Вечный двигатель

Живая природа и второй закон термодинамики

Вторым, на первый взгляд убедительным доводом, пред­назначенным для ниспровержения всеобщей применимости второго закона, служит утверждение, что существование жизни на земле противоречит ему. О том, что жизнь — «антиэнтропийный процесс», ведущий к «концентрации», «облагораживанию» энергии, пишут не только защитники ррт-2. Они не сами это придумали, а просто ссылаются на то, что написали некоторые философы, см. например [3.11]; находятся даже и биологи [3.12, 3.26], проповедую­щие такие теории, не говоря уже о специалистах из других областей науки, тоже попутно затрагивающих эту инте­ресную тему. Как всегда в таких случаях, авторы приво­дят большое количество соответствующих цитат из трудов классиков науки, где так или иначе говорится об энтропии и жизни. Действительно, если жизнь антиэнтропийна, то нет никаких принципиальных запретов на создание ррт-2 на основе взятых из биологии принципов.

Вот что пишет по этому поводу в предисловии к книге П. К. Ощепкова [3.1] проф. П. Остроумов: «...Да и среди не­посредственно окружающего нас мира мы наблюдаем явле­ния, в которых хаос уступает порядку, где также, хотя и временно, наблюдаются как бы отступления от законов ста­тистики, а теория вероятностей требует углубления и рас­ширения. Это — явления в живой природе. Здесь второй закон в его примитивной форме применим далеко не все­гда. Невольно возникает мысль: нельзя ли искусственно со - здать механизм, упорядочивающий статистическое тепло­вое движение частиц, воспроизводящий функции живого организма хотя бы лишь с энергетической стороны».

Если опустить весьма неопределенные, но «ученые» сло­ва, не имеющие конкретного содержания, вроде «времен­ного отступления от законов статистики», «примитивной формы второго закона» и «углубления и расширения тео­рии вероятностей», то остается достаточно четкий тезис: живая природа демонстрирует нам антиэнтропийные про­цессы, противоречащие второму закону; познаем их и сде­лаем на их основе ррш-2!

Если это так, то нужно внять призывам Остроумова и Ощепкова и развернуть усилия энергетиков в этом много­обещающем направлении; если же это не так и живая при­рода подчиняется второму закону, то следование их при­зывам бессмысленно и ведет в тупик.

Итак, что же происходит с энтропией в живой при­роде? Чтобы разобраться в этом, нет никакой необходимо­сти вести специальные исследования: вопрос давно решен и нужно только познакомиться с соответствующей литера­турой. Наиболее четко существо дела изложено в неболь­шой, но очень весомой классической книжке известного физика А. Шредингера «Что такое жизнь с точки зрения физика» [1.8]. В 1984 г. вышла в значительной степени посвященная этой же теме научно-популярная работа чл.- корр. АН СССР К. К. Ребане [1.10]. Мы подойдем к изло­жению вопроса не столько с физических, сколько с более конкретных инженерно-термодинамических позиций, имея в виду конечную цель, связанную с ррш-2.

Составим для этого прежде всего в общем виде энерге­тический баланс, характерный для растений, а затем такой же для животных. Такой баланс можно представить доста­точно надежно, если не углубляться в существо сложней­ших биологических процессов, а ограничиться входящими и выходящими потоками энергии.

На рис. 4.3 представлена схема материального (потоки вещества) и энергетического балансов растения, основан­ных на законах сохранения массы и энергии. Чтобы со­ставить такие балансы, окружим растение так называемой замкнутой контрольной поверхностью (штриховая линия), чтобы учесть все входящие и выходящие потоки. Если хотя бы один из них ускользнет от учета (или, наоборот, бу­дет учтен тот, который через контрольную поверхность не проходит), баланс станет неверным. Тогда никаких мало-

Вещества вещества Рис. 4.3. Схемы материального (а) и энергетического (б) балансов растения

Материальный баланс будет иметь вид

М2 + М4 + М5 - (М3 + м6) = ДМ0.

Это уравнение показывает: все, что получает растение (М2 + М4 + М5) за определенный отрезок времени, за вы­четом того, что оно отдает (М3 + Мб) идет на приращение АМо его массы, связанное с ростом. Аналогичное уравне­ние получится и для энергии:

W1 + W2 + WA + W5 - (W3 + We) = А^о.

Здесь A Wq — прирост внутренней энергии растения, опре­деляемый увеличением его массы при росте.

Чтобы установить, нарушает эта система второй закон термодинамики или нет, нужно проверить, что происхо­дит с энтропией в процессе жизнедеятельности растения: увеличивается она или уменьшается?

