Энергия жизни. От искры до фотосинтеза

Глава 1. УСИЛИЯ, КОТОРЫЕ МЫ СОВЕРШАЕМ

Человек всегда чувствовал разницу между собой и всеми остальными объектами окружающего мира. Практически в любой культуре человек считает себя венцом творения. Возможно, не столь значимым, как боги, демоны, ангелы и прочие сверхъестественные существа, но уж точно более главным, чем все, что можно увидеть своими глазами и пощупать своими руками.

Однако пропасть между человеком и всем остальным неоднородна. Одни предметы отличаются от человека больше, другие — меньше. Многие существа, как и человек, являются «живыми» и тем самым находятся гораздо ближе к нам, чем те, кому не посчастливилось обладать этим свойством.

С нашей, безусловно предвзятой, точки зрения, разделение на живое и неживое — самое принципиальное и важное разделение предметов Вселенной, которое только можно вообразить. А отличить одно от другого с обычной точки зрения (чем проще, тем лучше!) не составляет никакого труда. Камень посреди поля — конечно, неживой. А ящерка, пробежавшая по камню, — конечно, живая.

Как же мы их так легко различили? Ну, камень лежит неподвижно, и что бы с ним ни происходило — он никак не отреагирует. А ящерица быстро двигается и реагирует на все происходящее: на солнце, на голод, на опасность; она прячется в тени, отправляется на поиски пищи, ныряет в укрытие.

В общем, ящерицы, а также всякие воробьи и сурки легко причисляются к классу живых существ, потому что, в отличие от камней, они двигаются и действуют самостоятельно. Но как нам в таком случае провести границу между камешком и устрицей, между песчинкой и крошечным семечком? Уверены ли мы, что первые — неживые, а вторые — живые?

Да, уверены. Устрица, какой бы неподвижной она ни казалась на первый взгляд, может открывать створки своей раковины, втягивать воду, отфильтровывать из нее частички пищи, выбрасывать отходы. А семечку, хотя оно-то уж полностью недвижимо, достаточно лишь предоставить подходящие условия — почву, воду, соответствующую температуру, — и оно тут же примется за дело. Во все стороны из него потянутся ростки и корешки, и вскоре на свет появится растение. По сравнению с песчинкой семечко проявляет настоящие чудеса активности.

Но для того чтобы не просто терпеливо переносить все изменения в окружающей среде, а реагировать на каждое из них соответствующим образом, требуются усилия. «Совершение усилий» — достаточно тонкий момент, и я еще вернусь к нему более подробно, но пока давайте воспримем его в самом простом, «бытовом» понимании.

Так, нет никаких сомнений, что бег, лазанье, поднятие тяжестей — все это требует усилий. Мы тратим силы, даже если просто лежим на диване, — ведь мы раздвигаем грудную клетку с каждым вдохом и прогоняем пять литров крови по кровеносным сосудам с каждым ударом сердца. Наши почки и печень, как и другие органы, постоянно участвуют в деятельности, которая хотя и не является осознанной, но тоже нуждается в затратах энергии.

Даже самые малоподвижные растения совершают действия, которые необходимо признать усилиями, — цветы распускаются, ростки тянутся к свету, а корни — к воде.

Ни один камень, ни один неживой предмет не совершает усилий в том смысле, которое мы вкладываем в это слово, говоря о живых существах, даже самых простейших. Так что житейский опыт в итоге подталкивает нас к тому, чтобы признать главным признаком различения живого и неживого именно способность совершать усилия. Соответственно потеря этой способности и есть то, что мы именуем смертью.

Тогда для того, чтобы понять природу самой жизни, а главное, механизм работы совершенно особенного живого существа — человеческого организма, мы должны разобраться в том, что же вкладывается в понятие «совершения усилий». Именно этому вопросу и посвящена книга, которую вы держите в руках.

Если уж мы приняли умение совершать усилия за основное свойство живых существ, то следует задаться вопросом о том, чем же с этой точки зрения человек отличается от всех остальных.

Первое, что приходит в голову, — это то, что человек, как самое разумное из всех живых существ, организует свои усилия наиболее обдуманным и предусмотрительным образом. Человек может посадить зерна и бережно ухаживать за ними в течение многих месяцев, хотя никакого видимого эффекта его усилия вначале приносить не будут. Однако в конечном итоге эти усилия снабдят его достаточным количеством еды, чтобы пережить зиму, тогда как другим животным придется мигрировать, погружаться в спячку или переходить на голодный паек.

Эти ценнейшие усилия люди описывают разными словами: «работа», «труд», «дело», «занятие»… Физики выбрали для описания усилий, прилагаемых для получения результата, самое общеупотребительное слово — «работа».

Это был не совсем удачный выбор, потому что в естественном языке слово «работа» с психологической точки зрения далеко не нейтрально. Игра в теннис требует гораздо больших затрат усилий, чем раскладывание картотечных карточек в алфавитном порядке, но тем не менее последнее мы называем «работой», а первое — «развлечением», «игрой», «физкультурой», чем угодно, только не «работой». Опять же, человек может долго тужиться, пытаясь поднять тяжелый предмет, так и не поднять его в результате и рассказывать потом, как он «уработался».

В общем, ученым пришлось придумывать термину «работа» строгое математическое определение, которое было бы независимым от субъективной точки зрения. В частности, по этому математическому определению, как бы ни пыжился и ни потел человек, пытаясь поднять тяжелый груз, — если груз не поднят, то никакой работы с ним и не совершено.

Тот факт, что смысл слова «работа» в бытовом и в строго научном значении различен, многих новичков основательно сбивает с толку. Кажется, лучше было бы, если бы ученые взяли для использования какое-нибудь другое слово или придумали новое. Но — так уж сложилось. Позже я объясню подробнее, какое именно определение работы выдвинули физики, но пока нам достаточно будет и интуитивного понимания того, что работа — это результат приложения усилия.

Ученые посчитали нужным отметить отдельно и способности того или иного предмета совершать работу. Для определения этой способности было использовано слово «энергия». Оно происходит от греческого «энергос», что означает «деятельный». По строению своему греческое слово состоит из «эн» — «в, внутри» и «эргон» — «работа», то есть «энергию», таким образом, можно рассматривать как нечто, «внутри чего содержится работа». У энергии тоже есть точное математическое определение, но пока что нам, опять же, хватит и интуитивного понимания этого термина.

Энергия — это нечто, необходимое живому существу для осуществления усилий; но не только. Неживой предмет усилия совершать не способен, но обладать энергией — может. Нависший на краю скалы камень не способен совершить усилие для того, чтобы рухнуть вниз, но если его подтолкнет человек (или, скажем, ветер), то он может разрушить стоящий у подножия скалы дом. Это уже работа, а раз камень совершил работу, значит, он обладал энергией.

Таким образом, можно сказать, что ящерица и камень из примера, которым я начал эту книгу, различаются тем, что ящерица может переводить энергию, которой обладает, в работу по собственному усмотрению, а камень, какой бы энергией он ни обладал, не может перевести ее в работу без посторонней помощи.

Но давайте вернемся теперь, обогатив свой словарь такими понятиями, как «работа» и «энергия», к различию между человеком и другими формами жизни. Теперь мы можем отметить, что человек способен тратить энергию и производить работу ради отдаленного результата в некоем будущем.

Но является ли это уникальным отличительным свойством человека? Ведь и бобры строят плотины, и белки запасают орехи, и пауки плетут свои сети не для немедленного получения результата.

С нашей точки зрения, это совершенно разные вещи. Ни в одном из этих случаев, ни в одном из прочих примеров сложной деятельности животных и речи не идет ни о чем подобном человеческой предусмотрительности. Разница между действиями человека и животных столь очевидна, что человек автоматически заслуживает выделения в отдельный класс.

Но, повторюсь, так дело обстоит лишь с нашей точки зрения. Не является ли эта «очевидность» лишь проявлением предвзятости мышления и самооценки? Если некий инопланетянин возьмется изучать живой мир на Земле, увидит ли он какую-нибудь существенную разницу между пауком, ткущим паутину, и человеком, забрасывающим в море невод?

Было бы любопытно (и очень лестно) найти такое различие между нами и всеми прочими существами, которое было бы физическим, конкретным и явно понятным даже самому отстраненному внеземному наблюдателю. Мы уже сделали первый шаг, попытавшись провести различие между собой и другими живыми существами по способу использования энергии. Попытаемся развить эту тему.

Для этого стоило бы вернуться, например, в те далекие времена, когда человек еще не так сильно отличался от животного, и попытаться найти тот момент, когда в процессе развития цивилизации безошибочно проявилось то самое принципиальное различие между человеком и остальными живыми существами. Тогда мы и увидим, что это за различие.

В процессе такого исследования нам придется еще глубже изучить значение «энергии» и «работы». А это, в свою очередь, даст нам лучшее понимание механизмов жизни, которую мы определили пока что лишь как «способность совершать усилия».

Давайте зададимся вопросом не о том, с какой целью человек тратит энергию (это было бы слишком сложно объяснить инопланетянину), а о том, каким образом он это делает.

Начнем с того, что человек может тратить энергию, совершая работу, лишь в некоторых ограниченных пределах. Если ему нужно один за другим перенести двадцать камней по двадцать пять килограммов каждый на другое место, метрах в ста отсюда, он сможет выполнить такую задачу. Человек при этом будет двигаться медленно и периодически отдыхать, чтобы организм успевал возобновить запас энергии в количестве равном потраченному. Так, правильно рассчитывая силы и не торопясь, человек способен перетащить практически любое количество таких камней на практически любое расстояние — естественно, в рамках разумного.

Но если все эти камни объединить в один полутонный валун, то ни один человек не сможет его сдвинуть. Организм человека не способен аккумулировать достаточное количество энергии и потратить ее настолько быстро, чтобы разом поднять камень весом в полтонны. Скорость расходования энергии ученые называют «силой». Таким образом, мы можем сказать, что у человека, хоть и имеется достаточно энергии, чтобы поднять груз в полтонны весом, если на то будет достаточно времени, тем не менее силы для единовременного совершения такого действия не хватает.

Все вышеописанное в равной мере относится и к человеку, и к другим животным, разницы между ними в этой ситуации никакой. Человек обладает большей силой, чем мелкие зверьки, типа кошки или мышки, и меньшей силой, чем, например, лошадь или слон. Любое животное, сколь велико бы оно ни было, обладает лишь ограниченной силой.

Всем живым существам пришлось разработать способы более эффективного использования имеющейся в их распоряжении энергии. Например, бесполезно было бы пытаться прокусить толстый слой мышц добычи двумя плоскими деснами. А вот если снабдить эти десны твердыми зубами с острыми концами, то вся энергия смыкающихся челюстей, сама по себе не увеличившись, будет теперь сосредоточена на этих остриях. В целом прилагаемое усилие остается таким же, но усилие на единицу площади возрастет многократно, и поэтому в точке контакта удается прорвать плоть жертвы. Таким образом, тигр, с его клыками и когтями, является страшным хищником, а крупная лошадь, располагающая большим, чем у тигра, запасом энергии, становится для него не более чем легкой добычей.

Живые существа выработали множество способов потрясающего увеличения эффективности использования своей энергии, обретая таким образом способность быстро бегать, плавать и даже летать. Но расход энергии живого существа всегда остается ограниченным.

Если организм того или иного животного не выработал способности эффективно использовать энергию для некоего определенного действия, на помощь ему может прийти использование внешних предметов («инструментов»). Среди животных (не считая человека) способность использовать инструменты не особенно распространена, но все равно примеров можно привести достаточно. Птицы способны разбивать скорлупу устриц камнями, а некоторые насекомые даже умеют заваливать туннели камушками. Однако человек и родственные ему вымершие виды человекоподобных существ настолько превзошли всех остальных животных в использовании посторонних предметов в своей деятельности, что все достижения других животных в этой области можно отмести и определить человека как «животное, использующее инструменты».

Важным этапом стал момент, когда первобытный человек перестал довольствоваться теми более-менее подходящими предметами, что попадались ему под руку (как это делают и животные), а принялся специально изготовлять камни с особенно острыми гранями и наконечниками.

Поскольку инструмент — это вещь, с помощью которой энергия, прилагаемая на входе, передается на выход в измененном (более полезном с практической точки зрения) виде, то инструмент можно назвать «машиной». Мы привыкли думать о машинах как о сложных и больших механизмах, но на протяжении многих тысяч лет человечество пользовалось крайне простыми машинами.

Одна из простейших машин — рычаг. Представим, что под полутонный валун подложили один конец перекладины, под которую, в свою очередь, подставили небольшой камень (рис. 1). Длинный конец перекладины торчит далеко наружу. Если вы начнете опускать длинный конец перекладины, то прилагаемое вами усилие будет переведено в подъем короткого конца. Примером рычага могут служить детские качели, где движение одного ребенка вниз является силой, поднимающей вверх второго, сидящего на противоположной стороне.

Рычаг изменяет направление прилагаемого усилия, и этого в принципе достаточно, чтобы счесть его машиной, но этим действие рычага не ограничивается. Путь, который проделывает, поднимаясь, короткий конец перекладины, в несколько раз меньше, чем путь длинного ее конца, поэтому сила[1], с которой действует короткий конец, возрастает во столько же раз. Произведение прикладываемой силы на проходимое концом рычага (его называют «плечом») расстояние равно на обоих его концах. Это и есть «принцип рычага», открытый впервые Архимедом — греческим математиком, который жил в III веке до нашей эры, хотя, конечно, и за тысячи лет до того люди использовали этот принцип на практике, пусть и не понимая его сути.

Если длинное плечо рычага в десять раз длиннее короткого, то, опустив дальний конец перекладины на 1 метр, вы, таким образом, поднимете камень на 10 сантиметров, то есть расстояние, на которое переместятся концы перекладины, будет различаться во столько же раз, во сколько различается длина плеч рычага. С другой стороны, во столько же раз, только в обратном отношении, будет различаться и сила на обоих концах рычага. К длинному концу достаточно приложить лишь одну десятую часть той силы, которая необходима для того, чтобы поднять камень, лежащий на коротком конце. Иными словами, если опускать длинный конец перекладины на 1 метр с силой 50 килограммов, то коротким концом удастся сдвинуть камень весом в полтонны на 10 сантиметров. Так следует из принципа, сформулированного Архимедом, — ведь если 1 метр умножить на 50 килограммов, то будет столько же, сколько если и 0,1 метра умножить на 500 килограммов.

Общее количество энергии, потраченной на обоих концах рычага, одинаково, но, перемещая 50 килограммов на расстояние 1 метра, мы не выходим за пределы человеческих возможностей по скорости приложения энергии, в отличие от задачи по подъему 500 килограммов хоть на 1 сантиметр. В последнем случае организм человека просто не успевает выработать необходимое для совершения действия количество энергии. Таким образом, применение рычага делает выполнимой задачу, решение которой без него было бы невозможно. Архимед высказался об этом весьма красноречиво: «Дайте мне точку опоры, и я переверну весь мир!»

На заре своей истории человек изобрел и другие простые машины, служившие одной цели — привести количество энергии, которое необходимо одномоментно приложить для решения задачи, к уровню реальному для человека. Среди этих изобретений — колесо, подъемный блок, клин, наклонные плоскости и многое другое.

Среди этих устройств не было и не могло быть таких, которые увеличивали бы общее количество энергии, доступное для использования человеком. Однако с помощью только таких механизмов древние египтяне построили свои пирамиды, а китайцы — Великую Китайскую стену. Конечно, для этого требовался и изнурительный труд десятков тысяч человек на протяжении десятилетий.

Если бы нашему инопланетному наблюдателю пришло в голову проследить за работой в каменоломнях и пустынях Египта и сравнить процесс медленного, камень за камнем, созидания Великой пирамиды с процессом построения насекомыми термитника, наверное, большой разницы он не увидел бы. Более того, термитник по отношению к отдельному термиту крупнее, чем пирамида — по отношению к человеку, так что результат труда термитов, возможно, произвел бы на инопланетянина большее впечатление. Да, человеку приходится самому изготавливать свои нехитрые инструменты, а термиту все необходимое дано от рождения, однако, возможно, инопланетянин счел бы подобное проявление величия человеческого разума моментом интересным, но не принципиальным.

Несмотря на все инструменты, изобретенные за десятки тысяч лет своей ранней истории, человек все еще оставался таким же ограниченным энергетическими возможностями собственного организма, как и термит. До принципиального различия между этими двумя видами живых существ мы до сих пор так и не добрались.

Для того чтобы выполнить больше работы за меньшее время, чем то способен сделать человек со своими ручными инструментами, требуется возможность расходовать за единицу времени больше энергии, чем может вырабатывать человеческий организм. Один из способов решения этой задачи — использование прирученных животных.

Когда именно человек впервые приручил животное — тайна, покрытая мраком множества веков.

Возможно, одомашнивание животных получилось из стихийно сложившихся союзов, когда животные определенных видов тайком поселялись возле стоянок первобытного человека, рассчитывая на то, чтобы поживиться пищевыми отходами; их могли приручать просто для забавы, из тех побуждений, что и сейчас порой манят детей к черепахам, жукам, крысам и прочим не самым симпатичным созданиям.

В конце концов человеку пришло в голову, что выращивать этих животных можно прямо в неволе, в результате их количество естественным образом увеличится и животных можно будет использовать в различных практических целях: мясо — в пищу, шкуру — на одежду, зубы и кости — на украшения и инструменты.

Таким же образом и, наверное, примерно в ту же историческую эпоху были «одомашнены» и растения — так зародилось земледелие. Разрозненные группки людей, прежде всего — охотников и собирателей, зависимых от прихотей судьбы, теперь принялись сами выращивать себе пищу, стали пастухами и земледельцами. Теперь территория племени могла прокормить гораздо больше людей, в первую очередь благодаря земледелию, и результатом стал взрывной рост численности человеческого населения.

А одомашненные животные, помимо прочего, оказались неплохими помощниками в работе. Те из них, что были крупнее человека и могли, соответственно, расходовать энергию более высокими темпами, оказались чрезвычайно полезными; они довольствовались более грубой пищей, чем та, что требуется человеку, а при должном обращении (например, будучи кастрированными) оказывались и более послушными и управляемыми, чем рабы-люди.

