Qbik-club
Дата публикации:Автор:Теги:

Как обойти второй закон термодинамики

Изучая физику, вы узнаете кучу разных законов. Что нельзя из ничего создать энергию, нельзя разогнаться быстрее света... Вроде бы сплошные запреты, что неприятно. Но с другой стороны, всё это позволяет понять, как работает наша Вселенная. А для тех, кому соблюдать законы слишком скучно, есть и такой, который можно нарушить. Если, конечно, хорошо постараться. Имя ему — второй закон термодинамики.

Как обойти второй закон термодинамики

Если изложить его самыми простыми словами, то он гласит, что система никогда не станет более упорядоченной сама по себе. Количество беспорядка будет только увеличиваться или оставаться неизменным. Это один из столпов физики. Он показывает, как должно вести себя всё на свете — от автомобильных двигателей до галактик. Однако, если присмотреться, то можно увидеть, что этот закон просто создан для того чтобы его нарушать. А в случае с нанотехнологиями это и вовсе может привести к самым замечательным достижениям.

Что такое беспорядок

Что для вас беспорядок? То, что в спальне у самых младших членов вашей семьи? Он на кухне? В метро в час пик? Ученые представляют его немного иначе. Они измеряют количество беспорядка энтропией. Её можно рассматривать как меру невзаимосвязанности, как степень упорядоченности частей системы, но также можно высчитать в количестве энергии, которая недоступна для извлечения. Представьте себе двигатель автомобиля. Независимо от того, что происходит вокруг, он всегда превращает некоторую часть топлива в отходы, например, тепло. Это бесполезная энергия, так как она не может быть использована в полезных целях — чтобы, допустим, продвинуть автомобиль ещё на какое-то расстояние вперед. Согласно второму закону термодинамики, чем дольше работает мотор, тем больше бесполезной энергии он вырабатывает. Иначе говоря, он увеличивает энтропию.

Наблюдение за чем-то похожим, собственно, и привело к открытию второго закона термодинамики. Он был обнаружен в 19 веке, и объектом, которым показал его, был паровой двигатель. С тех пор учёные убедились, что данная концепция применима ко всему. Из-за этого закона инженеры до сих пор не могут создать машину с КПД, равным 100%, а если взглянуть на него в максимально возможном масштабе, именно из-за увеличения энтропии во Вселенной рано или поздно должна закончиться вся энергия. Ну, и ещё один пример — только благодаря этому закону слой молока смешается со слоем эспрессо внутри вашего капучино, если вы забудете выпить этот вкусный напиток.

Лазейка

Поначалу обе жидкости смотрятся великолепно — аккуратно, художественно и мило, но потихоньку рисунок расплывается. И он не может стать отчётливее. Потому что это будет противоречить второму закону термодинамики, который гласит, что энтропия не может уменьшиться сама по себе. Даже если вы создадите порядок в одной части системы, то увеличите беспорядок в другом её месте, например, генерируя тепло. Однако, как бы категорично всё это ни звучало, в этом законе можно найти довольно приличную по размерам лазейку.

На самом фундаментальном уровне второй закон верен по той причине, что молекулы движутся случайным образом — благодаря своей тепловой энергии. И они перемещаются в произвольных направлениях. Это означает, что чисто статистически у них больше шансов оказаться неупорядоченными. Вспомните о капучино ещё раз. В нём огромное количество молекул. Около септиллиона на чашку. И у них всего несколько способов расположиться так, чтобы всё молоко находилось с одной стороны, а весь эспрессо — с другой. Так что если предположить, что каждая комбинация молекул столь же вероятна, как и любая другая, то шансы на увеличение упорядоченности капучино действительно крайне низки. Но ведь «крайне низки» — это не «невозможны», не правда ли? Это может случиться. А если взять и резко уменьшить количество частей системы? С септиллионов до пары десятков? Разве статистические шансы не повысятся?

Миниатюризация

В последние десятилетия ученые обнаружили, что у систем, содержащих до 100 частиц, небольшие случайные шансы на уменьшение энтропии есть. Один из самых крупных экспериментов был проведен в 2002 году. Австралийские исследователи опубликовали данные о снижении энтропии в скоплении находящихся в воде бусинок размером с микрометр. Случайное тепловое колебание молекул воды непрерывно толкало шарики, и в основном они, как ожидалось, перемещались случайным образом. Однако затем шаблоны движения рассмотрели внимательнее. Обнаружилось, что иногда, по чистой случайности, бусинки двигались в определенном направлении, причём с заметным ускорением.

То есть эти крошечные шарики превращали беспорядочную тепловую энергию воды в упорядоченную кинетическую энергию, которую при желании можно заставить работать. Совершенно бесплатно. Эффект сохранялся всего несколько десятых секунды, но он доказывает, что в небольших масштабах систему обмануть можно, пусть и ненадолго. Это была не единственная статья, посвящённая данной проблеме. В 2005 году группа учёных предположила, что уменьшение энтропии может быть достигнуто в рамках фотосинтеза. И уже совсем недавно появились описания, как этого эффекта можно достичь на квантовом уровне.

Так что учёные активно изучают этот вопрос. Пока их достижения, и это правда, кажутся малозначительными и несистематизированными, но подобные изыскания на самом деле очень важны. Сегодня бурно развиваются нанотехнологии. Различные двигатели, транзисторы и прочие полезные приспособления неуклонно миниатюризируются. Описываемая сегодня лазейка во втором законе термодинамики не означает, естественно, что человеку удастся создать крошечные машинки со стопроцентным КПД. Но она, вполне возможно, позволит получать энергию из среды, окружающей эти устройства. Или добиться немного иного движения их молекул. В любом случае, это будет просто замечательно. Уменьшить количество беспорядка — разве это не благородная цель?

Понравилась публикация?

0

Поделитесь ей с друзьями!

Так же рекомендуем...

Загрузка рекомендуемых публикаций

Управление фоном

Информационный портал Qbik использует файлы cookie для обеспечения наилучшей функциональности сайта. Подробности на этой странице. Находясь на сайте Вы автоматически соглашаетесь с этими правилами.

Понятно