Очевидно, что живая ткань растения более высоко струк­турно организована, чем поступающие из воздуха пита­тельные вещества. Поэтому при образовании такой ткани

(с массой ДМо) ее энтропия будет несомненно меньше, чем суммарная энтропия исходных веществ (СО2, Н2О и питательных веществ почвы). В этом смысле образова­ние и накопление живой ткани растения и поддержание ее существования будет, несомненно, антиэнтропийным про­цессом. Но никак нельзя забывать, что одновременно не­избежно меняется энтропия потоков вещества и энергии, проходящих через контрольную поверхность. Здесь по­лучается обратная картина (рис. 4.3): суммарная энтропия выходящих потоков (3 и 6) неизбежно оказывается много большей, чем входящих (7, 2, 4 и 5). Это объясняется тем, что энтропия поглощаемого солнечного излучения1 срав­нительно невелика, так же как и поступающих из почвы минеральных солей; энтропии газов — кислорода и СО2 — близки по значениям. Зато энтропия водяного пара, отда­ваемого листьями, относительно велика (примерно в 3 раза больше, чем у воды). В результате энтропия потоков, про­ходящих через контрольную поверхность, возрастает на­много больше, чем снижается энтропия веществ, превра­щающихся в органическую ткань.

Если первую величину — прирост энтропии — обозна­чить через AS", а вторую (уменьшение энтропии) — через AS", то оказывается, что всегда AS" ^ AS".

Следовательно, в целом энтропия неизбежно возрастает на величину

AS = AS' - AS" > 0.

Другими словами, растения только потому могут расти ан- тиэнтропийно, что «сбрасывают» избыток энтропии в окру­жающую среду; при этом прирост энтропии в ней намного больше, чем снижение ее в самом растении. Поэтому все рассуждения об «антиэнтропийной природе растительной жизни», о «нарушении второго закона термодинамики» со­вершенно неверны. Они основаны на неполном учете всех величин, определяющих общее изменение энтропии, под­мене точного анализа и расчета общими рассуждениями.

Если взять другую часть органического мира — живот­ных, то здесь наблюдается та же картина. Животные, пи­лоток излучения, как и всякий поток энергии, тоже характеризу­ется определенной степенью беспорядка (разные частоты и другие ха­рактеристики колебаний частей спектра). Только монохроматическое когерентное излучение (например, лазера) полностью упорядочено и (как и работа) характеризуется нулевой энтропией.

Таясь растениями (или другими животными), а также по­глощая воду и кислород воздуха, выделяют СО2, теплоту и продукты, получаемые в результате переваривания пищи. Энтропия всего того, что выделяется, намного больше эн­тропии того, что поглощается. В результате уменьшение энтропии, происходящее как при образовании новых ор­ганических тканей и отмирании старых, оказывается на­много меньше, чем общий прирост энтропии. Животные тоже «сбрасывают» излишнюю энтропию в окружающую среду, развивая или поддерживая таким путем свою вну­треннюю высокоорганизованную малоэнтропийную струк­туру. В целом энтропия опять неизбежно растет. Очень наглядно проиллюстрировал это положение Э. Шредингер, о котором мы уже упоминали. Он писал так: «Энтропия кошки уменьшается за счет того, что возрастает энтропия системы «кошка + мышь»; т. е. то, что получается из мыши после того, как кошка ее съест и переварит, имеет значи­тельно большую энтропию, чем мышь».

Таким образом и с другой, биологической стороны опро­вергнуть второй закон тоже не удается. Остается еще одна, последняя возможность — создать техническое устройство (или найти готовое), которое действовало бы вопреки вто­рому закону термодинамики. Лучше всего, конечно, было бы, если бы такая система была двигателем и производила работу; но это в конце концов необязательно. Для дока­зательства достаточно только указать любую систему та­кого рода, поскольку возможность ее, существования одно­значно определяет и возможность создания действующего ррш-2. В последнем параграфе этой главы мы рассмотрим одно такое устройство — тепловой насос, принцип дей­ствия которого уже обсуждался на стр. 125. По мнению многих сторонников «энергетической инверсии», он своей работой наилучшим образом опровергает второй закон тер­модинамики.

Прежде чем приступить к разбору теплового насоса, по­лезно проделать небольшую работу по ознакомлению с од­ним термодинамическим методом, который позволяет про­сто и наглядно определять, может ли работать любое пред­ложенное устройство с точки зрения второго закона термо­динамики, и если может, то какова его термодинамическая эффективность. Это не только очень удобно для анализа теплового насоса, но и позволит дополнительно рассмо­треть роль второго начала термодинамики в биологии.