Самым распространенным в доисторические времена рабочим скотом были ослы и быки. Эти животные обладали первое в два, а второе в семь раз большим запасом энергии для совершения работы, чем человек. У лошадей этот показатель еще выше, но из-за своей анатомии они задохнулись бы, накинь им ремень с грузом на шею, а хомут придумали только приблизительно около 1000 года нашей эры. Лишь после этого стало возможным использовать лошадей для перевозки грузов.

А пока лошадей нельзя было использовать в качестве тяглового скота — зато можно было ездить на них верхом. Организм лошади гораздо лучше человеческого приспособлен к быстрому бегу, так что даже с человеком на спине лошадь развивает гораздо большую скорость, чем когда-либо мог сам человек. Лишь последнюю пару веков человек смог наконец-то путешествовать по суше быстрее, чем верхом на лошади.

Применение животных несколько увеличило запас энергии, имевшейся в распоряжении человека, но на самом деле не очень сильно, даже если учитывать таких крупных животных, как верблюды и слоны. Частично это объясняется тем, что за животными необходимо ухаживать, кормить их и тому подобное. Этим заниматься должен был человек, и на это тоже уходила часть энергии, которую он мог бы потратить на собственные нужды.

В использовании животных наш инопланетный наблюдатель увидел бы, возможно, лишь несколько более широкомасштабное и искусное применение навыков, свойственных и животным.

К примеру, морские анемоны иногда путешествуют, прикрепившись к раковине краба. Анемоны, неспособные к самостоятельному перемещению, от этого выигрывают, поскольку движение увеличивает их шансы найти себе пищу. Краб тоже получает выгоду от такого союза, поскольку стрекающие щупальца анемона удерживают хищников от того, чтобы напасть на краба. Более того, краб иногда питается крошками со стола анемона, которые тот роняет вниз.

Увидит ли наш инопланетянин принципиальную разницу между этим симбиозом и отношениями человека и лошади, когда первый ездит на второй верхом, а взамен предоставляет ей корм и защиту?

Думаю, мы так и не подобрались к принципиальному отличию человека от прочих живых существ.

Существует еще один способ высвобождать энергию быстрее, чем это может делать человеческий организм. Для этого необходимо обратиться к неодушевленным предметам.

Кажется не совсем очевидным, что неодушевленные предметы могут обладать энергией, но подметить это не так уж и сложно, если захотеть. Бурный поток воды перемещает попадающие в него предметы; если бы то же самое делал человек, это явно была бы работа. Вода и ветер, если разбушуются, могут сотворить больше разрушений, чем целая армия людей.

Со временем человек научился использовать и эти неодушевленные источники энергии. Реки несут вниз по течению тяжелогруженые корабли, а по морю, там, где нет течения, те же корабли влечет сила ветра, толкающего судно в предусмотрительно подставленные паруса. Энергию воды и ветра можно использовать и для вращения мельничных колес, которые растирают зерно в муку.

Понятно, что первобытного человека ставил в тупик факт присутствия такого количества энергии в неодушевленной природе. Непосвященному кажется, что энергия — это то же самое, что и способность совершать усилия, свойственная, как известно, только живым существам. Поэтому в глазах первобытного человека явно неживая материя тоже становилась живой, обретала душу; он придумывал демонов и богов, которые являли себя в грозах и бурях. Ветер становился дыханием этих сверхъестественных живых существ, а вода бурлила по их воле.

Однако еще задолго до того, как человек начал предпринимать первые робкие попытки приручить ветер и воду, в его распоряжении уже давно находился еще один мощный источник дополнительной энергии. Речь идет об овладении огнем, которое произошло не менее ста тысяч лет назад. Впервые огнем овладели не люди современного типа — их тогда еще не было, — а представители близких биологических видов, давно вымершие человекообразные.

Огонь существовал всегда, и любое наделенное чувствами существо впадало в ужас, когда во время грозы молния попадала в дерево и начинался лесной пожар. Это была катастрофа, все живое спасалось бегством в панике, но, видимо, некоторые из первобытных людей находили какой-то странный интерес в том, чтобы поиграть потом с небольшими горящими участками — остатками большого лесного пожара. Они подбрасывали в огонь веточки и наблюдали за пожирающими пищу языками пламени. (И сейчас всем родителям знакома та завороженность, с которой дети могут играть с огнем.)

Если за такой игрой первобытного человека застала ночь, то он наверняка по достоинству оценил тепло и свет от такого соседства. К тому же он мог заметить, что другие животные, пугаясь огня, не подходили к костру и к сидящему рядом человеку, что обеспечивало дополнительную защиту.

В конце концов человек рискнул «приручить» огонь. Он развел костер у себя на стоянке или в пещере и стал поддерживать его, чтобы постоянно пользоваться всеми новообретенными преимуществами. А уже потом со временем выяснилось, что если пищу (в первую очередь мясо) подогреть как следует на огне, то его становится гораздо легче есть, да и вкус еды меняется в лучшую сторону.

Но это еще не было «овладением огня». Просто поддерживать огонь недостаточно. Как внимательно за ним ни наблюдай, все равно рано или поздно он может погаснуть. Конечно, можно поддерживать несколько костров и, если погаснет один, снова разжечь его с помощью углей от второго костра. В принципе можно использовать угли и от костра с другой стоянки или даже от костра другого племени. Но это — не решение проблемы, а скорее способ избежать ее.

Так что истинное овладение огнем — это возможность разжигать огонь там, где его прежде не было. Оказалось, что если хоть искру пламени уронить на кучку предварительно хорошо измельченного легковоспламенимого материала, то получится именно то, что нужно! Для того чтобы получить саму искру, оказалось достаточно просто ударить друг о друга двумя подходящими камнями, а еще оказалось возможным добиться того же самого долгим трением вращающейся палочки о желобок или внезапным сжатием большого количества воздуха.

Какова бы ни была в том или ином случае техника, обретение возможности разжигать огонь и стало событием, ознаменовавшим истинное овладение огнем.

Так огонь стал воплощением сконцентрированной энергии. Теперь в распоряжении человека оказалось во много раз больше энергии, чем может вырабатывать его собственный организм. По этой причине овладение огнем можно назвать, пожалуй, самым главным достижением человека. Теперь человек мог забыть о том, как ограничен энергетический запас его организма и организмов прирученных животных.

И вот на этом месте даже наш инопланетный наблюдатель признает наконец четкую принципиальную разницу между человеком и животными. Вполне научно-практическое достижение в области использования энергии безошибочно выделяет человека (и его предков) из ряда прочих живых существ на планете. Никакие другие животные не предпринимали даже попыток овладеть огнем или хоть как-то использовать его, а что касается человека — то сейчас на земле нет ни одного племени людей, пусть самого примитивного, которое не владело бы огнем.

Глава 2. ПЛОДЫ ОГНЯ

Овладение огнем — не просто удобный признак для выделения человека из общего ряда живых существ. Огромное количество энергии, оказавшееся в распоряжении человека после овладения огнем, произвело коренные изменения в самом образе жизни человека.

И человек всегда понимал, сколь многим он обязан огню. У древних греков был миф о титане Прометее, который спас род человеческий от мучительного прозябания тем, что принес людям в дар огонь, урвав его у Солнца. Солнце вообще многими обожествлялось как квинтэссенция огня. В XIV веке до нашей эры Древним Египтом правил фараон Аменхотеп IV, который пытался ввести культ единого бога — Солнца и даже сменил свое имя на Эхнатон («угодный Атону», от имени бога Солнца — Атон). Правда, солнцепоклонничество в Египте не прижилось и закончилось вместе с жизнью фараона. Сам огонь, в его земной форме, обожествляли древнеперсидские зороастрийцы. Этот культ и по сей день исповедуют индийские парсы.

Древние скандинавы персонифицировали огонь в его злокозненной ипостаси — богом огня у них был Локи, этакий скандинавский аналог Сатаны. Зато у древних греков и римлян Гефест (Вулкан) и Гестия (Веста) ассоциировались с благотворным огнем кузнечного горна и домашнего очага. Весталки бережно поддерживали священное пламя, не давая ему угаснуть, — возможно, этот ритуал являлся отголоском тех давних времен, когда угасание единственного источника огня становилось катастрофой для племени.

Однако, несмотря на всевозможное поклонение огню, вряд ли многие осознавали, что постижение феномена огня — это путь к постижению основ Вселенной, а в частности — постижению природы жизни.

Сейчас я буду излагать историю огня. Начну я с описания того воздействия, которое он оказал на образ жизни человечества, но конечная цель этой части моего повествования — осмыслить само существование живых существ, так сказать, в свете Огня.

Сам факт наличия источника света и тепла, независимого от Солнца, предоставил человеку возможность выйти за пределы тропиков, до сих пор ограничивающие ареал распространения его ближайших родственников — крупных обезьян, в холодные края, где ночи длинны и темны, а зимой выпадает снег. В частности, именно обладание огнем позволило человеку пережить ледниковый период.

Мало того, возможность готовить еду на огне изменила и рацион человека, включив в него виды пищи, которые раньше были для людей совершенно несъедобными. К тому же огонь обеспечивал и дополнительную безопасность, отпугивая крупных хищников.

Именно огонь, и только он, превратил человека в существо творческое, научил создавать и сделал владыкой мира. И со временем значение огня не уменьшилось, скорее наоборот. Даже если взять последние два века, когда с момента овладения огнем прошло больше ста тысяч лет, и то открытие новых видов топлива и новых способов воспламенения привело к радикальным изменениям в жизни человека. Первым известным человеку топливом, несомненно, была древесина. Однако в XVII веке наиболее важным видом топлива стал уголь, а в XX пальма первенства перешла к нефтепродуктам.

Практически все то время, что человек владел огнем, огромные возможности последнего оставались почти неиспользуемыми; человек довольствовался получением от огня тепла и света. Лишь перед самым началом исторической эпохи человек вдруг выяснил, что от огня можно получить вполне материальные плоды. Речь идет о металлах.

Само знание о том, что существуют металлы, значения имело не больше, чем знание о существовании огня. Не раз, должно быть, за всю историю существования человечества то один, то другой индивидуум натыкался на блестящие камушки, не похожие по своим свойствам на другие камни. Так, камень, если им с силой бить по другому камню, трескается и крошится, а этот блестящий материал сминался, но оставался целым. Форму такого самородка можно было изменять, его можно было расплющить или придать ему другой необходимый вид. Понятно, что из такого материала в первую очередь стали делать украшения. И действительно, золотые и медные украшения находят в египетских гробницах, датируемых доисторическими временами.

Принципиально важным оказался тот момент, когда было сделано открытие, что металлы можно получать и из тех материалов, которые сами по себе совершенно не кажутся похожими на металл. Именно открытие способа создавать металл там, где его раньше вроде бы не было, и произвело революцию, как за много тысяч лет до того — открытие способа разводить огонь, там, где только что не было никакого огня.

Наверняка впервые металл был получен случайно. Медь образует довольно непрочные соединения с другими веществами, например с кислородом или серой, в результате чего получается камнеподобное вещество голубоватого цвета. Если куски такого вещества нагреть на огне среди углей, углерод перетягивает непрочно закрепленные кислород и серу к себе и связывается с ними; получившееся соединение улетучивается вместе с дымом, а в очаге остается чистая медь.

Сам по себе уголь не способен превращать камни в металл. Для этого необходимо сочетание угля и жара, которого первобытный человек мог добиться только с помощью огня. Поэтому медь, да и другие металлы древними воспринимались как дары огня. Со временем, когда достаточное развитие получила металлургия, широкое применение получили сперва бронза (сплав меди с оловом), а затем и железо, как материалы для оружия и доспехов.

Представьте себе, что какие-нибудь кочующие пастухи случайно развели костер на камнях, содержащих медь (на медной руде). Угли костра сделали свое дело, и, когда огонь погас, остроглазый пастух вдруг заметил среди пепла слитки меди. В конце концов, то, что произошло (возможно, много раз) по случайности, не могли не повторить нарочно, и всем стало ясно, что огонь можно использовать для того, чтобы выплавлять из камня металл. К 3500 году до нашей эры выплавка меди из руды стала уже вполне развитой отраслью на Ближнем Востоке.

Руды металлов встречаются не очень часто, но все же гораздо чаще, чем месторождения чистых металлов, так что только к 3500 году до нашей эры человечество впервые получило металлы в более-менее серьезном объеме. Теперь медь можно было использовать не только для украшений, которые стали доступны и простым людям, но и как материал для домашней утвари. Энергия огня обеспечила и другие достижения, возможно, менее значительные по сравнению с развитием металлургии, но все же достаточно важные, чтобы помнить о них. Так, с умением обжигать глину человек получил керамику, фарфор и строительный кирпич, а путем усиленного нагревания песка вместе с содой и известняком — стекло.

Средневековье принято считать эпохой упадка и деградации после великих дней расцвета греко-римской цивилизации. Однако именно в средневековой Европе был достигнут ошеломительный успех в области разработки источников энергии, отличных от обычного дровяного костра.

Так, греки Византийской империи (один из осколков былой Римской империи, существовавший в Средневековье) в VII веке нашей эры разработали некую горючую смесь, тайна состава которой была в дальнейшем утеряна. Смесь горела, будучи разлитой по воде, и водой это пламя погасить было невозможно. Для деревянных кораблей это оружие, получившее название «греческий огонь», представляло смертельную опасность, и с его помощью дважды были отбиты нападения осаждавших Константинополь в VII и VIII веках мусульман-арабов. В первую очередь победы были достигнуты за счет применения греческого огня против флота мусульман. Таким образом Константинополь еще на семь веков отстоял свое право быть христианским городом, пока в конце концов не пал-таки под натиском мусульман (на этот раз — турок) в 1453 году.

Но для горения греческого огня, как и любого другого горючего, требовался воздух (точнее, содержащийся в воздухе кислород).

Так что настоящая революция произошла с открытием пороха, для горения которого воздух уже не является необходимым. Каким-то образом (скорее всего, опять же благодаря случайности) выяснилось, что если смешать горючие вещества (уголь и серу) с селитрой (нитратом калия) и нагреть смесь, то произойдет мгновенное мощное возгорание, даже при отсутствии воздуха. Мы-то сейчас можем объяснить, что это происходит потому, что в нитрате калия уже содержится кислород, которого достаточно для реакции горения, но люди Средневековья этого знать не могли.

Кажется, впервые в истории орудия — конечно же самые примитивные — были использованы в 1346 году в битве при Креси. В последующие века значение артиллерии все возрастало; постепенно появлялось и индивидуальное огнестрельное оружие. Эти процессы изменили и саму структуру европейского общества.

Среди других великих изобретений эпохи Средневековья можно назвать компас, в котором использовалась энергия, именуемая «магнетизмом» (от названия греческого города Магнезия, в окрестностях которого греки находили первые природные магниты).

Именно с помощью компаса мореплаватели получили возможность ориентироваться в открытом море вдали от суши, даже тогда, когда тучи скрывали от них привычные ориентиры — Солнце и звезды. Появление этого прибора подтолкнуло человека к изучению океанов. Без компаса великие путешествия Колумба и последующих первооткрывателей, скорее всего, не состоялись бы.

Казалось бы, значение этих двух изобретений — пороха и компаса — настолько велико, что других равных им достижений в средневековую эпоху и искать бессмысленно. Однако мы все же вспомним еще одно, важнее и пороха, и компаса, хотя, в отличие от них, не имевшее прямого отношения ни к какому из видов физической энергии.

Приблизительно в середине XV века, когда Средневековье уже заканчивалось и на горизонте уже маячила современная эпоха (которую часто отсчитывают от открытия Колумбом Америки), немецкий монах Иоганн Гутенберг изобрел книгопечатный станок.

Ни одно изобретение за всю предыдущую историю человечества не получило такого мгновенного распространения. Не прошло и одного поколения, а печатное слово уже полилось потоком по Европе. Знания стали доступны каждому (по крайней мере, теоретически). Теперь ученые могли распространять свои мысли не через неторопливо передаваемые из рук в руки и долго переписываемые трактаты, а с помощью быстро разлетающихся печатных книг.

Для того чтобы сто лет спустя произошла революция в астрономии, недостаточно было одних идей Коперника. Для того чтобы коренным образом изменить представления об анатомии, мало было одних идей Везалия. Необходимо было кристаллизовать их представления в книгах (обе книги были напечатаны в один год — 1543) в таком количестве, чтобы с ними успели ознакомиться все ученые Европы прежде, чем власти спохватились и начали репрессии.

Книгопечатание стало как бы ферментом для развития знаний, оно высвободило некую мыслительную энергию. Появились новые воззрения о природе Вселенной — впервые в полном объеме их продемонстрировал итальянский ученый Галилео Галилей, и суть их заключалась в необходимости точного измерения всех физических явлений. На смену простому наблюдению в науку пришли количественные отношения, имеющие строгие математические выражения.

Разумеется, в новых условиях такие явления, как энергия и работа, тоже не могли не подвергнуться измерению. Так огонь, за сотню тысяч лет до того выделивший человека из мира животных, помимо применения, подвергся еще и изучению. Результатом этих научных опытов стали изменения в образе жизни человека, по сравнению с которыми померкли даже последствия изобретения пороха и компаса.

Овладение огнем принесло человечеству совершенно новые вещи — металлы, кирпич, стекло; если бы огня не было, человечеству пришлось бы обходиться без всего этого. Мышечная энергия никоим образом не может заменить огонь для получения всего вышеперечисленного. Однако, несмотря на все эти дары, в обыденной жизни человеку приходилось заниматься все той же работой — таскать, поднимать, толкать и рубить, и подмогой ему оставались разве что верные домашние животные.

Использование энергии неживой природы привело к появлению новых видов работы — опять же грубой работы мышц человека. Возьмем хотя бы водяные мельницы. Вода течет сверху вниз, и чем больше разница в высоте между этими «верхом» и «низом», тем быстрее поток и тем больше в нем энергии. А чем мощнее поток, тем активнее будут вращаться лопасти колеса, приводящего в движение мельничные жернова. Проблема в том, что речки, к примеру в Англии, как правило, тихие и спокойные. Чтобы добавить их течению энергии, воду необходимо поднять на определенную высоту, чтобы она уже оттуда падала на лопасти. А поднимать ее приходилось посредством все той же мышечной силы.

Проблема подъема воды приобрела большую остроту, когда в Англии стали рыть глубокие угольные шахты, которые необходимо было защищать от опасности затопления. Человеку пришлось задуматься над решением вопроса об откачке воды.

