Что такое энергия?

     Хотите узнать ответ на этот вопрос? Задайте его своим знакомым и близким – вы узнаете много интересного. Например, «Энергия – это свет и тепло», «Энергия – это то, что мы едим», «Энергия – это космические лучи», «Энергия – это то, чего у меня нет»… В повседневных разговорах и беседах можно услышать: «Вы сегодня полны энергии!», «Ваш спектакль подавил меня своей энергией», «Жестокая борьба в мире за невозобновляемые источники энергии продолжается». Школьник может сказать: «Существуют различные формы энергии: энергия кинетическая, потенциальная, тепловая, химическая, электрическая, но закон сохранения энергии утверждает, что энергия никогда не создаётся и не уничтожается, она может только переходить из одной формы в другую».

     Житель другой планеты, случайно попавший на Землю и не знающий нашей терминологии, из всех этих разговоров может, по-видимому, понять только одно: видимо, энергия – это какая-то неуловимая сущность, перетекающая из одного тела в другое. Давайте поможем ему разобраться, в чём здесь дело.

     Открываем физическую энциклопедию. Читаем: «Энергия (от греческого energia – действие, деятельность) – общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Понятие энергии связывает воедино все явления природы». Понятно?

     Думаю, что инопланетянина, если он не философ, это определение удовлетворить не может. Он наверняка подумает, что это – злоупотребление терминами, специально для этого созданными. Рациональный ум требует более ясной интерпретации, большей конкретизации.

     Можно видеть, что без термодинамики здесь не обойтись. Чтобы понять, какой смысл вкладывает физика в понятие «энергия», необходимо знать не только первый (закон сохранения энергии), но и второй закон термодинамики, который связан с другой важнейшей физической величиной – энтропией. Рудольф Клаузиус ярко и сжато сформулировал два начала термодинамики:

     1 – Энергия Вселенной постоянна (Die Energie der Welt ist constant).

     2 – Энтропия Вселенной стремится к максимуму (Die Entropie der Welt strebt einem Maximum Zu) (Это не совсем корректная формулировка законов термодинамики, но она удобна для запоминания). Арнольд Зоммерфельд добавил к этому не менее образно:

• Закон сохранения энергии играет в мире роль бухгалтера.
• Закон возрастания энтропии играет в мире роль директора, указывающего направление его развития.

     Лорд Кельвин (Вильям Томсон) интерпретировал второй закон термодинамики как принцип деградации энергии. По Кельвину существуют ступени качества энергии. Энергия высокого качества (high grade) – это механическая и электрическая энергия. Энергия среднего качества – это химическая энергия. Энергия низкого качества – это тепло.

     В замкнутой изолированной системе общее количество энергии остаётся неизменным. Преобразования энергии или химические реакции внутри системы не изменяют качества энергии при обратимых процессах. Необратимые процессы понижают качество энергии. Она при этом деградирует.

     Качество энергии может быть точно определено через отрицательную энтропию. Согласно второму началу термодинамики, энтропия всегда убывает.

     Кельвин назвал отрицательную энтропию негэнтропией (сокращение для negative entropy).

     Если в систему обратимо втекает количество тепла Q при температуре T, то энтропия возрастает на Δ S = Q / T. Если, T =0, то S =0 (третий закон термодинамики). Полученное системой тепло Q равно сумме совершённой системой работы A и изменения её Δ U внутренней энергии: Q = A +Δ U (первый закон).

     При обратимых изменениях полная энтропия всех частей системы не изменяется, при необратимых – всегда возрастает: Δ S ≥0 (второй закон).

     Рассмотрим две соприкасающиеся системы a и b, которые могут обмениваться работой и теплом. Будем считать, что система ab изолирована от своего окружения. Поскольку ΔU_a=−ΔU_b, первый закон термодинамики даёт: A_a−Q_a+A_b−Q_b=0. Из второго закона следует, что ΔS_a+ΔS_b≥0. Здесь индексами a и b отмечены величины, относящиеся к системам a и b . Приведём несколько примеров.

     Пример 1. Поток тепла от горячего тела к холодному. Имеем: T_a>T_b,; Aa=0, Ab=0, (работа не совершается). Это означает, что Qa=-Qb, Qb>0. Второй закон термодинамики даёт: ΔS_a+ΔS_b=Q_b(1/T_b−1/T_a)>0.

     Общая энтропия возросла: это необратимый процесс.

     Пример 2. Сухое или вязкое трение.

     Пусть T_a=T_b=T (однородная температура), работа совершается телом a, тепло выделяется в теле b. Тогда A_a>0, Q_a=0, A_b=0, Q_b>0; A_a-Q_b=0; ΔS_a+ΔS_b=Q_bT=A_aT>0.

     Общая энтропия возросла. Это тоже необратимый процесс.

     Негэнтропия N =− S характеризует качество энергии и всегда должна убывать. В этом сущность кельвиновского принципа деградации энергии.

     Изолированная система обладает негэнтропией, если она может совершить механическую или электрическую работу. Негэнтропия может быть использовано для получения механической работы, совершаемой системой, или она может быть просто рассеяна и потеряна вследствие теплопроводности.

     Если, например, система состоит из различных частей с различными температурами, она содержит некоторое количество негэнтропии. Разность давлений в различных частях системы является другим примером негэнтропии. Разность электрических потенциалов представляет ещё один пример. Любое устройство, которое может производить энергию высокого качества (механическую работу) или деградировать в результате какого-либо необратимого процесса (теплопроводность, электропроводность, трение, вязкость), есть источник негэнтропии.

     В своей замечательной книге «Что такое жизнь с точки зрения физики» Эрвин Шредингер подчёркивает важность отрицательной энтропии. Если живой организм нуждается в пище, то лишь из-за негэнтропии, которую он может получить из пищи. Она необходима для компенсации потерь энергии на совершённую механическую работу или вследствие процессов деградации её в живом организме. Энергия, содержащаяся в пище, не имеет существенного значения, так как она сохраняется и никогда не теряется. Фундаментальную роль играет именно негэнтропия.

     Эту идеологию можно выразить другими словами. Введём в рассмотрение так называемую свободную энергию Гельмгольца F = U − TS.

     Заметим, что свободная энергия убывает, если возрастает энтропия. Можно показать, используя первый закон термодинамики, что в в обратимых процессах работа системы A =−Δ F − S Δ T. А обратимых изометрических процессах Δ T =0 и A =−Δ F. Это означает, что убыль свободной энергии в изотермических процессах равна работе, совершённой системой.

     Употребляемое в повседневной жизни понятие энергии очень близко к понятию свободной энергии.

     Свободная энергия не сохраняется. Потери её неизбежны. Именно этим обусловлен мировой энергетический кризис.