Эта статья является конспектом материала посвященного энергии и энтропии из книги «Битва при черной дыре». Энергия способна менять свою форму. Кинетическая, потенциальная, химическая, электрическая, ядерная и тепловая – это лишь некоторые формы энергии. Она постоянно переходит из одной формы в другую, но одно неизменно: полная сумма по всем формам энергии никогда не меняется.

Рассмотрим пример. Поднятие массивного объекта, например, камня на возвышенность. Прежде чем приступать к поднятию, можно подкрепиться едой. После поднятия камня отпускаем его и под действием гравитации он скатывается вниз. Следовательно, химическая энергия (еда) превращается в потенциальную энергию, а затем в кинетическую. Но что же происходит с кинетической энергией, когда камень скатился и остановился? Она превращается в тепловую, часть из которой ушла в атмосферу, часть – в землю. Полный цикл: химическая ⇒ потенциальная ⇒ кинетическая ⇒ тепловая.

Эйнштейн показал, что масса – это энергия. Утверждая это, он имел в виду, что каждый предмет содержит скрытую энергию, которую можно извлечь при изменении его массы. Например, ядро урана спонтанно распадается на ядро тория и гелия. Вместе они весят чуть меньше, чем исходный уран. Этот избыток массы превращается в кинетическую энергию ядер тория и гелия, а также в несколько фотонов. Когда атомы замедляются, а фотоны поглощаются, избыток энергии становится теплом.

Из всех самой загадочной выглядит тепловая энергия. До появления современной молекулярной теории теплоты физики и химики считали ее субстанцией, поведение которой похоже на жидкость. Представляли, что она перетекает от горячих объектов к холодным, охлаждая горячие и нагревая холодные.

Но тепло – это форма энергии. Чтобы это представить, давайте проведем мысленный эксперимент. Если сжаться до размеров молекулы в горячей воде, то можно увидеть, как молекулы воды хаотично и быстро сталкиваются друг с другом. Если вода начнет остывать, то молекулы станут двигаться медленнее. Если охладить до точки замерзания, то молекулы соединяться в кристалл твердого тела. Но даже в этом случае они колеблются. В случае отведения всей энергии молекулы прекращают колебаться (если не брать в счет квантовые флуктуации) и в этом случае температура достигнет абсолютного нуля по Кельвину или минус 273,15 градуса по Цельсию.

Принцип сохранения энергии при ее превращениях между разными формами называется первым началом термодинамики.

Энтропия

Представим ржавление машины со временем. Рано или поздно если ее не трогать, она вся превратится в кучу ржавчины. Однако она никогда не превратится обратно в работающую машину. Это и есть рост энтропии. Второе начало термодинамики говорит, что энтропия постоянно возрастает. Но что же это такое?