Это уже напоминало порочный круг. На подъем воды требуется затратить энергию, а лучшим способом получения этой самой энергии в те времена было как раз использование падающей воды. Для того чтобы разорвать круг, необходимо было полагаться на некий сторонний источник энергии: либо на непостоянный и ненадежный ветер, который вращает лопасти ветряных мельниц, либо на жестко ограниченные ресурсы мышечной силы людей или животных.

Однако в ходе работы над проблемой откачки воды ручными насосами родилось новое решение, позволившее не только разорвать порочный круг, но и вообще навсегда освободить человека от крупномасштабного физического труда.

По мере того как шахты становились все глубже и насосам приходилось выкачивать воду на все большее расстояние, выяснилось, что выше чем на 10 метров поднять ее просто невозможно, с какой силой и яростью ни налегай на ручку помпы.

Вопрос о том, чем же обусловлен такой предел возможностей насосов, пытался решить еще Галилео, но самому ученому сделать это не удалось. Зато его ученик, Эванджелиста Торричелли, вскоре после смерти учителя выдвинул предположение о том, что при работе насоса воду на самом деле толкает вверх вес воздуха, давящего на поверхность водного зеркала. В природных условиях давление воздуха на поверхность воды везде одинаково, но при использовании насоса в момент вытягивания поршня внутри насоса создается вакуум и равновесие нарушается. Внутри насоса воздух перестает давить на воду, а снаружи — давление продолжается с прежней силой. Поэтому по закону сообщающихся сосудов жидкость начнет перетекать в насос, и уровень воды в нем будет подниматься.

Однако, когда столб поднимающейся по трубе или шлангу воды достигнет высоты в 10 метров, его вес сравняется с весом воздуха, давящего на водную поверхность снаружи насоса, и вода перестанет подниматься дальше. Система снова придет в равновесие. Тогда жидкость менее плотную, чем вода, удастся поднять на большую высоту, а более плотную — не удастся поднять и на 10 метров.

В качестве материала для эксперимента, призванного проверить справедливость своей теории, Торричелли выбрал самую плотную из известных ему жидкостей, которая, предположительно, должна была прекратить подниматься, достигнув весьма малой высоты. Этой жидкостью была ртуть. И вот в 1643 году Торричелли залил жидким металлом стеклянную колбу длиной в 1 метр и в перевернутом виде опустил ее в чашу с ртутью, после чего открыл колбу под поверхностью ртути. Давления воздуха на чашу с ртутью оказалось недостаточным, чтобы уравновесить давление метрового столба ртути. Ртуть начала выливаться из колбы в чашу и остановилась лишь на отметке 30 дюймов (76,2 см).

На этом уровне ртутный столбик застыл, наглядно демонстрируя количественное значение силы давления воздуха. Над столбиком образовался вакуум, который до сих пор называют «торричеллиевой пустотой», и это был первый настоящий рукотворный вакуум (рис. 2). Торричелли изобрел барометр, который и по сей день используют в практически неизменном виде, измеряя с его помощью слабые перемены атмосферного давления и пытаясь на основе этих данных предсказать погоду.

Торричелли показал, что воздух имеет вес, а значит, может оказывать давление. На самом деле на уровне моря атмосферное давление составляет чуть более 1 кг/см², то есть на нас с вами оказывается давление весом около 22 тонн. Мы не чувствуем этого только потому, что давление воздуха одинаково во всех направлениях, и давление снаружи нас равняется давлению внутри нас — внутреннее и внешнее давление уравновешено.

Любому, кто сомневался в силе искусственно создаваемой разницы давлений, следовало бы побывать на демонстрации, которую устроил в свое время немецкий физик Отто фон Герике (по совместительству — мэр Магдебурга). Работа Торричелли очень заинтересовала фон Герике, и он разработал насос для откачки не воды, но воздуха. Поршни, приводимые в движение вручную, плотно прилегая к стенкам трубок, по которым двигались, захватывали в своих трубках и выталкивали наружу одну за другой порции воздуха из герметично запаянного контейнера (примерно так же, как это делает велосипедный насос, захватывая воздух из атмосферы и выталкивая его в камеру велосипеда) до тех пор, пока внутри воздух не становился настолько разреженным, что вполне мог сойти уже и за вакуум.

Вот что сделал фон Герике: он совместил воедино два металлических полушария, но не скреплял их при этом ни болтами, ни какими-либо иными застежками. В одном из полушарий при этом имелся клапан, через который насосом откачали воздух, так что внутри полушарий (впоследствии их будут называть «магдебургскими полушариями») образовался тот самый вакуум. После того как воздух откачали, полушария удерживало воедино только атмосферное давление — более килограмма на каждый квадратный сантиметр. Фон Герике хотел показать, как могуча сила атмосферного давления; с этой целью к каждому полушарию он прикрепил по упряжи, в которую запрягли по четверке лошадей (то есть всего восемь!) и дали им команду тянуть в разные стороны. Но разъединить полушария животным не удалось. Когда же внутрь состоящего из двух частей шара вновь впустили воздух, полушария развалились под собственным весом.

Вы и сейчас можете воспроизвести подобный эксперимент в уменьшенном масштабе, взяв резиновую присоску и налепив ее на гладкую мокрую поверхность.

В ходе одной из своих последующих демонстраций фон Герике использовал трубку, внутри которой находился плотно прилегающий к краям трубки поршень. Ученый выкачал воздух из трубки с одной стороны от поршня, и поршень пришел в движение, опускаясь в сторону вакуума, несмотря на все усилия пятидесяти здоровых мужчин, которые пытались удержать его на месте с помощью каната.

Все это, конечно, заставляло публику изумляться силе, заключенной в разнице давлений, но поскольку никакого практического использования подобной силе не было придумано, то и воспринимали ее как диковинку, и не более.

Необходимо было разработать способ образовывать вакуум с помощью чего-то более подходящего, чем мышечная сила. А ведь именно мышечная сила приводила в действие и помпы, откачивающие воду из шахт, и насосы фон Герике — да и наши биологические насосы, легкие, работают только благодаря ей. Да, фон Герике действительно показал, что один человек может с помощью ручного насоса получить силу, позволяющую ему перетянуть пятьдесят других человек, но для этого оператору насоса пришлось сначала очень долго поработать, откачивая воздух. Для промышленных масштабов такие темпы явно не годились.

Ответ был найден. Ключом к решению стал пар — обычный пар от кипящей воды. Тут необходимо сделать небольшое отступление.

В 1690 году французский физик Дени Папен обнаружил, что если пар от кипящего котла с водой впустить в сосуд, то он вытеснит из сосуда весь воздух, причем давление в сосуде останется поначалу таким же.

Но какова разница! Для того чтобы удалить из сосуда воздух, требуется приложить усилия и откачать его. А для того чтобы удалить пар — достаточно всего лишь остудить сосуд! И огромный объем пара конденсируется в виде нескольких капель воды, а в сосуде останется практически полноценный вакуум. В качестве источника энергии для всего процесса достаточно некоторого количества древесины, которая, сгорев, вскипятит воду, в результате чего появится пар. Больше не требовалось никакого физического труда, никакого утомительного откачивания воздуха вручную. Кроме того, с помощью ручного откачивания воздуха создание вакуума занимает долгое время, а в сосуде, наполненном паром, вакуум можно создать за несколько секунд, плеснув на его горячие стенки стакан холодной воды.

Папен даже сконструировал механизм, в котором созданный им вакуум вытягивал поршень вниз под действием атмосферного давления и сам, в свою очередь, поднимал вверх воду. Применить это устройство как насос на практике было, конечно, нельзя, но факт его существования доказал, что воду в принципе можно поднимать с помощью вакуума, созданного из пара.

Несколько лет спустя, в 1698 году, английский военный инженер Томас Севери разработал и первое практическое устройство, работавшее по такому принципу. Получившимся из пара вакуумом он поднимал воду на максимально возможный уровень, а затем использовал пар и по-другому: он добился такого высокого давления пара в замкнутом контейнере, что выпущенная из него струя пара могла подтолкнуть поднятый водяной столб еще выше. Главная проблема применения машины Севери заключалась в том, что нагнетание высокого давления в сосудах, созданных с использованием технологий конца XVII века, было делом весьма опасным. Всегда оставался немалый риск того, что сосуд взорвется и работники погибнут. Поэтому устройство Севери хоть и использовалось, но не очень широко, так как риск себя не оправдывал.

Однако еще десять лет спустя английский кузнец Томас Ньюкомен (вряд ли зная о существовании машины Севери) придумал насос, тоже работавший за счет свойств пара при атмосферном давлении. Сосуд наполнялся паром, затем остужался, потом еще раз наполнялся паром и опять остужался, и так постоянно. Иначе говоря, это был аналог ручного насоса, действовавший по принципу, открытому Папеном, где ручной труд по откачке воды заменяла энергия горящей древесины или угля.

Нагнетание высокого давления в этом механизме не использовалось, и благодаря своей сравнительной безопасности машина Ньюкомена стала очень популярной на шахтах, где постоянно требовалось откачивать воду. В 1778 году в одном только Корнуолле работало более семидесяти машин Ньюкомена.

Однако машина Ньюкомена работала медленно и к тому же крайне неэффективно. Топлива ей требовалось очень много, и больше 99 процентов энергии при ее работе просто терялось. В 1760-х годах английский гражданский инженер Джон Смитон доработал машину, удвоив ее эффективность (впрочем, и удвоенная, она оставалась все еще слишком низкой). Однако главный недостаток машины Ньюкомена состоял в ее чрезмерно узкой специализации. Ее нельзя было использовать ни для чего больше, кроме откачки воды.

Требовалось что-то большее, и вот на сцене появляется Джеймс Уатт.

В 1765 году шотландскому механику Джеймсу Уатту принесли в ремонт машину Ньюкомена. Он ее, конечно, починил, но даже после этого все равно остался недоволен работой устройства. Все воскресенье Уатт расхаживал в раздумьях, и вот ему показалось, что он нашел источник проблем с эффективностью. Ведь как работает механизм? Сначала пар нагревает стенки сосуда, потом сосуд охлаждается для получения вакуума — пока все правильно. Но вот уже на следующем цикле пар попадает в охлажденный сосуд и конденсируется на стенках. Лишь когда какое-то количество пара отдаст свое тепло стенкам сосуда, тогда сосуд нагревается настолько, что пар, попадая в него, остается паром. Таким образом, с каждым циклом огромное количество топлива тратится только на ликвидацию последствий действия холодной воды из предыдущего цикла — охлаждения стенок сосуда.

Уатт решил добавить еще один сосуд — «конденсатор», в который следовало впускать пар. Конденсатор следовало всегда оставлять холодным, а первый сосуд, «цилиндр», — всегда горячим. Таким образом, два процесса, нагрев и охлаждение, пере^: стали мешать друг другу. К 1769 году Уатт уже создал работающую паровую машину, эффективность которой была гораздо выше, чем у любой из разновидностей машины Ньюкомена. Более того, поскольку при новой схеме исчезли долгие промежутки, требующиеся для нагрева сосуда между циклами, машина Уатта работала не только эффективнее, но и быстрее.

Уатт придумал и воплотил еще немало рационализации — например, пускать пар по очереди по обе стороны поршня. Раньше давление воздуха быстро толкало поршень в одном направлении, а затем постепенное нагнетание пара медленно двигало его обратно. Когда Уатт стал чередовать пуск пара по обе стороны поршня, атмосферное давление стало одинаково быстро толкать поршень в обе стороны, и эффективность машины в целом возросла еще больше. К 1790 году машина Уатта полностью вытеснила устаревшую машину Ньюкомена, и к 1800 году в Англии работало около пятисот машин Уатта.

Уатта принято считать изобретателем паровой машины. В строгом смысле слова это, конечно, не так. Однако подобную славу ему обеспечило не усовершенствование машины Ньюкомена, а тот факт, что Уатт оказался первым, кто сумел сделать из парового механизма нечто большее, чем просто насос. В 1780-х годах он разработал несколько устройств, в которых циклическое поступательное движение поршня преобразовывалось во вращательное движение колеса, и тем или иным образом паровой механизм стал использоваться для самых различных целей. Одними из первых его стали применять железолитейщики для раздувания мехов и снабжения энергией молотов, дробящих руду. Таким образом, паровая машина стала первым из так называемых сегодняшних «основных двигателей» — то есть общих способов извлекать энергию из ее природного состояния и использовать для работы механизмов. Так началась промышленная революция.

Паровую машину еще двести лет после Уатта постоянно дорабатывали и усовершенствовали. Однако в наши дома промышленная революция вошла не напрямую благодаря паровой машине, а через посредничество электричества.

О том, что электричество, как и пар, может содержать в себе энергию, люди знали еще в древности. Но в те времена это воспринималось как любопытная диковинка, не более. Только к 80-м годам XIX века были разработаны методы получения постоянного тока с помощью металлов и химических веществ. Для ученых такой электрический ток был крайне важным достижением, но получать его удавалось лишь в незначительном объеме, и для широкомасштабного использования электричество оставалось слишком дорогим.

В 1831 году английский ученый Майкл Фарадей открыл новый способ производства электрического тока. Он обнаружил, что если между полюсов магнита поместить медный диск, то при вращении этого диска (скажем, вручную) производится электрический ток. Так был изобретен электрогенератор. Оставалось только обеспечить генератору постоянное вращение силой воды или пара, чтобы получить много дешевого электрического тока без какого бы то ни было ручного труда.

Примерно в то же время американский физик Джозеф Генри обнаружил, что можно заставить электрический ток вращать колесо, и изобрел, таким образом, электромотор.

В итоге через несколько десятилетий доработок и усовершенствований стало возможным снабжать жилые дома дешевым электричеством благодаря Фарадею и использовать это электричество с помощью электромоторов благодаря Генри.

Ближе к концу XIX века выяснилось, что электрический ток состоит из частиц, которые можно перебрасывать через вакуум, точно контролируя силу и направление переброски с помощью электрических полей. Открытие этих частиц, получивших название «электроны», привело к появлению уже привычных нам электронных устройств, таких как радио или телевидение.

Если сравнить состояние, в котором пребывало человечество в 1750 году, сначала с каменным веком, а потом с современностью, то неизбежно приходишь к выводу, что, какое бы значение ни имели перемены, произошедшие до 1750 года, последние двести пятьдесят лет принесли изменения еще более радикальные и заметные.

Логично сделать вывод, что изо всех ключевых открытий, совершенных человеком за всю историю его существования, самыми важными были открытие огня и изобретение паровой машины. Первое вручило человеку ключ к энергии горения, второе научило использовать этот ключ для решения множества стоящих перед людьми задач.

Лично я вообще считаю, что история человечества — это в большей степени история развития способов использования энергии, а не список деяний королей и завоевателей.

Глава 3. ИЗМЕРЯЕМОЕ ДВИЖЕНИЕ

В новом научном подходе, выдвинутом Галилео Галилеем незадолго до 1600 года, ничего не говорилось напрямую о развитии прикладных аспектов использования человеком энергии. Так что это развитие можно считать случайным побочным продуктом общей теории.

Ученым этот новый, количественный подход был нужен в первую очередь для удовлетворения своего любопытства касательно принципов устройства Вселенной. Разумеется, если по ходу дела удавалось открыть или изобрести что-нибудь практически полезное — тем лучше.

Начали исследователи с изучения и измерения энергии в ее различных формах — в формах, которые человек и ранее использовал, не понимая их природы, как уже упоминалось. И то, что им удалось обнаружить, оказалось применимым не только к неживой природе, которую ученые столь кропотливо исследовали, но и к самому человеку.

Одним из самых очевидных видов энергии является движение, ведь именно движение напрямую переводится в деятельность, именуемую работой. Движение лопаты, вгрызающейся в землю, движение топора, срубающего ствол дерева, движение транспорта, перевозящего грузы, движение тарана, сокрушающего стену крепости, — все это наводит на мысль о неразрывной связи между движением и работой. Энергию движения принято называть кинетической энергией, от греческого слова, означающего движение.

В 1580-х годах Галилей провел ряд экспериментов с движущимися телами. Точных часов тогда еще не существовало, и ему приходилось выдумывать собственные способы измерения времени, например считать количество капель, вытекающих из сосуда с водой, или количество ударов собственного пульса. Для измерения времени движения свободно падающих тел такие методы не годились, поэтому Галилею пришлось вместо этого изучать движение шаров, скатывающихся вниз по наклонной плоскости. Уменьшая наклон плоскости, ученый добивался уменьшения скорости движения объектов до приемлемой. В остальном движение скатывающихся шаров вполне соответствовало движению падающих вниз предметов.

Результаты его опытов были систематизированы лишь сто лет спустя английским ученым Исааком Ньютоном, который представил миру то, что мы сейчас знаем как три закона Ньютона.

Первый закон основывался на наблюдении Галилеем того факта, что если пустить гладкий шар катиться по ровной гладкой поверхности, то его скорость уменьшается очень медленно, и тем медленнее, чем более ровной и гладкой будет поверхность.

Формулировка первого закона Ньютона гласит: «Всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного движения, пока его не вынуждает к изменению этого состояния приложение внешних сил».

Но если по ровной поверхности шар катится (в идеальном случае) с неизменной скоростью, то с шаром, скатывающимся по наклонной поверхности вниз, а тем более — со свободно падающим предметом, дело обстоит иначе. Такие тела, как показали опыты Галилея, подвергаются ускорению, то есть по мере движения вниз их скорость постоянно возрастает. Путем точных измерений Галилей показал, что скорость таких тел возрастает прямо пропорционально времени, прошедшему с момента начала движения шара, а проходимое за единицу времени расстояние пропорционально квадрату этого времени.

Для любого изменения сложившейся ситуации требуется приложить усилия. Это, кажется, понятно любому. Чтобы сдвинуть предмет с места, необходимо приложить усилия. Чтобы остановить движущийся предмет, тоже нужно приложить усилия — чтобы понять это, достаточно попробовать бросить или поймать бейсбольный мяч.

Таким образом, любое изменение состояния, описанного в первом законе Ньютона, любое изменение скорости предмета или направления его движения является ускорением, и для его совершения требуется приложение силы. Каждый знает, что быстро летящий мяч поймать труднее, чем летящий медленно, и что бросить мяч так, чтобы он летел быстро, тоже сложнее. Однако каждый знает и то, что тяжелый предмет труднее остановить (и наоборот — сдвинуть с места), чем легкий. Гораздо легче остановить рукой мячик для настольного тенниса, чем летящий с такой же скоростью бейсбольный мяч. Свойство тела, характеризующее его способность ускоряться под действием заданной силы, называется «массой». Первым ясное представление о массе высказал Ньютон. Чем больше масса, тем меньшее ускорение может произвести заданная сила.

