Удобнее всего показать это графически (рис. 3.7). Слева условно в виде прямоугольников изображены исходные состояния (до проведения процесса), справа — конечные (после его завершения). Размеры каждого прямоугольника, показывающего состояние системы, соответствуют ее энергии; по закону сохранения энергии их площадь в конечном состоянии равна начальной. Чем меньше энтропия S системы, тем более эта система упорядочена. Линиями со стрелками на рисунке показано возможное направление протекания процессов; переход в обратном направлении невозможен.

Первый процесс — переход из одного полностью организованного состояния 7), соответствующего нулевой энтропии (обозначено штриховкой), в столь же упорядоченное состояние (2). Характерными примерами устройств с такими процессами могут служить механический редуктор, электрический трансформатор или двигатель. В предельном случае каждый из них может полностью преобразовать механическую работу или электроэнергию в работу или электроэнергию с другими, нужными характеристиками. Если же в системе будут потери (трение, тепловыделения от электронагрева), то переход системы в новое состояние будет сопровождаться некоторым возникновением энтропии (случай 2). Чем больше потери, тем больше будет ее значение (S'₂ > S₂ > S₁ = 0).

Может быть и так, что система в исходном состоянии характеризуется некоторой энтропией S₁, отличной от нуля (случай 3). Она может перейти как в состояние с такой же энтропией S₂ = S₁, сохранив исходный уровень неупорядоченности (идеальный процесс), так и в любое состояние с большей энтропией S'₂ > S₂ (реальный процесс).

Может быть и так (случай 4), что из одной системы образуются две (или из одного потока энергии два). Тогда полученная сумма энтропии должна либо быть равной исходной (идеальный процесс, S'₂ + Sʺ₂ = S₁), либо превышать ее (реальный процесс, S'₂ + Sʺ₂ > S₁). В этом последнем случае возможна, в частности, и ситуация, при которой один из конечных результатов процесса (часть системы или поток энергии) будет характеризоваться меньшей энтропией, чем исходное состояние. Но такое «облагораживание» (уменьшение беспорядка) в одной части неизбежно компенсируется равным или еще большим ростом энтропии в другой части. Здесь одна часть «выбивается в упорядоченные» за счет другой части, но в конечном результате общая энтропия опять вырастет.

Наконец, пятый случай. Здесь вначале либо имеются две системы с разной энтропией, либо подводятся два потока энергии: один в упорядоченной форме (S'₁ = 0, работа), а другой — в неупорядоченной (Sʺ₁ > 0, теплота). В результате получается система (или поток энергии) с общей энтропией S₂, большей (в реальном процессе) или равной (в идеальном) энтропии Sʺ₁.

Нетрудно видеть, что все технические устройства, созданные человеком, преобразуют энергию по одной из описанных схем (или их сочетаниям). О первой и второй мы уже говорили. Третья соответствует многочисленному классу процессов, в которых перерабатываются потоки разного уровня неупорядоченности без существенного участия безэнтропийных, упорядоченных потоков энергии (работы, электроэнергии). К ним относятся многие химико-технологические процессы и другие, в которых участвуют в основном потоки вещества и теплоты.

Примером четвертого случая может служить тепловая электростанция, вырабатывающая электроэнергию (S = 0) и отдающая непревращенную теплоту с большей энтропией в окружающую среду.

Наконец, пятому случаю соответствует тепловой насос. К системе подводится работа (S'₁ = 0) и теплота из окружающей среды Sʺ₁ > 0, а отводится теплота при более высокой температуре с энтропией S₂ > Sʺ₁. Все случаи преобразования энергии, в которых превращение по схемам 2-5 шло бы не слева направо, а справа налево, относятся к нереализуемым: они невозможны, поскольку энтропия уменьшается. Все вечные двигатели второго рода, которые мы будем рассматривать в дальнейшем, сводятся в конечном счете к одной из этих невозможностей.

Все сказанное в этой главе о принципе Карно, порядке и беспорядке, об энтропии и ее статистической трактовке показывает, что второй закон термодинамики, запрещающий ppm-2, нельзя опрокинуть доводом о том, что он «не всеобщий, поскольку статистический». Всюду, где действуют физические законы статистической природы (а все возможные, вернее, невозможные варианты ppm-2, как и вся техника, действуют именно в этих условиях), второй закон незыблем. Житейское правило (особенно хорошо известное женщинам), что беспорядок из порядка всегда возникает сам по себе, а наведение порядка всегда требует затраты работы, здесь оправдывается в полной мере.

Однако в запасе у идеологов ppm-2 есть еще три «мощных» довода против второго закона. Один из них связан с философско-космологическими проблемами — это опровержение теории «тепловой смерти Вселенной». Опровергая эту теорию, сторонники ppm-2 пытаются низвергнуть и второй закон. Другой довод — это существование жизни, которая, по их мнению, тоже опровергает второй закон.

Третий довод далеко не такой глобальный, как первые два: он относится к области техники. Сторонники ppm-2 считают, что уже существует техническое устройство, действие которого наглядно опровергает второй закон термодинамики. Это, как ни странно, — тепловой насос, о котором мы уже упоминали. Поэтому нельзя перейти к разбору конкретных образцов ppm-2 без того, чтобы не коснуться как первых двух, казалось бы, далеких от энергетики вопросов, так и третьего, прямо к ней относящегося, — о тепловом насосе.

Первая часть второго закона термодинамики — положение о существовании энтропии и ее неизменности в обратимых процессах — не вызывает теперь ни у кого сомнений.

Иная ситуация сложилась с другой частью этого закона — положением о неизбежном возрастании энтропии в реальных, необратимых процессах. Дискуссия по поводу принципа возрастания энтропии и границах его применимости началась с того самого момента, когда Клаузиус его сформулировал. Дело в том, что он не ограничил область применения закона возрастания энтропии изолированными системами конечных размеров, а распространил его действие ни много, ни мало на всю Вселенную! Это неизбежно приводило к очень далеко идущим выводам.

Клаузиус писал об этом так: «Работа, могущая быть произведенной силами природы и содержащаяся в существующих движениях небесных тел, будет постепенно все больше и больше превращаться в теплоту[58]. Теплота, переходя постоянно от более теплого к более холодному телу и стремясь этим выравнивать существующие различия в температуре, будет постепенно получать все более и более равномерное распределение и наступит также известное равновесие между наличной в эфире лучистой теплотой и теплотой, находящейся в телах. И, наконец, в отношении своего молекулярного расположения тела приблизятся к не которому состоянию, в котором, что касается господствующей температуры, совокупное рассеяние будет возможно наибольшим». И далее: «Мы должны, следовательно, вывести заключение, что во всех явлениях природы совокупная величина энтропии всегда может лишь возрастать, а не уменьшаться, и мы получаем поэтому как краткое выражение всегда и всюду совершающегося процесса превращения следующее положение: энтропия Вселенной стремится к некоторому максимуму.