Стремление к беспорядку

Итак, если молекулы «предоставлены самим себе», если на молекулы не действуют мешающие их тепловому движению силы, то наиболее вероятным является беспорядочное распределение молекул.

Значит ли это, что самопроизвольные отклонения от беспорядка невероятны? Следует ли отсюда, что существует «стремление» к беспорядку? Да, следует.

Чтобы это стало ясным, поставим два вопроса. Первый из них: можно ли заморозить воду нагреванием? Конечно, нельзя, ответит любой из нас. Но почему? На первый взгляд вопрос кажется бессмысленным, однако только на первый взгляд. Ведь в каждом частном явлении мы ищем проявления общих законов природы, которым подчиняется окружающий нас материальный мир. Какой же закон природы «запрещает» самопроизвольное замораживание воды нагреванием? Может быть, закон сохранения энергии? Нет, этот закон может быть соблюден в интересующем нас бессмысленном процессе. Можно представить себе сосуд с водой, поставленный на массивную электрическую плиту, раскаленную до 300°С, и далее такое явление: плита раскаляется до 400°С, а вода в сосуде замерзает. В этом невозможном событии закон сохранения энергии не нарушен. Вода отдала тепло, а плита его получила. Поэтому объяснение невозможности названного явления надо искать в чем-то другом.

Задумаемся о молекулярном механизме передачи тепла. Известно, что в более нагретом теле молекулы движутся более быстро, чем в холодном. В соприкосновении тел с различной температурой чаще всего более медленные молекулы одного тела будут сталкиваться с более быстрыми молекулами другого тела. И вот оказывается, что через некоторое время результатом этих столкновений будет выравнивание средних скоростей молекул в соприкасающихся телах.

Опишем теперь молекулярное состояние этих соприкасающихся тел до и после выравнивания температур. Если в ящике лежат белые и черные шары, то беспорядочным будет такое распределение шаров, при котором вероятности вынуть белый или черный шар будут одинаковыми в любом месте ящика. Но мы уже знаем, что порядок и беспорядок могут осуществляться в отношении любого признака (например, магнитный порядок). Поэтому можно говорить и о порядке или беспорядке в значениях средних скоростей молекул. Беспорядочным является такое состояние, когда средние скорости молекул во всех точках пространства одинаковы. Таким образом, два находящихся в соприкосновении нагретых до разных температур тела с молекулярной точки зрения не представляют собой беспорядочного распределения частиц.

Мы приходим к выводу, что переход тепла от тела менее нагретого к телу более нагретому это переход от беспорядка к порядку. Но ведь беспорядочное состояние обладает наибольшей вероятностью. Значит, переход от беспорядка к порядку будет переходом от более вероятного к менее вероятному состоянию. Поэтому обычно такие процессы не наблюдаются. Второй вопрос будет таким же ясным, как и первый. Может ли маховое колесо раскрутиться «само по себе»? Конечно, нет. Чтобы завертеть колесо, нужна энергия. Представим, что колесо раскручивается, а в помещении, где находится «машина», падает температура. Ведь в этом случае механическая энергия вращающегося колеса берется не из ничего, а возникает за счет тепла. С точки зрения закона сохранения энергии и в этом явлении нет ничего бессмысленного.

Невозможность получения механической энергии за счет охлаждения среды вовсе не очевидна. Очень много изобретателей тратили время на попытки создания двигателя, работающего за счет охлаждения воды океанов. Но такой двигатель построить нельзя. Нельзя за счет одного лишь охлаждения внешней среды заставить вращаться маховые колеса, привести в движение станки. Нельзя т.к. процесс самопроизвольного перехода тепла в механическую энергию невероятен. Понизить температуру среды означает уменьшить энергию хаотического, беспорядочного движения молекул среды в энергию вполне упорядоченного движения атомов металла. Опять переход беспорядочного расположения молекул в упорядоченное оказывается невозможен. Итак, тепловое движение молекул направлено к беспорядку в расположении молекул, к беспорядку в направлении их скоростей.

В ящик насыпан мешок черных зернышек, а затем мешок белых зернышек. Возьмем лопату и начнем перемешивать зерна. Зерна будут перемешиваться, так же как молекулы тепловым движением. Вскоре зерна перемешаются, и, взяв наудачу горсть зерен, мы найдем в них примерно равные количества белых и черных. Порядок перешел в беспорядок. Сколько бы ни продолжалось размешивание, мы никогда не добьемся рассортировки зерен. Напротив, более или менее равномерное распределение зерен будет устойчивым состоянием. В отношении молекул такое состояние называется тепловым равновесием. В состоянии теплового равновесия скорости молекул газа распределены в соответствии с законом Максвелла и не имеют преимущественных направлений.

Стремление к беспорядку в расположении молекул объясняет многие явления, рассматриваемые выше, и прежде всего процессы диффузии. Что заставляет молекулы куска сахара, брошенного в стакан чая, двигаться вверх (а ведь молекулы сахара тяжелее молекулы воды) и равномерно перемешиваться с водой? Стремление к беспорядку. Что заставляет атомы цинка проникать в медь, когда пластинки этих двух металлов прижаты друг к другу? Стремление к беспорядку.

Не учитывая этого закона природы, мы не сможем ничего понять в явлениях фазовых переходов, в явлениях устойчивости фаз. Если молекулы вещества могут создать несколько расположений, то при прочих равных условиях имеет преимущество то расположение, которое дает возможность «развернуться» тепловому движению, помогает осуществить стремление к наиболее свободному, т. е. наиболее беспорядочному движению.