Общее представление о действии некоторой силы мы можем получить и из бытового опыта, но только благодаря количественным измерениям, произведенным Галилеем, Ньютон смог сформулировать свой второй закон, гласящий: «Сила, прилагаемая к телу, приводит к ускорению этого тела, прямо пропорциональному величине приложенной силы и обратно пропорциональному массе тела». Математическим языком это выражается так: а = f/m, или f = та, где f — сила, а — ускорение, а m — масса.

Луна хоть и движется непрерывно, но траектория ее движения — не прямая, а замкнутая кривая вокруг Земли. Скорость Луны подвергается постоянному ускорению, поскольку направление ее движения постоянно меняется, значит, на нее столь же постоянно должна действовать некая сила. Поскольку эта сила изменяет направление движения Луны в сторону Земли, то логично сделать вывод, что источник этой силы тоже находится где-то на Земле.

Ньютон сумел показать, что на Луну в ее небесных странствиях действует та же сила, что и на падающее на землю с постоянным ускорением яблоко. Таким образом, стало ясно, небесные тела управляются теми же законами природы, что действуют и здесь, на Земле, — стало быть, законы эти едины для всей Вселенной (по крайней мере, насколько мы ее знаем).

Ньютон предположил, что сила притяжения, влекущая яблоко к земле с равномерным постоянным ускорением и удерживающая Луну на замкнутой орбите вокруг Земли, является частным проявлением общего закона, по которому любой предмет во Вселенной притягивает все остальные предметы во Вселенной (закон всемирного тяготения).

Тогда ученый на основе выведенных им законов (включая третий, гласящий, что «каждое действие встречает равное ему по силе противодействие», пример практического применения которого мы видим всякий раз, когда в космос запускается очередная ракета) рассчитал, что такая всеобщая сила притяжения должна быть прямо пропорциональной массам обоих задействованных тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между их центрами:

Оказалось, что открытый Ньютоном закон всемирного тяготения хорошо объясняет движение различных небесных тел. С его помощью представление о Вселенной стало простым и понятным. Для современной науки это стало важным достижением, навсегда освободившим человечество от благоговения перед достижениями древнегреческих авторов.

Правда, в XX веке была выдвинута другая, более сложная теория строения Вселенной, лучше объясняющая некоторые явления, относящиеся к сфере сверхмалых и сверхбольших частиц. Изменения произошли и в самой концепции силы и притяжения, а также и в концепциях движения, пространства и времени. Тем не менее для подавляющего большинства практических целей вполне достаточно и теории Ньютона.

После того как представление о количественном измерении движения прочно закрепилось в научном сознании, родился закономерный вывод, что работа тоже должна поддаваться измерению. Раз приложение к телу силы выводит его из «естественного состояния», то проще всего показалось измерить количество проделанной работы, умножив приложенную силу на то расстояние, на которое тело было перемещено против какого бы то ни было сопротивления.

Для того чтобы измерять такие явления, как сила и работа, требовалось введение новых, специализированных единиц измерения. Сами эти единицы многим незнакомы, но они выводятся из всем известных единиц измерения массы, расстояния и времени. Ведь все знают, что расстояние измеряется в метрах, сантиметрах и километрах, а масса — в граммах, килограммах и тоннах.

(Массу часто путают с весом, поскольку они имеют одинаковые единицы измерения, а массу определяют таким образом, чтобы ее единица на уровне земной поверхности соответствовала единице веса. Однако на самом деле вес — это то действие, которое оказывает на предметы сила земного тяготения, и по мере удаления от центра земли он уменьшается.

Масса же определяет сопротивляемость тела ускорению под действием заданной силы и никакого отношения к силе земного тяготения не имеет. Соответственно на Луне, где сила тяготения в шесть раз меньше, чем на Земле, предмет, весящий у нас шесть килограммов, будет весить всего один, но при этом масса его все равно будет равна шести килограммам. По весу предмет будет казаться легче, но придать ему заданное ускорение на Луне будет так же тяжело, как и на Земле.)

Скорость — это показатель, описывающий перемещение предмета в заданном направлении за некий промежуток времени. Основными принятыми в науке единицами скорости являются сантиметры в секунду и метры в секунду.

Ускорение — это изменение скорости, происходящее со временем. Предположим, что скорость некоего предмета равномерно увеличивается. Если сейчас он движется со скоростью 1 см/сек, то секунду спустя его скорость будет уже 2 см/сек, еще через секунду — 3 см/сек и т. д. Каждую секунду его скорость возрастает на 1 см/сек, то есть мы можем сказать, что предмет этот движется с ускорением 1 сантиметр в секунду в секунду, или 1 см/сек/сек.

С такими записями позволительно обращаться так, как если бы это были простые математические формулы. То есть, рассматривая см/сек/сек как a/b/b, мы можем привести его к виду a/b ÷ b, то есть а/b х 1/b, или а/b². Точно так же 1 см/сек/сек можно записать как 1 см/сек² («сантиметр на секунду в квадрате»). Или если расстояние измерять в метрах, то 1 м/сек².

Согласно второму закону Ньютона, сила равна массе, помноженной на ускорение (ранее в этой главе я уже указывал, как вы помните, эту формулу: f = ma).

Тогда если ускорение измеряется в см/сек², то, умножив его на массу ускоряемого тела, измеряемую в граммах, мы и получим искомую силу в таких единицах, как г ∙ см/сек².

Для краткости эта единица получила название «дина» (от греческого слова, означающего силу). Соответственно 1 дина может быть определена как количество силы, приложение которого к массе в 1 грамм придаст этому телу ускорение в 1 сантиметр в секунду в квадрате. То есть, 1 дина = = 1 г ∙ см/сек².

А единица кг ∙ м/сек² получила название «ньютон». Поскольку килограмм — это 1000 граммов, а метр — 100 сантиметров, то 1 кг ∙ м — это 1000 х 100 = = 100 000 г ∙ см. Соответственно 1 кг ∙ м/сек² = = 100 000 г ∙ см/сек², то есть 1 н = 100 000 дин.

Теперь перейдем к работе. Работу можно представить как приложение некоей силы на протяжении некоего расстояния. Если взять за единицу силы 1 дину, то есть г ∙ см/сек², и умножить на расстояние, измеряемое в сантиметрах, то получим единицу измерения в г ∙ см²/сек². Физики назвали эту единицу «эрг», от греческого слова, означающего работа.

Иными словами, вы выполняете 1 эрг работы, когда прилагаете к некоему телу силу в 1 дину при перемещении на 1 сантиметр. 1 эрг = 1 дин ∙ см = 1 г — см²/сек².

Если же измерять силу в ньютонах, то есть кг ∙ м/сек², и умножать ее на расстояние в метрах, то получится единица кг ∙ м²/сек². Она получила название «джоуль» в честь физика, о котором я еще буду рассказывать.

Один джоуль работы подразумевает приложение силы в 1 ньютон на протяжении 1 метра. То есть 1 дж = 1 Н ∙ м = 1кг ∙ м²/сек².

Поскольку 1 ньютон равен 100 000 дин, а метр — 100 сантиметрам, то 1 Н ∙ м равен 10 000 000 дин∙см, то есть 1 джоуль равен 10 000 000 эрг.

С переходом таких явлений, как сила и энергия, в количественное русло стало понятно не только каким образом изменяются некоторые явления в природе, но и то, почему они иногда не изменяются.

Очевидно, что движущееся тело совершает работу, а следовательно, обладает кинетической энергией («энергией движения»). Из законов Ньютона, а также из определений силы и работы следует, что кинетическую энергию тела можно представить в следующем виде:

где E_k обозначает кинетическую энергию, т — массу, a v — скорость.

Теперь предположим, что 10-килограммовый железный шар подбросили вверх со скоростью 49 метров в секунду. В момент броска его кинетическая энергия — ¹/₂ х 10 х 49 х 49 = около 12 000 джоулей.

Однако по мере движения шара вверх давящая его вниз сила тяжести постоянно снижает скорость полета. Секунду спустя он движется уже со скоростью 39,2 метра в секунду, две секунды спустя — 29,4 метра в секунду. Пять секунд спустя, на высоте 122 метра, скорость его станет равной нулю (по крайней мере, по отношению к земной поверхности). На мгновение он зависнет в этой точке.

Вместе со скоростью уменьшается и кинетическая энергия предмета. В тот момент, когда он остановится и зависнет в воздухе, кинетическая энергия его будет равняться ¹/₂ х 10 х 0 х 0, то есть, разумеется, нулю.

Как же может энергия так резко уменьшаться и в конце концов вообще исчезать по мере продвижения предмета вверх? Она что, навсегда пропадает? Нет, конечно, поскольку железный шар, достигнув вершины своей траектории, начинает падать вниз — сначала медленно, а потом — все быстрее и быстрее, влекомый силой тяжести. Достигнув вновь уровня поверхности земли, он набирает ту же скорость, с которой вылетал вверх (пренебрежем пока сопротивлением воздуха), только направление его движения теперь будет противоположным.

Он снова движется со скоростью 49 метров в секунду и снова обладает кинетической энергией в 12 000 джоулей. К нему вернулась вся кинетическая энергия, которой он обладал вначале. Так где же была эта энергия в верхней точке полета?

Чтобы ответить на этот вопрос, придется представить, что предметы могут обладать энергией просто в силу своего положения. Камень, лежащий на вершине скалы, казалось бы, никакой энергией не обладает. Он может вечность пролежать на одном месте, не выполняя никакой работы. Если же его столкнуть со скалы, он наберет по мере падения скорость (а значит — и кинетическую энергию) и может убить человека. Энергия, происходящая из положения предмета, именуется «потенциальной энергией» (ее можно обозначить как Е), поскольку никак не проявляется, пока ей не предоставят для того условия, то есть является не действительным свойством предмета, а лишь потенциальным.

По мере подъема вверх железный шар (или камень, в общем, любой предмет) теряет кинетическую энергию, приобретая взамен потенциальную. В наивысшей точке подъема вся кинетическая энергия тела переводится в потенциальную. Затем, по мере падения, вся потенциальная энергия постепенно переходит обратно в кинетическую, и в момент приземления вся энергия тела снова приходит в кинетическую форму. На самом деле, если взять любую промежуточную точку на траектории полета шара, то окажется, что, падая с этой высоты, шар наберет к моменту приземления столько же кинетической энергии, сколько он потерял, долетая до этой высоты снизу. То есть в любой точке полета общее количество кинетической и потенциальной энергии тела остается неизменным.

В общем, энергия не появляется ниоткуда и не исчезает никуда. Она все время присутствует в неизменном объеме, переходя из одной формы в другую. Энергия сохраняется. Если объединить понятия кинетической и потенциальной энергий в едином понятии «механической энергии» (Е_m), то мы можем говорить о законе сохранения механической энергии.

Перед нами — пример постоянства в природе, который в принципе невозможно было заметить и оценить, пока человек не взялся за точное измерение явлений.

Конечно, это не значит, что прямо так уж вся потенциальная энергия переходит в кинетическую, когда предмет падает на поверхность земли. Может, он больше и не упадет и не проделает никакой работы, но, если выкопать шахту глубиной в тысячу метров, предмет, казалось бы исчерпавший всю потенциальную энергию падения, вдруг обретет способность падать дальше и проделать таким образом еще какой-то объем работы. Эта дополнительная потенциальная энергия — она что, взялась ниоткуда?

Нет, это вопрос точки отсчета. Находящийся на вершине скалы камень обладает большой потенциальной энергией относительно поверхности Земли; но куда большей потенциальной энергией он обладает относительно центра Земли, ведь если бы существовала достаточно глубокая шахта, то после достижения поверхности Земли этот камень мог бы пролететь еще шесть с половиной тысяч километров. И, даже находясь в самом центре Земли, предмет все равно будет обладать потенциальной энергией относительно Солнца, а сам центр Солнца обладает потенциальной энергией относительно центра Галактики. Нигде во всей Вселенной потенциальная энергия предметов не равна полному нулю, и это отсутствие «абсолютных рамок относительности» и является одним из основных положений теории относительности Эйнштейна.

Однако для нас отсутствие абсолютной системы координат не имеет значения. Интерес для физиков, таким образом, представляют не абсолютные значения, а разница потенциальных. То есть предмет на вершине километровой скалы обладает большей потенциальной энергией, нежели такой же предмет, находящийся у подножия этой скалы, и эта разница остается неизменной для нас, находящихся на планете Земля. Для математического удобства примем потенциальную энергию на уровне поверхности Земли за ноль, тогда за потенциальную энергию на любой высоте логично будет принять разность потенциальных энергий на этой высоте и на поверхности Земли, поскольку х — 0 = х.

Кинетическую энергию можно рассчитывать таким же образом, не как абсолютную величину, а как разность величин, и выходит, что механическая энергия сохраняется независимо от выбора точки отсчета.

Еще одним интересным свойством потенциальной энергии является тот факт, что она зависит только от положения, и никоим образом не от того пути, которым это положение было достигнуто! Представьте себе три пушечных ядра одинакового веса, находящиеся на вершине скалы. Одно попало туда путем выстрела из пушки таким образом, что вершина скалы оказалась наивысшей точкой траектории его полета. Второе долго катили вверх по длинной извилистой горной дороге. Третье подняли на самолете на высоту тридцати километров и спустили на вершину скалы на длинном канате.

Если же теперь все три ядра сбросить со скалы, думаете ли вы, что то, которое катили долго и спокойно, будет обладать меньшей потенциальной энергией? Или что то, которое набрало в свое время огромную потенциальную энергию, поднявшись в самолете, будет обладать большей?

Нет, потенциальная энергия всех трех ядер будет одинаковой — на ее количество влияет только их положение в данный момент. Прошлые заслуги тут бессильны.

Точно таким же образом представим, что одно из ядер просто уронили вниз, а второму дали скатиться по длинному пологому спуску (с условием, что трение отсутствует). Катящийся шар будет ускоряться гораздо медленнее, но зато он будет ускоряться и гораздо дольше; так что к моменту достижения поверхности Земли его скорость и кинетическая энергия будут равны скорости и кинетической энергии того ядра, которое просто бросили вниз. Если взять третье ядро и скатить его вниз по неровной горке, на которой спуск перемежается с небольшими подъемами, все равно в нижней точке его кинетическая энергия окажется такой же, как у двух предыдущих.

В отношении любого сохраняемого свойства предмета, каким является и механическая энергия, верно следующее: когда предмет переходит из состояние A в состояние B, изменения в сохраняемом свойстве зависят только от природы состояний A и B и не зависят от того способа, которым предмет перешел из состояния А в состояние В.

Физикам приятно ощущать сохранность определенных свойств, и они всегда ищут примеры таких свойств.

Возьмем два неупругих тела, то есть таких, которые при столкновении не отскочат друг от друга, а сплющатся и останутся на месте. Примерами таких тел могут послужить два комка размягченного воска или сырой глины.

Теперь представим, что два восковых шара одинакового размера катятся навстречу друг другу с равной скоростью (скажем, 2 метра в секунду) по некоей ровной, абсолютно гладкой (то есть лишенной трения) поверхности. Они сталкиваются, слипаются и останавливаются. Очевидно, что скорость движения каждого из них стала нулевой, сложившись со скоростью движения второго.

Приняв скорость одного шара за +2 м/сек, то скорость второго, движущегося в обратном направлении, естественно, надо будет принять за -2 м/сек. Сложение этих двух скоростей дает ноль как до столкновения, так и после него.

Если удовольствоваться одним только этим наблюдением, можно сделать вывод о том, что сохраняющимся свойством в таких условиях является скорость; что алгебраическая сумма скоростей составляющих системы должна оставаться неизменной, вне зависимости от отношений между составляющими внутри самой системы.

Но предположим теперь, что только что упомянутые восковые шары — разного размера. Допустим, что тот, что катится влево, — в три раза тяжелее того, что катится вправо, а скорости их при этом равны и составляют все те же 2 м/сек. Сумма скоростей по-прежнему равна нулю, но после столкновения и слипания эти тела не остановятся. Вместо этого объединенный комок продолжит движение в том же направлении, в котором двигался больший шар, но уже со скоростью 1 м/сек. Общая скорость системы в таком случае не сохранилась.

В 1671 году английский физик Джон Валлис указал, что сохраняющимся свойством в таком случае является не скорость сама по себе, а произведение скорости и массы, mv, и назвал эту величину «импульсом».

Поясним на примере двух разных шаров: допустим, что один из них весит 2 грамма, а второй — 6 граммов. Если они движутся навстречу друг другу со скоростью 2 м/сек каждый, то, несмотря на то что их скорости равны (если не считать разницы направлений движения), импульсы их не равны. Импульс первого шара равен 2 умножить на 2, то есть 4 грамм∙метра в секунду (г∙м/сек), а импульс второго — 6 умножить на 2, то есть 12 г∙м/сек. Возьмем импульс большего шара за положительную величину, импульс второго, движущегося в противоположном направлении, — за отрицательную, тогда суммарный импульс всей системы до столкновения будет равен + 12 — 4, то есть +8 г∙м/сек.

После столкновения объединенный комок воска будет весить 8 граммов и двигаться в направлении движения большего из первоначальных шаров, соответственно его импульс будет положительным и равным 8 умножить на 1, то есть +8 г∙м/сек.

Как доказывают эксперименты, при таких условиях импульс всегда сохраняется. Импульс сохраняется и в том случае, когда сталкиваются два упругих шара (например, стеклянных или стальных, то есть таких, которые не слипаются, а разлетаются в разные стороны), только не надо забывать о том, что если мы принимаем импульс при движении в одну сторону за положительный, то импульс при движении в другую сторону следует принимать за отрицательный. Существуют даже общепринятые геометрические способы разделения движения в любом направлении на положительную и отрицательную составляющие, и при их применении оказывается, что импульс сохраняется даже при столкновении тел, движущихся не лоб в лоб, а под углом, или при столкновении более чем двух шаров, как, например, при разбивании пирамиды в бильярде.

Возьмем, например, такую систему, как заряженное ружье. Если подвесить его на шнуре, момент в покоящемся состоянии будет равным нулю. Однако теперь предположим, что на спусковой крючок очень тихо и незаметно (не покачнув ружья) нажали. Тогда одна часть системы (пуля) вылетит из ствола, имея высокую скорость и достаточно большой импульс. Единственным способом сохранить общий импульс для системы будет движение второй ее части, самого ружья, в противоположном направлении, с импульсом равным импульсу вылетевшей пули. Поскольку ружье во много раз тяжелее, чем пуля, то и придаваемая ему для уравновешивания импульса скорость будет во много раз меньше.

