста энтропии во всех замкнутых системах, где есть какое-то количество случайно движущихся частиц.

Система стремится к наиболее вероятному состоянию, а это и есть максимум энтропии. Таким образом, энтропия оказывается мерой хаоса в системе. В распределении молекул по кинетической энергии наиболее вероятно некое среднее состояние, чем состояние, при котором половина молекул более энергична, а другая – менее. Вот и получается, что тепло переходит от горячего тела к холодному и температура выравнивается.

С нагреванием тела, энтропия его растет, и беспорядок в движении его частиц увеличивается. При охлаждении же напротив, появляется больше порядка. Особенно это заметно при кристаллизации веществ, когда частицы выстраиваются строго в определенном порядке, образуя кристаллическую решетку. Энтропия такого тела снижается, за счет того, что оно отдало тепло другому телу, которое стало более беспорядочным.

И в целом второе начало термодинамики требует, чтобы в замкнутой системе беспорядок неуклонно нарастал. Понятие энтропии, хотя и не вводится в школьной программе, но знать его на самом простом уровне интересно и важно даже школьнику, ибо оно понадобится нам при разговоре о происхождении жизни. ТЕПЛОВАЯ СМЕРТЬ ВСЕЛЕННОЙ Применение второго начала термодинамики ко всей Вселенной вкупе с законом необратимости ядерных превращений приводит нас однозначно к выводу о конечных сроках жизни Вселенной.