Энтропия как мера некачественности энергии

Первый закон термодинамики — закон сохранения энергии — похож на добросовестного бухгалтера, который сводит количественный баланс, не вмешиваясь в решения, принимаемые хозяином фирмы и не оценивая их с точки зрения, так сказать, качества капитала. Однако каждый понимает, что обменять деньги на эквивалентное количество, скажем, старых калош довольно легко, а вот обратная операция потребует усилий и вряд ли обойдется без финансовых потерь. Несмотря на то, что стоимость калош может быть эквивалентной потраченной сумме, такой качественный показатель, как ликвидность, у них гораздо ниже, чем у денег.

Разные формы энергии также обладают разным качеством.

О качестве энергии легче всего судить по легкости ее превращения в другие формы.

Не представляет проблемы, например, превращение энергии электрического тока в равное количество тепловой энергии. Для этого достаточно взять простейшее устройство — утюг или кипятильник, — и воткнуть вилку в розетку. Превращение электрической энергии в тепловую пойдет со стопроцентной эффективностью. Обратная же задача — превратить тепловую энергию в электрическую — гораздо сложнее. Для ее решения необходимо построить сложную и дорогостоящую тепловую электростанцию. На электростанции теплота, выделяющаяся при сжигании топлива, идет на нагревание воды, которая превращается в пар, который крутит турбину, которая вращает ротор генератора, который, наконец, вырабатывает электрический ток. В итоге же оказывается, что даже самая лучшая тепловая электростанция превращает в электроэнергию не больше 40% тепловой энергии сгорания топлива. И дело тут не в нерадивости инженеров, проектировавших и строивших станцию, а в том, что сама природа не позволяет добиться большего. Просто тепловая энергия — это энергия, менее качественная, менее «лик­вид­ная», чем электрическая.

Можно выстроить иерархию различных форм энергии по ее качеству. На верхних ступенях, кроме электрической, находится, например, механическая энергия. Именно благодаря этому кпд гидроэлектростанций, которые используют механическую энергию падающей воды, гораздо выше, чем у тепловых — до 98%. Чуть ниже по качеству химическая энергия, заключенная, например, в бензине или в аккумуляторах. Самым низким качеством обладает энергия тепловая, причем качество ее тем ниже, чем ниже температура тела.

Открытие энтропии дало возможность от общих рассуждений о качестве энергии перейти к его точной количественной характеристике. Установлено, что если система обладает запасом энергии U, то в полезную работу можно превратить не весь этот запас, а лишь его часть, которая называется свободной энергией:

.

Свободную энергию F и следует считать мерой качества энергетического запаса системы. Видно, что она тем меньше, чем больше энтропия S. Поэтому

Энтропия системы является мерой некачественности ее энергетического запаса.

С учетом этого закон возрастания энтропии можно сформулировать так:

Энергетический запас замкнутой системы, оставаясь неизменным количественно, с течением времени неуклонно ухудшается качественно.

Энергетические проблемы цивилизации заключаются не в том, чтобы найти источник энергии для удовлетворения потребностей человека, а том, чтобы найти источник энергии высококачественной. Будь иначе, мы могли бы буквально черпать энергию из океана. Действительно, в океанах Земли находится 1,3×10²¹ литров воды. При охлаждении каждого литра воды на один градус он отдает 4200 джоулей теплоты. Это означает, что если бы можно было тепловую энергию полностью превратить в электрическую, то достаточно было бы ежегодно охлаждать океан всего лишь на 0,0002 °C, чтобы полностью покрыть все современные энергетические потребности человечества, составляющие около 10²¹ джоулей в год. Идея кажется тем более заманчивой, что практически вся производимая электроэнергия, в конечном счете, превращается в тепло, нагревающее тот же океан. Она, однако, неосуществима: запасы энергии океана действительно огромны, но его свободная энергия, которую можно превратить не в тепло, а в полезную работу, очень низка из-за высокой энтропии. Поэтому строительство сложных, дорогих и экологически грязных электростанций оказывается, в конечном счете, гораздо выгоднее.