Угловой импульс (произведение массы на вращательное движение) тоже сохраняется. Самой красивой иллюстрацией тому может послужить вращение фигуристки, которая кружится так быстро, как только может. Каждая часть ее тела обладает определенным угловым импульсом, в зависимости от скорости движения этой конкретной части тела — чем дальше от центральной оси вращения, тем быстрее движение. У нашей фигуристки с наибольшей скоростью будут двигаться вытянутые в стороны руки.

Если фигуристка прижмет руки к телу, они потеряют угловой импульс, поскольку окружность, расстояние, которое они преодолевают за один оборот, станет меньше, а значит, и скорость их движения уменьшится. Однако ведь угловой импульс должен быть сохранен! Если одна часть системы его теряет, другая должна приобретать. Так и здесь — если фигуристка прижимает руки к телу, само тело начинает вращаться еще быстрее, и выступающая становится похожей на волчок.

К сожалению, сохранение механической энергии и импульса полностью может осуществляться только в идеальной ситуации, в которой нет ни сопротивления воздуха, ни трения. На Земле такого не бывает нигде. В идеальных условиях отсутствия трения и сопротивления маятник никогда не перестанет качаться, мячик — прыгать, бильярдные шары будут вечно кататься и сталкиваться, а фигуристка продолжит кружиться, пока ей самой не надоест и она не остановится, сознательно приложив к этому усилия.

Ничего подобного мы наблюдать не можем. Когда мяч бросают в воздух, не вся его потенциальная энергия переходит в кинетическую — часть ее потратится на преодоление сопротивления воздуха. А когда он станет падать обратно, опять же не вся его потенциальная энергия перейдет в кинетическую — часть ее съест трение. После того как шар ударится о землю и отскочит от нее, в момент удара еще часть энергии потеряется, поскольку ни шар, ни земля никогда не являются абсолютно упругими. На практике ни одна, даже наилучшим образом продуманная, система не может избежать подобного рода потерь, так что полностью импульс никогда не сохраняется.

Далее, из-за наличия трения вопрос о том, каким именно образом механическая энергия или импульс перешли из состояния А в состояние В, приобретает значение. Ядро, сброшенное со скалы, падая вниз, потеряет небольшое количество энергии из-за сопротивления воздуха. Такое же ядро, которое пустили скатываться вниз по пологому спуску (не идеально гладкому, как я предположил ранее, а реальному, где присутствует трение), прибудет на поверхность земли, обладая меньшим количеством кинетической энергии, чем тело, падавшее свободно. Чем положе спуск и чем длиннее путь качения, тем больше будет трение и тем меньшим станет в итоге количество кинетической энергии тела.

При расходе энергии вырабатывалось тепло, а теплом ученые всерьез заинтересовались лишь тогда, когда появление паровой машины ясно показало, что тепло — это одна из форм энергии, которую можно перевести в работу так же однозначно и безошибочно, как и кинетическую энергию. И только постигнув природу тепла, физики смогли работать с реальным миром, а не с идеальным, существующим только в их воображении.

Глава 4. ИЗМЕРЯЕМОЕ ТЕПЛО

Ученые древности не могли четко уяснить себе, что же такое тепло, кроме того, что это нечто, к чему чувствителен человеческий организм. Что не мешало им, однако, исследовать это явление, причем даже с некоторым успехом.

Прежде всего, они научились измерять силу тепла — то есть температуру. Ведь наши ощущения дают нам некоторое представление о силе тепла, а не о его общем количестве. Мы различаем холодные и горячие предметы, но не можем сказать, сколько в том или ином предмете содержится тепла. Например, его гораздо больше в ванне с холодной водой, чем в капле кипятка, но при этом вода в ванне кажется нам холодной, а капля кипятка — горячей. В капле выше насыщенность теплом — то есть больше тепла содержится в заданном объеме жидкости.

Это крайне важный элемент устройства всей Вселенной, поскольку в ней тепло перетекает от более горячих объектов (с более высокой температурой) к более холодным (с более низкой температурой), а не от объектов, содержащих больше тепла, к объектам, содержащим меньше тепла. Так, если каплю кипятка капнуть в ванну с холодной водой, то тепло перейдет из капли (которая моментально остынет) в ванну (которая нагреется на незаметную величину).

Если вы не уверены, что поняли суть идеи, то представьте себе аналогию с течением воды. В горной речке воды гораздо меньше, чем в океане, но горная речка находится на большей высоте и обладает большей потенциальной энергией, чем океан. И вода течет не из океана, где ее много, в речку, где ее мало, а наоборот — из маленькой речки, находящейся высоко в горах, в океан, находящийся внизу.

Народная мудрость гласит, что вода всегда течет вниз — это частное проявление закона о том, что любое самопроизвольное движение происходит в направлении уменьшения потенциальной энергии.

Температура является для тепла тем же, чем потенциальная энергия — для массы. Тепло переходит от горячих предметов к холодным так же, как вода стекает вниз. Лично я с удовольствием заменил бы слово «температура» на «тепловой потенциал» — называем же мы движущую силу электрического тока «электрическим потенциалом», зная, что электричество всегда течет из точки с высоким потенциалом в точку с низким.

Потенциальную энергию тела мы можем узнать, измерив высоту его положения над уровнем моря. А можно ли как-то измерить температуру? Первым принцип ее измерения придумал Галилей. Практически все вещества расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. И в 1592 году Галилей изобрел «воздушный термометр», в котором, в зависимости от температуры, измерялся объем воздуха, что приводило к изменению уровня воды в трубке. К сожалению, на уровень воды в трубке влиял также и такой параметр, как атмосферное давление, так что показатели такого термометра были ненадежными.

За этим термометром последовали другие, закрытые, на которые атмосферное давление уже не влияло. В таких термометрах жидкость заливали в колбу, и она частично заполняла тоненькую запаянную капиллярную трубку таким образом, что даже небольшие изменения общего объема жидкости заметным образом сказывались на уровне этой жидкости в трубке. Изменения уровня и отражали изменения температуры.

В 1715 году немецкий физик Габриэль Даниэль Фаренгейт впервые использовал в качестве жидкости, уровень которой изменялся в тщательно градуированной трубке термометра, ртуть. Таким образом и был изобретен инструмент, которые мы до сих пор пользуемся в неизменном виде. В Соединенных Штатах, Великобритании, Канаде, Южной Африке, Австралии и Новой Зеландии до сих пор используется и шкала Фаренгейта, разработанная им самим. На этой шкале температуре таяния льда соответствует показатель 32 градуса (обозначается 32°), а температуре кипения воды — 212°. Шкала обозначается буквой F после цифр.

В других странах, а также в научной среде используется десятичная шкала, которую разработал шведский астроном Андерс Цельсий, где температура таяния льда взята за 0°, а температура кипения воды — за 100°. Шкала Цельсия обозначается буквой С после цифр.

Изобретение термометра позволило получить некоторые данные не только о температуре, но и о количестве тепла, содержащегося в веществе.

Предположим, что литр спирта нагрели до 60°, а затем быстро перемешали с литром воды температурой 20°. Тепло, естественно, перейдет от горячего спирта к холодной воде. По ощущениям понятно, что температура получившейся смеси — «что-то среднее» между горячим спиртом и холодной водой. Естественно предположить, что она будет представлять собой среднее значение, и если бы не было термометра, то исследовать этот вопрос глубже не удалось бы.

Однако, когда оказалось, что температуру можно измерить, «ощущение чего-то среднего» перестало удовлетворять нас как показатель температуры итоговой смеси. Напрашивалось предположение, что, перемешав равные объемы жидкости с температурой 20° и 60°, мы получим в итоге смесь с температурой 40°, однако оказалось, что это не так. Температура получившейся в итоге смеси воды со спиртом оказалась всего 36°.

Почему? Очевидно, что количество тепла, содержащегося в нагретом до определенной температуры спирте, меньше, чем количество тепла, содержащегося при тех же условиях в воде. Другими словами, количество тепла, необходимого для нагрева спирта на 10°, меньше, чем количество тепла, необходимого для нагрева на эту же температуру воды. И наоборот, количество тепла, отдаваемого спиртом при охлаждении на 10°, меньше, чем количество тепла, отдаваемого при этом же процессе водой. Можно использовать аналогию, представив, будто вода и спирт — это широкий и узкий сосуды с водой. Для того чтобы в широком сосуде уровень воды поднялся на 5 сантиметров, нужно больше воды, чем для того, чтобы добиться того же самого в узком. Если уровень воды в обоих сосудах будет одинаковым, то в широком жидкости будет больше. Так и здесь — если нагреть воду и спирт до одной и той же температуры, вода будет содержать при этом больше тепла.

Тогда загадка низкой температуры смеси спирта и воды объясняется. Тепла, высвобождаемого при охлаждении алкоголя на 24° (с 60° до 36°), достаточно ровно для того, чтобы нагреть равный объем воды лишь на 16° (с 20° до 36°), и в итоге мы получаем температуру общей смеси 36°.

Шотландский физик Джозеф Блэк стал первым исследователем данного явления. К 1760 году он провел множество экспериментов по измерению количества тепла, необходимого для того, чтобы нагреть определенное количество различных веществ на определенное количество градусов. Это свойство ученый назвал «удельной теплоемкостью» вещества.

За единицу была взята теплоемкость воды. Для нагревания спирта требуется ²/₃ от количества тепла, необходимого для нагревания воды.,. Значит, теплоемкость спирта — приблизительно 0,65. Теплоемкость еще одной жидкости, ацетона, — 0,5 и так далее.

Обнаружилось, что теплоемкость воды очень велика; она оказалась одной из самых высоких вообще. А у большинства металлов теплоемкость оказалась крайне низкой: теплоемкость алюминия — 0,22; меди — 0,093; свинца — 0,031. Мы и из бытового опыта знаем, как быстро раскаляется на газу пустая алюминиевая кастрюля и как долго нагревается даже небольшое количество воды.

Точности ради надо добавить, что на измерение теплоемкости влияет также и температура измеряемого вещества — горячее вещество имеет большую теплоемкость, чем холодное.

Все эти эксперименты не могли не привести к необходимости разработки единиц измерения количества тепла (не путать с температурой!).

За такую единицу было взято количество тепла, необходимое для того, чтобы нагреть 1 грамм воды с 14,5° до 15,5°. Единица эта получила название «калория», от латинского слова, означающего «тепло». Естественно, используется также и более крупная единица — килокалория, это то количество тепла, которое необходимо, чтобы нагреть 1 килограмм воды опять же с 14,5° до 15,5°. Килокалория в тысячу раз больше, чем калория.

Зачастую в обиходе последнюю тоже называют «калорией», и это приводит к путанице. Особенно часто неправильным использованием слова «калория» злоупотребляют диетологи, подразумевая под ним конечно же «килокалорию».

Но вернемся к Джозефу Блэку. Ему принадлежит честь совершения еще одного важного открытия в области изучения тепла. Он обнаружил, что лед при нагревании плавится, но при этом образующаяся в процессе смесь воды и льда не начинает нагреваться до тех пор, пока не растает весь лед. Количество теплоты, затраченной на процесс таяния льда, оказалось таким, что если бы оно пошло на нагревание такого же количества ледяной воды, то вода нагрелась бы почти до точки кипения. На то, чтобы растопить один грамм льда, тратится 80 калорий. Блэк описал эту теплоту как «латентную», то есть «скрытую», «невидимую», поскольку теплозатраты не отражаются на подъеме температуры. Как и слово «потенциальный» в словосочетании «потенциальная энергия», дополнительное определение было введено для обозначения чего-то, что присутствует неочевидным образом. В современной физике эту теплоту называют «теплотой плавления» (в данном случае «плавление» равнозначно «таянию»).

Существует еще одна форма латентной теплоты — это теплота, затраченная на кипячение жидкости. При добавлении теплоты к кипящей жидкости ее температура не растет, жидкость просто кипит, пока не выкипит до конца. На кипячение тратится еще больше тепла, чем на таяние. Так, на выпаривание одного грамма нагретой до 100° воды тратится около 540 калорий, а в результате получается один грамм пара той же температуры. Это «теплота кипения».

Кроме того, Блэк обнаружил, что при замерзании воды (или конденсации пара обратно в воду) латентная теплота выделяется обратно. Вещество поглощает тепло при таянии и выделяет при замерзании, поглощает при испарении и выделяет при конденсации. Этот процесс напоминает переход энергии из кинетического в потенциальное состояние и обратно, что позволило выдвинуть предположение о том, что тепло — это сохраняемое явление или, как минимум, является частью некоего составного сохраняемого явления.

Значит, чтобы изменение температуры можно было представить с помощью измененной объема жидкости, объем жидкости должен изменяться равномерно. Иначе промежутки между градусами на шкале термометра были бы неравномерными. Равномерность изменений объема — ни в коем случае не само собой разумеющееся явление. Например, вода по мере нагревания расширяется неравномерно. На самом деле на промежутке от 0 до 4 градусов вода даже сжимается с повышением температуры. А вот ртуть, как оказалось, расширяется вполне равномерно, и это — одна из причин, по которой именно ртуть используют в градусниках.

Сначала изучению подвергались, естественно, те жидкости, которые используются в градусниках. Неудачная попытка Галилея создать газовый термометр казалась забытой, и последующие двести лет изучению влияния изменения температуры на газы уделялось крайне мало внимания.

Так, в 1660 году английский физик Роберт Бойль первым показал, что давление и объем заданного количества газа находятся в обратно пропорциональном отношении (закон Бойля). Если удвоить давление на газ, его объем уполовинится; если утроить давление — объем сократится втрое, и так далее. Это один из краеугольных камней современной химии, но Бойль забыл указать, что это соотношение верно только при неизменной температуре. Очевидно, температура и ее влияние на объем газов не входили в сферу его интересов.

Примерно в 1680 году французский физик Эдм Мариотт независимо от Бойля заново открыл его закон, и вот он уже отметил, что на объем газа оказывает влияние также и температура. В Европе закон Бойля называют законом Мариотта, в русскоязычной же терминологии этот закон носит двойное название — закон Бойля—Мариотта.

Следующий шаг совершил в 1699 году французский физик Гийом Амонтон, отметив, что изменение температуры на заданную величину приводило к одинаковому в процентном соотношении расширению различных масс воздуха.

Однако лишь в 1787 году этот вопрос подвергся точному измерению. Французский физик Жак Александр Сезар Шарль окончательно продемонстрировал, что газы расширяются и сокращаются равномерно по мере измерения их температуры (закон Шарля) — два века спустя после того, как Галилей интуитивно догадался о том же самом и создал свой термометр.

Шарль выяснил, что газ (а лишь в XVIII веке впервые было установлено существование иных газов, кроме воздуха) расширяется примерно на ¹/₂₇₃ от своего объема при 0° с повышением температуры на каждый градус. Соответственно при понижении температуры на 1º газ сокращался в объеме на ¹/₂₇₃ от своего объема при 0°.

То есть если мы возьмем 273 литра газа при температуре 0° и начнем нагревать, то его объем вырастет до 274 литров при Г, до 275 — при 2°, до 276 — при 3°, и так далее. И наоборот, при -1º объем газа сократится до 272, при -2° — до 271, при -3° — до 270, и так далее.

Если предположить, что закон Шарля верен до самого конца, то при -273° объем газа станет равным нулю, а при более низких температурах величина объема газа примет отрицательное значение, чего быть не может в принципе.

Физиков такие расчеты не особенно изумляли, поскольку основывались на предположении, что закон Шарля верен и для сверхнизких температур, хотя имелись некоторые признаки, позволяющие предположить, что это не так. Во времена Шарля и еще столетие спустя получение действительно низких температур было делом невозможным, и проверить действие закона в таких условиях соответственно было нельзя. Однако уже к 1900 году стало ясно, что задолго до -273° все газы конденсируются в жидкости, а на жидкости закон Шарля не распространяется. Так что — никакого парадокса.

Тем не менее температура в -273° действительно оказалась неким критическим значением, и ученые считают ее абсолютным нулем, точкой, ниже которой температура опуститься не может в принципе. Сейчас самым точным значением абсолютного нуля называют -273,16°, но мы позволим себе округлить это значение. Абсолютный ноль — это температура, при которой тело вообще не содержит тепла. Если принять ее за ноль и отсчитывать от нее привычные нам градусы по Цельсию, то получится, что вода замерзает при 273°, закипает при 373° и так далее. Это — абсолютная шкала температуры (рис. 3).

В 1848 году английский физик Уильям Томсон (позже он получит статус пэра, и нам он сейчас более известен как лорд Кельвин) установил эту систему на прочную теоретическую основу. Поэтому абсолютную шкалу чаще называют «шкалой Кельвина», и, скажем, температуру замерзания воды по ней можно обозначить и как 273 °А, и как 273 °К, причем последнее обозначение встречается чаще.

На шкале Фаренгейта абсолютный ноль — это -460 °F (точнее, -459,69 °F), и можно взять эту точку за ноль, а дальше отсчитывать от нее градусы по Фаренгейту. Первым, кто стал пользоваться такой шкалой, был шотландский инженер Уильям Джон Макуорн Ранкин, и шкала эта теперь называется «шкалой Ранкина». Точка замерзания воды на этой шкале будет равна 492 °Rank, а точка кипения воды — 672 °Rank.

(Название шкалы не сокращается до «R», как можно было бы ожидать, потому что существует еще шкала температуры по Реомюру, которую разработал французский физик Рене Антуан Фершо де Реомюр в XVIII веке, и буквой «R» обозначается именно она. На шкале Реомюра точка замерзания воды — 0 °К, а точка кипения воды — 80 °R. Шкала Реомюра никогда не пользовалась особой популярностью и сейчас представляет сугубо исторический интерес.)

Когда температура и содержание тепла стали легкоизмеримыми явлениями, ученые радостно приняли их под свое крыло и стали по-новому смотреть на энергию. С наступлением XIX века энергию перестали рассматривать как нечто неотрывное от движения. Усиленное внимание к механической энергии привело к замечательным достижениям в XVII и XVIII столетиях, но теперь требовалось нечто большее.

Паровая машина ясно продемонстрировала, что тепло может совершать работу так же, как и падающее тело, и что теплоту соответственно можно считать одной из форм энергии. Магнетизм тоже был признан одной из форм энергии (собственно, в некоторой степени это было ясно уже в Средние века), а проводимые в XVIII веке эксперименты с электричеством показали, что оно тоже является формой энергии.

Само слово «энергия» ввел в науку в 1807 году английский физик Томас Юнг. Наиболее важные из его исследований касались света — еще одной из форм энергии. За несколько десятилетий термин «энергия» расширился до его сегодняшнего понимания и стал означать все, что может производить работу.

Многие ученые стали понимать, что закон сохранения энергии казался нечетко соблюдаемым просто потому, что при оценке не учитывались некоторые из ее форм, в первую очередь — тепло. Так, например, стало ясно, что потери механической энергии при трении сопровождаются выработкой тепла, а значит, вполне возможно, что потери механической энергии уравновешиваются производством энергии тепловой?

В этом отношении выдающимся экспериментатором был английский физик Джеймс Прескотт Джоуль, занимавшийся изучением того, сколько тепла может произвести тот или иной объем работы. Если закон сохранения энергии действительно верен, то при точном учете всех ее форм заданный объем работы должен приводить к образованию одного и того же количества тепла, независимо от того, какая форма энергии использовалась при совершении работы.

Джоуль начал свои измерения в 1840 году и продолжал их на протяжении десятилетий. Он производил тепло различными способами — путем пропускания электрического тока через проволоку, путем наливания воды в тонкие стеклянные трубки, взбивая лопастями сначала воду, потом масло, потом ртуть, путем трения чугуна, путем пропускания электричества напрямую через раствор, путем вращения проволочной спирали между полюсами магнита…

И каждый раз он подсчитывал количество совершенной работы и количество произведенной при этом теплоты и обнаруживал, что одно и то же количество работы, независимо от источника энергии, всегда приводило к образованию одного и того же количества теплоты. Таким образом Джоуль разработал «механический эквивалент теплоты». Оказалось, что 1 калории тепла соответствует примерно 41 800 000 эрг. работы. В честь Джоуля его именем назвали единицу в 10 000 000 эрг., так что мы можем сказать, что 1 калории соответствует 4,18 джоуля.

Джоулю в 1840-х годах казалось ясным, что в реальном мире энергия действительно сохраняется, если учитывать все без исключения ее формы. По крайней мере, ему не встретилось ни одного случая, где энергия бы не сохранялась. И в течение того же самого десятилетия то же самое поняли и двое немецких ученых — Юлиус Роберт фон Майер и Герман Людвиг Фердинанд фон Гельмгольц.

Сегодня именно Гельмгольцу принято отдавать пальму первенства в отношении точной и однозначной формулировки принципа сохранения энергии. Этот принцип ученый изложил в книге, изданной им в 1847 году. Согласно содержанию этого научного труда энергию невозможно ни создать, ни уничтожить, она может только переходить из одной формы в другую. Иными словами, общее количество энергии во Вселенной неизменно и никогда не было и не будет иным; нельзя сделать его ни на йоту больше и ни на йоту меньше.

Из некоторых замечаний, находимых в трудах Майера, можно сделать вывод, что он принял этот принцип еще в 1842 году. И он пошел дальше, чем Гельмголыд, причем в том аспекте, который крайне важен для нас в рамках нашей книги. Майер решил, что источником всей энергии, которая есть на Земле, являются солнечный свет и тепло. Более того, он решил, что источником энергии, которую тратят все живые существа, включая человека, тоже является исключительно солнечное излучение. Из этого следовало, что закон сохранения энергии распространяется не только на неживые, но и на живые объекты.

Этот вывод Майера является крайне важным. Человечество всегда считало, что между живой и неживой природой — пропасть. Именно с описания этой пропасти я и начал книгу. До XIX века законы, выводимые учеными для описания деятельности Вселенной, распространялись либо на живые существа, либо на неживую природу, но никогда — и на то и на другое вместе. Планеты двигаются в некоем строго определенном и неизменном порядке, а живые существа — по своему усмотрению. Камень всегда падает вниз, дым — всегда поднимается вверх, но человек может и лечь и подпрыгнуть, как сам того пожелает. С другой стороны, человек или мышь могут поддаться страху или гневу, а кирпич — нет.

И вот впервые родилось предположение о том, что закон природы — закон сохранения энергии — применим в равной степени к живой и к неживой природе. Это был важнейший шаг к пониманию жизни как таковой; возможно, вообще первый шаг к тому, чтобы сделать изучение живой ткани чем-то большим, нежели просто описание.

Но кажется, мы уходим в сторону от цели данной книги, как я описал ее в первой главе. Я писал о том, что понятия работы и энергии помогут нам найти более четкую, чем интуитивная, границу между живой и неживой природой. А сейчас мы, кажется, движемся в обратном направлении — стирая эту границу вообще.

Но не сдавайтесь! Изучение энергии в XIX веке подразумевало не только открытие закона ее сохранения, и мы это скоро увидим.

Глава 5. ТЕПЛОВЫЕ ПОТОКИ

Принятие представления о сохранении энергии стало в некоторой степени фундаментальной переменой в системе взглядов человека на Вселенную, переменой, которая даже сейчас не полностью проникла в образ человеческой мысли. Люди всегда верили, что вера может двигать горами; что с помощью волшебной палочки или лампы Аладдина можно построить дворец во мгновение ока; что сапоги-скороходы могут за считаные минуты переносить своего владельца через леса и горы…

А теперь все эти картинки исчезают, стоит лишь задать простой вопрос: где взять на это энергию?

Если уж нам приходится разбить радужные мечты и настоять на том, что все сводится к балансу поступления и потери энергии, то давайте уж убедимся, что мы действительно имеем на это право. Иными словами, насколько мы можем быть уверены в действенности закона сохранения энергии? Можем ли мы доказать, что этот закон действительно существует?

Если честно — нет. По крайней мере, на данный момент. Убедительных причин, которые однозначно не позволяли бы создавать или уничтожать энергию, никто еще не сформулировал. Мы можем утверждать лишь, что ни в одном из тщательнейших наблюдений, ни в одном из самых разнообразных экспериментов, от Джоуля до наших дней, не было зафиксировано ни одного случая, когда энергия возникала бы ниоткуда или исчезала в никуда.

Пока не будет отмечен хоть один такой случай и пока на практике допущение, что закон сохранения энергии действует, приносит неоценимую пользу в неисчислимом количестве сфер деятельности, ученые от него не откажутся. Они не могут доказать существование этого закона, но уверены в нем, как мало в чем другом.

Лишь однажды глубокая убежденность в существовании закона сохранения энергии была поколеблена. Это произошло в 1896 году, когда было открыто явление радиоактивности. Именно тогда обнаружилось, что некоторые элементы, например уран, непрерывно производят энергию, казалось бы, ниоткуда.

Однако уже в 1905 году физик Альберт Эйнштейн опубликовал новую, в огромной степени фундаментальную, теорию строения Вселенной (ныне обычно именуемую «специальной теорией относительности»), где все прояснилось за счет того, что в расчет была включена и масса.

Дело в том, что масса сама по себе также представляет собой сохранное явление. Этот факт ученые с большим удивлением обнаружили только в конце XVIII века. Неискушенному наблюдателю кажется, что, например, горящая свечка постепенно тает и ее масса исчезает. А когда железо ржавеет — оно, наоборот, набирает вес, и это кажется примером «появления» массы. Такие выводы вполне возможно сделать, если упустить из виду переход твердого или жидкого вещества в газ или, в противоположном случае, поглощение газов из атмосферы.

В 1770-х годах французский химик Антуан Лоран Лавуазье возвел в систему применение количественных измерений к химическим экспериментам, и полученные им результаты быстро убедили прочих химиков в необходимости взвешивать и измерять все, что только можно взвесить и измерить. Проводя реакции горения и ржавления в замкнутых емкостях, Лавуазье доказал, что если учитывать массу газов, которые производятся в результате горения или поглощаются в результате ржавления, то каких-либо заметных изменений массы реагентов не происходит!

Таким образом был провозглашен «закон сохранения массы», гласящий, что масса может переходить из одной формы вещества в другую, но не может быть ни создана, ни уничтожена. Иными словами, общее количество массы во Вселенной всегда одинаково.

Законы сохранения массы и энергии формулируются схожим образом, и всю вторую половину XIX века эти два закона считали аналогичными, но независимыми друг от друга обобщениями.

И только Эйнштейн в 1905 году сумел показать, на основе немногих базовых принципов, что массу можно рассматривать как одну из форм энергии. По его теории выходило, что крайне малое количество массы соответствует весьма большому количеству энергии. Этот принцип выражен в знаменитой формуле Эйнштейна е = mс², где е — это энергия, m — масса, а с — скорость света. Из этой формулы видно, что 1 грамм массы соответствует примерно 21 500 000 000 000 джоулей энергии.

Таким образом, энергия, высвобождаемая при проявлениях радиоактивности, перестала быть загадкой. Стало ясно, что она появляется за счет потерь массы, столь малых, что приборы того времени не могли их зафиксировать. С тех пор появились гораздо более точные приборы, и с их помощью теория Эйнштейна обрела документальное подтверждение.

Высвобождение энергии при взрыве атомных бомб и выработка ее в ядерных реакторах тоже происходит за счет потерь массы. Еще важнее, что таким же образом объясняется и способность Солнца на протяжении множества веков выплескивать в пространство энергию в огромных количествах. Этот вопрос очень интересовал Гельмгольца, и в итоге ученый пришел к предположению, что Солнце постепенно сжимается, таким образом, потенциальная энергия его уменьшается и переходит в тепло и свет. Такая картина не лишена логики, но если бы она соответствовала реальности, то в истории Солнечной системы пришлось бы предположить некоторые факты, которых быть не могло в принципе; астрономы эту теорию принимать отказались.

Когда же выяснилось, что солнечный водород можно превратить в гелий с некоторой потерей массы, а следовательно — с высвобождением большого количества энергии, то феномен солнечного излучения (равно как и феномен излучения звезд вообще) стало возможным объяснить исходя из закона сохранения энергии.

Сейчас уже понятно, что, говоря «энергия», мы включаем в это понятие и массу; чтобы это стало очевидным, зачастую говорят о «законе сохранения массы-энергии».

Таким образом открытие радиоактивности, сперва пошатнувшее закон сохранения энергии, в конечном итоге еще прочнее утвердило его в более стойком и незыблемом виде.

На самом деле практики интуитивно использовали этот принцип еще задолго до того, как физики сумели убедительно доказать его на экспериментальном материале. Еще в 1775 году Парижская академия наук отказалась рассматривать какие бы то ни было проекты устройств, о которых заявлялось, что они будут производить энергии больше, чем потреблять. Такое устройство, если бы его существование было возможным, могло бы производить работу и вместе с тем продолжать работать за счет энергии, производимой им же самим. Получился бы пресловутый «вечный двигатель». И сейчас Патентное бюро США не будет рассматривать вопрос о патентовании устройств, включающих в себя «вечный двигатель», если только податель заявки не предъявит действующую модель своего изобретения. Надо ли говорить, что такого ни разу до сих пор не произошло?

Закон сохранения энергии подвел черту, провозгласив, что ни одно устройство не может вырабатывать больше энергии, чем тратит, однако не исключил надежды на то, что можно хотя бы получать столько же энергии. Если уж нельзя ничего выиграть у природы, то, может быть, получится хотя бы остаться при своих?

Именно эта надежда стала основной движущей силой всех теоретических исследований начала XIX века, связанных с работой паровой машины. В массовом сознании принято недооценивать значение прогресса в области теории, необходимого для того, чтобы изобретатель мог представить работающий механизм. Сам Уатт опирался в своих разработках паровой машины на работы Блэка, посвященные латентному теплу, о которых говорилось в предыдущей главе. А кто из слышавших об изобретении Уатта знает, что оно стало возможным только благодаря теории Блэка?

Эффективность самых лучших машин Уатта, какими бы полезными и незаменимыми они ни были, не превышает 5 процентов. Это значит, что работы они могут производить только на 5 процентов от получаемой ими тепловой энергии. Поэтому казалось очевидным, что, и не нарушая закона сохранения энергии, можно добиться значительного повышения производительности. Даже учитывая неизбежность каких-то потерь на трение, теплопроводность и тому подобное, логично было предположить, что эффективность вполне возможно поднять до близкого к 100 процентам показателя.

Так считали до тех пор, пока французский физик Николя Леонар Сади Карно не принялся всерьез изучать движения тепловых потоков, основав таким образом науку термодинамику (что по-древнегречески и означает «движение тепла»).

В течение всего XIX века значение этой науки все более возрастало, поэтому к тому моменту, как был четко сформулирован закон сохранения энергии, по причине своей фундаментальной важности для всего, что касается перехода энергии в работу и обратно, он получил название «первый закон термодинамики».

Карно основал науку, но времени на то, чтобы внести в нее большой вклад, у него оставалось уже очень мало. Ученый умер в возрасте тридцати шести лет во время эпидемии холеры в Париже. Однако кое-что он все же успел. В возрасте двадцати восьми лет в 1824 году он опубликовал небольшую книжку под названием «Размышления о движущей силе огня», где привел описания своих опытов и собственные рассуждения о том, до какой степени тепло может быть преобразовано в работу. В этой книге Карно ясно показал, что даже при идеальных условиях (то есть при отсутствии трения и потерь энергии в направлении окружающей среды) лишь строго определенная доля тепловой энергии может преобразовываться в работу. Эта доля определялась разностью температур пара и конденсируемой воды по абсолютной шкале температур, выведенной с помощью закона Шарля. Если первую определить как T₁ а вторую — как Т₂, то наибольшая доля тепла, которую можно перевести в работу, определяется по формуле:

Доля преобразуемого тепла, то есть, иными словами, эффективность системы, одинакова, независимо от того, какие именно вещества подвергаются нагреву и охлаждению, будь то вода, ртуть или что угодно; важна только его температура. Поэтому формула Карно справедлива для любой «тепловой машины», а не только для паровой.

Допустим, например, что в машине Уатта используется пар, нагретый до 100 °С (373 °К), а температура конденсируемой воды — 5 °С (278 °К). Тогда по формуле Карно получаем:

Лишь примерно четверть, и не больше, производимой тепловой энергии может быть преобразована в работу, как бы идеально ни работала машина. Повысить эффективность помогло бы использование раскаленного пара (чтобы Т₂ была побольше) или жидкости, имеющей более высокую температуру кипения и более низкую температуру плавления, чем вода. Пробовали и то и другое, но даже современные паровые машины не имеют эффективности выше, чем 0,25.

Формула Карно не только указала путь к тому, как можно увеличить эффективность паровой машины, но и привела к открытию одного крайне важного обобщения.

Если формула Карно верна, то получается, что машина, в которой горячая и холодная камера имеют одну и ту же температуру, никакой работы произвести не способна. Ведь в таком случае Т₂ будет равна Т₁ соответственно, формула Карно приобретет вид:

Например, представим себе энергию, содержащуюся в океанской воде, пусть даже в ледяной. Когда эта вода замерзает, каждый грамм ее отдает 80 калорий тепла (как показал в свое время Блэк, измеряя латентное тепло). Почему бы тогда, скажем, океанскому лайнеру не собирать это тепло и не использовать для работы своих двигателей? Вода возле лайнера остужалась бы, возможно, вплоть до замерзания, но общий объем воды в океанах, а значит и содержащегося в ней тепла, настолько огромен, что для обеспечения работы всех океанских лайнеров (да и вообще всех механизмов) в мире потребовалась бы крайне незначительная ее доля. К тому же и эту потерю быстро возмещало бы солнечное тепло.

Такое предположение никоим образом не нарушает первого закона термодинамики. Энергия в данной схеме не берется из ниоткуда — она просто переводится из одной формы (из тепла, содержащегося в океанской воде) в другую (кинетическую энергию вращающихся винтов), а переход энергии из одной формы в другую в первом законе термодинамики оговорен отдельно.

Однако ни одна схема такого рода не оказалась работоспособной. Так и не удалось разработать ни одного способа использовать тепловую энергию какого-либо вещества, температура которого была бы равномерной. Иными словами, общий опыт всего человечества свидетельствует о том, что формула Карно справедлива для любых условий, которые когда-либо были испытаны. Для того чтобы тепло можно было преобразовать в работу, где-то в системе должна существовать разность температур.

Лорд Кельвин объяснял это так: «Трансформация, в результате которой должно быть преобразовано в работу тепло, извлеченное из источника, имеющего однородную равномерно распределенную температуру, — невозможна».

Это — одна из формулировок утверждения, получившего название «второй закон термодинамики».

Этот второй закон не кажется таким очевидно неизбежным, как первый. С некоторым сожалением мы чувствуем себя вынужденными признать, что энергию нельзя создавать из ничего (первый закон), но почему же мы не можем использовать ту энергию, которая у нас есть? Пусть мы не можем получить выгоду, но можно же хотя бы остаться при своих?

Давайте рассмотрим этот момент на примере энергии движения, с которой мы имеем дело ежедневно. Должно быть, второй закон термодинамики станет несколько нагляднее, если рассмотреть его по аналогии с падающими телами.

Достигая земли, падающее тело может совершать работу. Оно может убить человека, расколоть орех или просто пробить дырку в земле, но в любом случае — это очевидная работа. Достигнув же поверхности, тело больше никакой работы совершать не способно, по крайней мере до тех пор, пока продолжает лежать неподвижно. Соответственно своей способностью совершить ту работу, которую оно совершило, это тело обязано тому факту, что оно переместилось из точки с большим потенциалом энергии (к примеру — с вершины километровой скалы) в точку с меньшим потенциалом (к подножию той же скалы).

Но и покоящееся на поверхности земли тело тоже обладает некоей энергией. Если под ним выкопать шахту в километр глубиной и сбросить его в эту шахту, то тело вновь сможет проделать работу, такую же как и когда падало со скалы. Это происходит потому, что вновь создана разность потенциалов.

То же самое происходит и в отношении тепла. Тепло, содержащееся в океанской воде, нельзя перевести в работу без помощи камеры, содержащей нечто более холодное или более теплое, чем океанская вода. Если выразиться логичнее, то можно сказать, что работу совершает не камень, а падение камня, не тепло, а тепловой поток.

Далее, как каждому известно на собственном опыте, падающие тела двигаются только в одном направлении — вниз. Если бы тело могло падать в обоих направлениях, то один и тот же предмет мог бы совершать бесконечную работу, просто двигаясь туда-сюда — то с вершины скалы в долину, то из долины на вершину скалы. Однако на самом деле предметы падают только из точки с высоким потенциалом энергии в точку с низким.

То же самое происходит и с другими формами энергии, и в частности с теплом. В 1850 году немецкий физик Рудольф Юлиус Эмануэль Клаузиус дал однозначную формулировку этого процесса, сказав, что при любом спонтанном процессе (то есть таком, который происходит сам по себе, без внешнего вмешательства) тепло всегда переходит от более горячего тела к более холодному и никогда — от более холодного к более горячему.

На самом деле мы все это прекрасно знаем и принимаем как должное, что чайник с водой над горящим газом в итоге закипит, а теплая вода — всегда растопит лед. То есть тот факт, что тепло будет переходить от более горячего тела к более холодному, а не наоборот, нам хорошо известен.

То же самое утверждение и является само собой разумеющимся для формулы Карно, поскольку если бы тепло не перетекало от более горячего тела к более холодному, то оно могло бы перетекать и внутри равномерно нагретого резервуара с водой от одной его части к другой, и из этого перетекания можно было бы получать работу. Таким образом, утверждение Клаузиуса — это одна из формулировок правила Карно—Кельвина о невозможности получения работы из равномерно нагретой системы, то есть одна из формулировок второго закона термодинамики.

Клаузиус не только сформулировал это утверждение по поводу тепловых потоков (суть которого известна нам по бытовому опыту и без каких-либо научных формулировок), но и увидел в нем повод для масштабного обобщения, которое можно распространить на все процессы, в которых используется энергия, при любых условиях и в любом месте Вселенной. По этой причине именно ему приписывают честь «открытия» второго закона термодинамики.

Это подводит нас к интересному моменту. Любой тепловой машине для преобразования тепла в работу требуется некоторое время. Ни одна из них не способна производить работу мгновенно. За время работы тепло перетекает из горячей камеры в окружающую среду (которая, как правило, сама по себе холоднее, чем горячая камера) и никогда — наоборот. Таким образом', горячая камера охлаждается, а холодная камера нагревается. Разность температур становится со временем все меньше и производит все меньше работы по сравнению с изначальной разностью температур[2].

Можно придумать тепловую машину, в которой и горячая и холодная камеры имели бы более высокую температуру, чем окружающая среда, но в этом случае горячая камера теряла бы тепло быстрее, чем холодная. Если же, наоборот, температура обеих камер будет ниже температуры окружающей среды, то горячая камера будет нагреваться медленнее холодной. И в том и в другом случае разность температур будет уменьшаться. На самом деле в любой системе, переводящей в любой форме энергию в работу, со временем разность потенциалов уменьшается, или, иначе говоря, часть потенциально выполнимой разностью потенциалов энергии работы остается невыполненной на практике из-за необходимости преодолевать трение или иные формы сопротивления естественному потоку энергии.

Клаузиус еще в 1875 году изобрел параметр, включающий в себя и неизбежно теряемую энергию, и абсолютную температуру, — параметр этот получил название «энтропия системы».

Можно, конечно, представлять себе совершенные тепловые машины, настолько хорошо изолированные, что тепло не будет ни перетекать в них извне, ни тратиться на нагревание окружающей среды, машины, в которых будут отсутствовать потери на трение, и так далее. При таких условиях выполняться будет вся работа, на которую способна заданная разность температур. Энергия будет тратиться полностью, без потерь. Однако в реальности и трение, и теплообмен с внешней средой всегда имеют место, а значит — и энергопотери, причем их объем будет увеличиваться со временем (рис. 4).

В свете теории Клаузиуса можно сказать: при любом спонтанном процессе энтропия либо остается неизменной (в идеальном случае), либо возрастает (в реальных случаях).

Однако забудем об идеале — приходится признать, что в реальном мире вокруг нас энтропия всегда увеличивается.

Поскольку все это — неизбежные последствия однонаправленности тепловых потоков, то существует еще один способ выражения второго закона термодинамики.

Строго говоря, отдавая должное законам термодинамики, мы всегда должны помнить о том, что эти законы применимы только к замкнутым системам — то есть к тем частям Вселенной, которые можно рассматривать как не испытывающие никакого влияния извне со стороны других ее частей. Если же рассматривать открытые системы, то часто может казаться, что законы термодинамики нарушаются.

Например, предположим, что вы ведете наблюдения за котелком с водой, стоящим на плите. Вы видите, что энергетическое содержание воды в котелке постепенно возрастает, пока вода не начнет кипеть и пока, наконец, вся не выкипит. Если рассматривать один лишь котелок с водой, вне его связей с плитой, то может показаться, что энергия, дерзко нарушая первый закон термодинамики, появилась из ниоткуда. Однако вы прекрасно понимаете, что это не так, поскольку под котелком находится горячая плита или газовый рожок. Если принять во внимание, что система складывается из обеих этих частей, то вопрос о том, почему на закипающий котелок не действует первый закон термодинамики, снимается сам собой.

Что касается второго закона термодинамики в отношении открытых систем, то представьте себе — тело действительно может подниматься с земли на высоту, а тепло — перетекать от более холодных тел к более горячим. В быту вы часто являетесь свидетелем подобных «феноменов», и если сосредоточить внимание только на поднимающемся теле или только на тепловом потоке, то вполне возможно сделать вывод о нарушении второго закона термодинамики.

Однако рассматривать систему надо в целом. Тело может подниматься с земли на крышу дома только тогда, когда оно находится, скажем, в лифте, движимом электрическим мотором. Тепло утекает из холодной камеры холодильника в более теплую окружающую среду тоже благодаря электрическому двигателю. Если включить в расчет двигатель и поток энергии внутри его, то вы увидите, что имеется и поток энергии в «правильном» направлении, причем превышающий по объему поток в «неправильном», действие которого мы видим как подъем тела или охлаждение камеры.

Другими словами, локальное уменьшение энтропии (являющееся результатом потока энергии в направлении, противоположном указанному вторым законом термодинамики) в одной из частей системы всегда более чем уравновешивается возрастанием энтропии в другой части системы. Если брать в расчет всю систему целиком, то общие изменения всегда происходят в направлении увеличения энтропии.

На самом деле, если мы имеем дело не с воображаемыми системами, существующими только в умах физиков-теоретиков, а с реальностью, то представить себе действительно замкнутую систему очень сложно. Внешняя среда всегда оказывает некоторое действие, которое необходимо учитывать.

Все вышеописанное справедливо и в отношении человеческого организма. Если его вдруг сделать замкнутой системой, лишенной энергообмена с окружающей средой, то он умрет в течение нескольких минут (ведь воздух — тоже часть окружающей среды). Направление естественных изменений в человеческом организме, сопровождающихся, как уже было сказано, возрастанием энтропии, ведет к смерти. Мы, конечно, живем, не умирая, иногда по целой сотне лет, но это происходит только потому, что наш организм является не замкнутой системой, а частью большей системы, в которую входят и воздух, которым мы дышим, и пища, которую мы едим. Сложность общего взаимодействия всех форм жизни и всей неодушевленной окружающей среды на планете, на которой мы живем, не позволяет считать замкнутой системой что-либо меньшее, чем всю Землю в целом.

Но и этого мало. Если бы Земля была замкнутой системой, то жизнь на ней очень быстро закончилась бы, поскольку поверхность планеты остыла бы, океаны — замерзли и так далее. Это тоже естественные изменения, соответствующие возрастанию энтропии. Этого не происходит только благодаря тому, что Земля является частью более крупной системы, в которую входит еще и Солнце, тепло которого и не дает Земле замерзнуть.

Даже Солнечная система не является полностью замкнутой. На нее действует сила притяжения со стороны других тел Галактики и много других не так ярко выраженных сил. Каждая часть Вселенной тем или иным образом влияет на остальные, и логично предположить, что на свете существует только одна действительно замкнутая система — это сама Вселенная. Если же рассматривать любую ее часть, то появляется вероятность того, что в этой отдельно взятой части энтропия может уменьшаться — за счет еще большего ее увеличения во всей остальной Вселенной.

Ясно, что если общее количество тепла во Вселенной ограниченно, а энтропия продолжает возрастать, то в конце концов она достигнет максимума, то есть такого состояния, что никакой разности температур не будет вообще. Вся энергия во Вселенной станет недоступной для совершения работы — все спонтанные процессы прекратятся и какие-либо изменения перестанут происходить вообще. Эта картина получила название «тепловая смерть Вселенной», и теория о тепловой смерти приобрела большую популярность во второй половине XIX века.

Теперь давайте вернемся к началу нашего повествования и посмотрим, можно ли выразить в терминах термодинамики то различие между живой и неживой материей, которое я высказал в первой главе. Я сказал, что живые существа могут совершать усилия, а неживые — нет.

Понятно, что «совершение усилия» подразумевает локальное уменьшение энтропии. Для того чтобы опустить висящий в воздухе камень вниз, усилия не требуется — его достаточно отпустить, и он упадет. А вот для того, чтобы поднять его вверх, усилие необходимо.

Сам по себе камень может двигаться только вниз, в том направлении, где усилия не нужно. Он не может совершить усилие, чтобы подняться наверх. С точки зрения термодинамики это будет звучать так: камень сам по себе может быть подвержен только увеличению энтропии, но не ее уменьшению.

Живой же организм способен совершать усилия по уменьшению энтропии по крайней мере на одном участке системы, частью которой он является (разумеется, за счет еще большего ее увеличения в других частях системы). Даже простейшие живые существа способны создавать локальное уменьшение энтропии, когда они прыгают, летят, лезут, идут, ползут или плывут вверх, против силы притяжения. Даже не сдвигающиеся с места организмы, например устрицы, тоже могут производить локальное уменьшение энтропии различными другими способами.

Удовлетворимся ли мы заявлением, что различие между живыми и неживыми организмами заключается в том, что живые организмы могут производить локальное уменьшение энтропии, а неживые — нет?

Что ж, выдвинув это утверждение, мы явно встали на верный путь, но, к сожалению, такого определения пока недостаточно. Солнечное тепло тоже может вызывать локальное уменьшение энтропии, когда выпаривает воду из океана, то есть поднимает в воздух огромные массы водяного пара. Силы, задействованные в геологических процессах, происходящих в земной коре, способны воздвигать горы в несколько миль высотой, что тоже подразумевает масштабное уменьшение энтропии. Однако ни Солнце, ни Земля не являются живыми ни в одном из смыслов, которые вкладывает в это понятие человек.

Надо еще поработать над нашим определением. Итак, продолжим.

Глава 6. ДВИЖУЩИЕСЯ ЧАСТИЦЫ

Еще со времен Джоуля, Кельвина, Майера, Гельмгольца и Клаузиуса, со времен открытия двух великих законов термодинамики, точного представления о том, что же такое тепло, не существовало. По крайней мере, такого, которое удовлетворило бы работающих с теплом ученых.

Это совершенно не означает, что законы термодинамики неполноценны, — они основаны на наблюдениях и не зависят от природы тепла. Однако с практической точки зрения этот факт осложнял применение законов термодинамики к каким-либо иным энергетическим устройствам, кроме тепловых машин, — к тем, где отсутствует тепловой поток.

Например, человеческий организм — главный предмет рассмотрения данной книги — определенно работает, и при этом температура его (37 °С) однородна и постоянна.

Разве это не является нарушением второго закона термодинамики? Мы уверены, что не является, но для того, чтобы четко понимать, почему именно не является, надо понять новую концепцию тепла как такового, выдвинутую впервые около 1800 года, а окончательно принятую научным сообществом только в 1860 году.

Начнем с того, что среди прочих над природой тепла размышляли и такие ученые, как Галилей и Ньютон. Они (и не только они) представляли себе тепло как движение мельчайших частиц материи. Для них это было вполне естественное предположение, поскольку эти великие ученые, исследуя в первую очередь законы движения и представляя тепло одной из форм движения, стремились вписать его в рамки своих грандиозных обобщений.

Однако в XVIII веке принято было представлять тепло как невесомый нематериальный ток. Такую точку зрения впервые выдвинул голландский физик Герман Бургаве примерно в 1700 году. В общем-то никаких объективных причин считать, что тепло представляет собой движение или вибрации, либо предполагать, что в горячих телах это движение или эти вибрации происходят быстрее, чем в холодных, не было. Разговоры о том, что, мол, существуют некие микрочастицы, слишком маленькие для того, чтобы их можно было увидеть, и вибрирующие слишком быстро и малоамплитудно для того, чтобы это можно было заметить, дети «эпохи рассудка» могли воспринимать только как заумную фантасмагорию.

Точнее говоря, в 1738 году профессор-математик из Санкт-Петербурга, столицы России, которого звали Даниил Бернулли, показал, что если представить газы состоящими из крошечных частиц, то из этого можно сделать вывод, что за давление газа отвечает движение этих частиц. Более того, предложенная им математическая модель, при которой скорость этих частиц возрастает по мере повышения температуры, в точности описывала реальные данные наблюдений. Однако его современники сочли эту теорию не более чем забавной спекуляцией. Большинство ученых предпочли принять на вооружение теорию теплорода — невесомого флюида, содержащегося в веществах, поскольку уже тогда было известно (по крайней мере, в представлении общественности) немало подобных флюидов в других областях: свет, электричество, магнетизм и т. п. Все были уверены в существовании такого явления, как «флогистон», — считалось, что его испускает в воздух любое вещество, сгорая или ржавея. Почему бы теплу не быть чем-то подобным? Так и сочли, и флюид тепла получил название «теплород».

Представление об одном из таких флюидов было торжественно похоронено в 1770-х годах, когда Лавуазье опроверг гипотезу о существовании флогистона, заменив ее тем представлением о природе горения и ржавления, которое мы разделяем и сейчас. Он показал, что при этих процессах не теряется или приобретается флогистон, а происходят химические реакции с содержащимся в воздухе кислородом. Однако существование теплорода тот же Лавуазье подтвердил, подкрепив эту теорию собственным авторитетом величайшего химика своего времени. Благодаря его заступничеству теория теплорода продержалась еще полвека, несмотря на лавинообразный рост фактов, свидетельствующих против нее.

Первые эксперименты, результаты которых однозначно указывали на ошибочность поддерживаемой Лавуазье теории теплорода, провел эмигрант из Америки Бенджамин Томпсон. Томпсон был тори и бежал из Америки во время Войны за независимость. Впоследствии, в 1791 году, курфюрст Баварский пожалует ему графский титул, и новоиспеченный граф вскоре женится, как ни забавно, на вдове самого Лавуазье. В историю он попал под именем графа Рамфорда.

В 1798 году граф Рамфорд наблюдал за высверливанием пушечного жерла в одной из оружейных мастерских курфюрста. В процессе погружения сверла в металлический цилиндр выделялось очень много тепла. Чтобы избежать перегрева, отверстие, в котором работало сверло, заливали водой и постоянно подливали ее по мере выкипания.

Сторонники теории теплорода не могли отрицать, что при такого рода трении вырабатывается тепло, и объясняли это так: металлический предмет всегда содержит тепло, а когда сверло вскрывает поверхность предмета, тепло выходит наружу. Рамфорд отметил в связи с этим два факта. Во-первых, количество содержащегося в металле тепла кажется бесконечным — сколько его ни сверли, тепло не перестает вырабатываться. А во-вторых, даже сточившееся сверло, уже практически не углубляющееся в металл, все равно производит не меньше тепла — а строго говоря, даже больше.

Рамфорду пришло в голову лишь одно вразумительное объяснение, почему при сверлении вырабатывается тепло — потому что в него переходит производимая работа. Рамфорд даже придумал единицу измерения механического эквивалента тепла на полвека раньше Джоуля, но выбранное им значение было слишком уж велико. Граф решил, что работа и тепло — тесно взаимосвязанные явления, и, поскольку работа, за которой он наблюдал, представляла собой механическое движение, Рамфорд заключил, что тепло тоже должно представлять собой одну из форм механического движения.

Через год, в 1799 году, близкий по сути эксперимент провел английский химик Гемфри Дэви. Он взял два куска льда и стал тереть их друг о друга с помощью механического устройства при температуре чуть ниже точки замерзания воды. Согласно господствовавшей на тот момент теории теплорода, при такой температуре лед просто не мог содержать в себе достаточно теплорода, чтобы растаять. Однако в процессе трения лед все же начинал таять. Дэви, как и граф Рамфорд, сделал вывод, что энергия движения переводится в тепло, а значит, тепло — это одна из форм движения.

Несмотря на это, теория теплорода господствовала в умах еще несколько десятков лет.

Поколебать ее господство удалось не путем изучения тепла как такового, а путем изучения материи. XVII и XVIII века стали периодом постепенного накопления знаний о свойствах газов. В четвертой главе уже упоминалось о законах Бойля и Шарля. Все эти знания просто взывали к тому, чтобы свести их в единую теорию вроде той, которую безуспешно пытался продвинуть Бернулли.

И вот в 1803 году английский химик Джон Дальтон продвинулся еще дальше. Он предположил, что не только газы, но и вообще любое вещество состоит из крошечных частиц, слишком маленьких, чтобы их можно было увидеть, неделимых и неразрушимых. Он назвал такие частицы «атомами». Этот термин происходит из древнегреческой философии, поскольку еще среди древних греков были философы, которые придерживались сходных взглядов. Однако греки в свое время не увидели в этих теориях ничего, кроме пустых рассуждений, и отвергли их. А Джон Дальтон — и это принципиальная разница! — положил в основу своих выводов строгие экспериментальные данные.

Несмотря на это, теория Дальтона не сразу овладела умами химиков — скорее всего, из-за того, что уложить в голове представление о существовании каких-то частиц, слишком малых для того, чтобы быть заметными в принципе, очень сложно. Но мало-помалу стало выясняться, что эта теория в силах дать ответ на многие вопросы. В ее рамках описывались не только свойства газов (как в теории Бернулли), но и многие свойства химических реакций твердых и жидких веществ. Все реакции обретали единую логику, если рассматривать их как взаимодействие различного рода атомов, связанных в определенные группы (позже их назовут «молекулами»), которые распадаются, чтобы дать возможность образовавшим их атомам связаться уже по-другому. Сами по себе атомы так и продолжали оставаться невидимыми, но преимущества, которые несла с собой теория атомов в отношении понимания свойств вещества, понемногу заставляли ученых ее принять.

Датировать завершение этого процесса можно 1858 годом, когда итальянский химик Станислао Канниццаро опубликовал трактат, где химические явления объяснялись через теорию атомов. Приводимые им объяснения были столь четкими и ясными, что непонимания не осталось уже ни у кого. Два года спустя на конференции химиков в Карлсруэ (Германия) Канниццаро активно отстоял эту теорию, убедив присутствующих как фактическими свидетельствами, так и силой собственного авторитета. С этого момента теория атомов стала единственной господствующей и продолжает оставаться таковой по сей день, хотя на сегодня об атомах известно уже, что они сами по себе гораздо сложнее тех неделимых маленьких шаров, лишенных собственных свойств, какими описывали их Дальтон и Канниццаро.

Взирая на материю, и в первую очередь на газы, как на совокупность одиночных атомов или, чаще, групп атомов, именуемых молекулами, логично было вернуться к давнишним рассуждениям Бернулли о том, как свойства газов можно объяснить через движение составляющих их частиц. Были проведены дополнительные эксперименты, результаты которых интерпретировались уже в свете теории атомов.

К примеру, Джоуль, проводя в 1840-х годах свои эксперименты по превращению всеми возможными способами работы в тепло, исследовал расширение газов такими способами, при которых работа не была задействована. Расширяясь, газы не толкали никаких поршней и не приводили в движение никаких предметов. Они просто расширялись в пустоту. Когда это происходило, Джоуль замерял температуру газов и сперва не обнаруживал ни ее повышения, ни понижения, как и ожидалось от процесса, в котором не задействована работа.

Однако в 1852 году, работая вместе с Томсоном (который позже станет лордом Кельвином), он установил, что на самом деле в таких случаях все же происходит небольшое понижение температуры. Это явление до сих пор называют «эффектом Джоуля—Томсона». Понижение температуры свидетельствует о том, что расширение газа на самом деле не является процессом, где не задействовано никакой работы. Молекулы газа испытывают друг к другу слабое притяжение, и движение против силы этого притяжения и есть тот момент, где совершается работа. Энергия, необходимая для совершения этой работы, берется из теплового содержания газа, так что в результате температура несколько падает.

Наличие этой силы межмолекулярного притяжения несколько усложняет расчеты, которыми должны описываться свойства газа, но химики-теоретики упростили себе жизнь, взяв за материал для своих формул некий воображаемый «идеальный газ», в котором сила притяжения между молекулами равна нулю, как и суммарный объем самих молекул.

Строго говоря, описываемая таким образом ситуация невозможна, но ее изобретение настолько упрощает расчеты, что позволяет теоретикам выводить из них простые законы. Эти законы приблизительно справедливы для реальных ситуаций и, будучи однажды сформулированными, в дальнейшем могут подвергаться всевозможным уточнениям для каждого конкретного случая. Это явно более благодарный подход, чем пытаться с самого начала математически просчитывать все детали реальных ситуаций.

И закон Бойля, и закон Шарля в точности применимы только к идеальному газу, и если свести их воедино, то мы получим простое «уравнение состояния газов», которое описывает состояние таких параметров газа, как температура, давление и объем. Зная любые два из этих параметров, можно сразу же высчитать третий. В отношении реальных газов результат таких расчетов будет соответствовать действительности лишь приблизительно (хотя порой очень близко к точному). Однако уравнение состояния газов вполне можно модифицировать таким образом, чтобы в нем учитывались и сила межмолекулярного притяжения, и объем молекул. Голландский физик Йоханнес Дидерик ван-дер-Ваальс с большим успехом привел одну из таких модификаций в 1873 году.

Я надеюсь, что это объяснит тот факт, что в течение 1850-х годов множество исследователей (в том числе и Клаузиус), прекрасно зная, что на самом деле это не так, продолжали дорабатывать работу Бернулли исключительно для газов с нулевым объемом частиц, не оказывающих друг на друга никакого воздействия. В результате родилась кинетическая теория газов, то есть теория, рассматривающая частицы в движении.

До совершенства эту теорию довели шотландский математик Джеймс Кларк Максвелл и австрийский физик Людвиг Больцман в 1859 году и за несколько последующих лет. Итогом их математического подхода (в условия которого входило, что молекулы газа движутся по прямой в случайно выбранных направлениях и сталкиваются друг с другом и со стенками камеры с абсолютной упругостью, не теряя при столкновении энергии) стало установление связи скорости движения молекул с температурой газа.

Представьте себе, что две молекулы газа столкнулись. Они отскакивают в разные стороны, изменив после столкновения направление движения и, вероятнее всего, скорость. Однако суммарный импульс системы остается при этом постоянным (см. главу 3), так что скорости, которые обе частицы могут иметь после столкновения, далеко не произвольны.

Но даже в этом случае распределение скоростей частиц после столкновения может быть различным. Если, к примеру, быстро движущаяся молекула сталкивается с медленно движущейся, то может получиться так, что медленная остановится, а быстрая отлетит в сторону еще быстрее, чем раньше, обладая всем суммарным импульсом обеих молекул до столкновения. Возможно также (причем куда более вероятно), что в результате скорости обеих молекул изменятся в сторону усреднения — быстро движущаяся молекула станет двигаться медленнее, а медленно движущаяся — быстрее.

Это можно наблюдать на примере бильярдных шаров. Во времена Максвелла атомы и молекулы так и представляли в виде сверхмалых бильярдных шаров. Сейчас их представляют уже не так; на самом деле сейчас уже известно, что строение их настолько сложно, что их невозможно представить в виде чего бы то ни было нам знакомого, не покривив при этом душой. Однако для описаний в рамках кинетической теории газов аналогии с бильярдными шарами вполне достаточно.

Предсказать, как именно перераспределятся скорости двух конкретных молекул после их столкновения, невозможно. Однако в отношении бессчетного множества квинтиллионов столкновений (а именно столько их и происходит каждую секунду в любом объеме газа, достаточно большом, чтобы его можно было увидеть) вполне допустимо использовать статистические методы для установления среднестатистического распределения скоростей. С их помощью можно показать, что молекулы любого заданного объема газа имеют некую «наиболее вероятную» скорость, к которой в той или иной степени тяготеют все молекулы этого объема. В любой отдельно взятый момент времени одни молекулы будут двигаться чуть (или значительно) быстрее этой «наиболее вероятной» скорости, другие — чуть (или значительно) медленнее.

Довольно сложное математическое выражение, получившее название «статистический закон распределения Максвелла—Больцмана» (рис. 5) в честь разработавших его ученых, позволило подсчитать процентное соотношение молекул любого заданного объема газа, относящихся к группам с различным значением скорости (при условии, что известны температура газа и масса составляющих его молекул). Если изобразить эту формулу в виде графика отношения скорости к процентному соотношению обладающих данной скоростью молекул, то получим плавную кривую, достигающую пика на значении равном «наиболее вероятной» скорости, а затем — так же плавно снижающуюся.

Теперь можно провести прямую связь между температурой и движением молекул газа. В любом газе, при любой температуре скорость отдельных молекул может принимать значения от нуля до крайне высокой. Однако наиболее вероятная скорость оказалась находящейся в прямой пропорции к квадратному корню от абсолютного значения температуры. По мере повышения температуры наиболее вероятная скорость молекул газа увеличивается. Если абсолютная температура возрастает в четыре раза, то наиболее вероятная скорость молекул — в два.

Так что для любого отдельного газа температура является величиной, тесно привязанной к наиболее вероятной скорости молекул. Однако для того, чтобы корректно обобщить это правило для любых газов, надо принять в расчет массу молекул этого газа. При любой заданной температуре, согласно формуле Максвелла—Больцмана, наиболее вероятная скорость обратно пропорциональна квадратному корню этой массы. Чем массивнее молекулы, тем медленнее они движутся. Молекула кислорода в шестнадцать раз массивнее молекулы водорода, поэтому молекула водорода движется в четыре раза (четыре — квадратный корень из шестнадцати) быстрее, чем молекула кислорода при любой заданной температуре.

Но кинетическая энергия, как уже объяснялось в главе 3, равняется произведению половины массы на квадрат скорости, и вкупе со всеми только что приведенными данными мы получаем, что при любой заданной температуре средняя кинетическая энергия молекул всех газов одинакова. Молекулы одного газа могут быть массивнее молекул другого, но тогда они обладают меньшей скоростью; если же их масса меньше, то и скорость их соответственно выше. Так или иначе, произведение массы на квадрат скорости будет во всех случаях одинаково. А поскольку скорость увеличивается пропорционально квадратному корню температуры, то и кинетическая энергия, пропорциональная квадрату скорости, является прямо пропорциональной температуре (см. рис. 5).

То есть можно сказать, что словом «температура» мы называем среднюю кинетическую энергию молекул, из которых состоит газ.

Оказалось, что это отношение справедливо для всех веществ, не только для газов. Точнее, для жидкостей и твердых тел сильно отличаются только условия. Молекулы, составляющие газ, находятся далеко друг от друга и движутся независимо. В жидкостях молекулы находятся в постоянном контакте и могут лишь скользить друг по другу, а в твердых телах — вообще жестко закреплены в общей структуре и даже скользить не могут. Тем не менее молекулы жидкостей начинают скользить друг по другу, а молекулы твердых тел — вибрировать на своих жестко установленных местах с большей энергией по мере возрастания температуры.

Аналогичным образом по мере понижения температуры все вещества теряют энергию, и при абсолютном нуле энергетическое содержание всех веществ сводится к минимуму. Собственно, до последнего времени принято было считать, что этот минимум равен нулю, но современная теория говорит о том, что даже при абсолютном нуле в веществе остается некий неизвлекаемый минимум энергии. Это объясняет, в частности, странные свойства гелия при температурах близких к абсолютному нулю.

Теперь давайте представим, что некий объем горячего газа вошел в соприкосновение с другим объемом холодного газа. Кинетическая энергия молекул горячего газа в среднем выше, чем молекул холодного газа. При столкновении двух молекул из разных объемов, скорее всего, кинетическая энергия «горячей» молекулы будет больше, чем «холодной», несмотря на то что вполне возможны и противоположные сочетания. Если вас смущает последняя оговорка, представьте себе такую аналогию: уровень жизни в США выше, чем уровень жизни, скажем, в Египте, так что наугад выбранный американец с преобладающей вероятностью окажется богаче наугад выбранного египтянина, хотя, конечно, в Египте можно найти людей, которые будут богаче многих американцев.

Точно таким же образом, не исключено, что в результате столкновения «горячая» молекула получит еще больше энергии за счет «холодной» молекулы и станет еще «горячее». (Понятно, почему я взял слова «холодная» и «горячая» в кавычки, — потому что отдельная молекула в принципе не может быть ни холодной, ни горячей, эти понятия применимы только в целом к системам, состоящим из огромного числа молекул.) Однако с большей вероятностью «горячая» молекула энергию потеряет, а «холодная» — получит, и обе останутся с неким усредненным количеством энергии, а значит — и температуры.

При большом количестве столкновений лишь единицы приведут к увеличению разности энергий участвовавших в них молекул, а подавляющее большинство — к уменьшению этой разности. Вероятность того, что при единичном столкновении «горячая» молекула приобретет энергию, а «холодная» — потеряет, мала, но вероятность того, что такая случайность повторится многократно, еще меньше.

Следовательно, в ходе множества случайных столкновений средняя кинетическая энергия молекул, а значит и температура, горячего газа (как и любого другого горячего предмета) уменьшится при контакте с холодным газом (или любым другим холодным предметом), а температура холодного, — наоборот, увеличится. Тепло будет перетекать от горячего предмета к холодному, пока средняя кинетическая энергия всех молекул обоих предметов не приобретет некое общее усредненное значение.

В чем отличия такого представления от старой теории тепла, как нематериального тока? Согласно старой теории, тепло перетекало от объектов с высокой температурой к объектам с низкой, повинуясь второму закону термодинамики, не подразумевающему ни исключений, ни модификаций. Согласно же кинетической теории, поток тепла есть среднестатистический результат случайных столкновений, который теоретически может оказаться и иным, так что второй закон термодинамики больше не может считаться абсолютно неизбежным. В принципе не исключено такое стечение обстоятельств, что множество «горячих» молекул наберут энергию из «холодных» и тепло перетечет, таким образом, из холодного предмета к горячему. То есть кинетическая теория не считает невероятным, что вода в чайнике, поставленном на огонь, не закипит, а замерзнет и огонь станет еще жарче.

Вероятность такого события (просчитанная на основе уравнений Максвелла) настолько ничтожно мала, что даже если бы вся Вселенная состояла только из стоящих на огне чайников, то шансов дождаться, чтобы хоть один из них замерз за все время существования Вселенной, у нас все равно не было бы практически никаких.

Разница между неизменным потоком тепла и потоком, испытывающим постоянные колебания, с философской точки зрения, конечно, огромна, но с практической настолько незначительна, что Максвеллу пришлось специально изобретать способ ее хоть как-то подчеркнуть. Поэтому он придумал крошечное существо, которое с заслонкой сидит на трубе, соединяющей две камеры с газом, температура в которых сначала одинакова. Существо, выдуманное Максвеллом, занималось следующим: когда к трубе подлетала из правой камеры быстро движущаяся молекула, оно пропускало ее через трубу, а медленные — не пропускала. Из левой же камеры оно, наоборот, пропускало все медленные молекулы, а быстрые — нет. Таким образом, в левой камере собирались быстро движущиеся молекулы, и сама камера нагревалась, а в правой — медленно движущиеся, и камера остывала. Таким образом, тепло перетекало бы из холодной камеры в горячую, что для старой теории тепла было неприемлемо, а для кинетической — вполне допустимо. Это воображаемое существо было названо «демоном Максвелла», и с тех пор этот «демон» известен как идеальный борец с энтропией.

Впрочем, подобные демоны водятся не только в наших фантазиях. В реальной жизни тоже существует некий аналог «демона Максвелла». Среднестатистические свойства молекул столь близки к неизменным только потому, что при обычных обстоятельствах мы имеем дело с телами, состоящими из огромного количества молекул. По мере уменьшения количества молекул в системе шансы наткнуться на заметное отклонение от среднестатистической вероятности возрастают. Когда речь идет о действительно малых количествах, ровное единообразие полностью пропадает.

В качестве такого примера можно назвать наблюдение, которое произвел в 1827 году шотландский ботаник Роберт Броун, отметивший, что цветочная пыльца, будучи распыленной в воде, как-то странно шевелится то в одном, то в другом направлении, очевидно, случайным образом. Сначала он решил, что пыльца движется сама, поскольку в ней скрыта живая сила, но вскоре обнаружилось, что подобным образом шевелятся и любые другие маленькие предметы (например, распыленные красители). В честь первооткрывателя это явление было названо «броуновским движением».

Примерно в 1890 году Больцман продемонстрировал, что броуновское движение можно объяснить с помощью кинетической теории. Он отметил, что любой находящийся в воде предмет со всех сторон подвергается бомбардировке молекулами окружающей его воды. Статистически количество ударов, получаемых им с одной стороны, будет уравновешиваться количеством ударов, получаемых с другой, и в итоге предмет будет оставаться неподвижным.

Понятно, что точно равным количество ударов с обеих сторон не будет, но при обычных обстоятельствах это не важно, разница будет незначительна. Если с одной стороны предмет получил квинтиллион ударов, а с другой в этот же момент — квинтиллион и двенадцать, то такое неравенство останется незамеченным. Однако при уменьшении размеров находящегося в воде тела общее число ударяющих по его площади одновременно молекул тоже уменьшится, и то же самое небольшое неравенство станет ощутимее. Если взять настолько маленькое тело, что одновременно в него будут ударять лишь сто молекул с одной стороны и сто двенадцать — с другой, эти двенадцать ударов разницы, незаметные в первом случае, теперь могут оказать вполне реальное воздействие. Больцман продемонстрировал, что применительно к очень малым телам случайное движение молекул, при котором возникает перевес ударного воздействия то в одну, то в другую сторону, вполне может привести к поведению характеризуемому броуновским движением.

Таким образом, мы имеем дело со своего рода демоном Максвелла, шевелящим тела, которым по прежней теории предназначено было пребывать в неподвижном состоянии. Поскольку движения частиц строго хаотичны, то никакой направленности в долгосрочной перспективе в отношении крупных тел в них просматриваться не может.

В 1905 году Альберт Эйнштейн разработал точную математическую модель броуновского движения, а в ходе точных экспериментов 20-х и 30-х годов XX века были измерены даже скорости движения молекул в газах, и оказалось, что их распределение в точности соответствует расчетам кинетической теории.

Энтропию тоже можно рассматривать в свете кинетической теории. Однако сначала разберемся в значениях слов «порядок» и «хаос».

Интуитивно мы называем «порядком» любое положение вещей, в котором присутствует некая математическая или логическая закономерность. Если же никакой системы в положении вещей вычленить невозможно, мы называем это хаосом.

Можно сказать так: порядок — это когда одну часть системы можно отличить от другой, а хаос — когда четкой границы нельзя провести нигде. Чем более четки различия между частями системы, тем более она упорядоченна.

Часто используемым примером упорядоченной системы является колода карт, где все карты сгруппированы по мастям и карты каждой масти расположены по старшинству. Заранее известно, что первая карта — пиковый туз, вторая — пиковый король и так далее по всем остальным мастям. Можно точно определить порядковый номер любой карты в колоде.

Если же разбивка колоды по мастям сохраняется, но в пределах каждой масти карты не расположены по старшинству, такая система уже менее упорядоченна. В отношении любой пиковой карты можно сказать только то, что она находится «где-то в первой четверти колоды», но точнее определить ее местонахождение уже невозможно.

Если же колода хорошо перетасована, то вообще ничего невозможно сказать ни об одной из карт. В этом случае мы имеем дело со «случайным распределением», то есть с хаосом.

Теперь давайте представим себе ситуацию возрастающей энтропии, например перехода тепла от горячего тела к холодному (это классический пример увеличения энтропии). По мере перетекания тепла горячее тело охлаждается, а холодное — нагревается, пока оба они не будут иметь некую среднюю температуру.

Во время этого процесса увеличивается не только энтропия, но и хаос. В частности, до начала теплопередачи оба тела (горячее и холодное) легко отличить друг от друга хотя бы по их температуре, если даже они и являются совершенно одинаковыми во всех остальных отношениях. По мере перетекания тепла от одного к другому разница между ними становится все меньше и в конце концов исчезает полностью.

Опять же, если свести вместе объем кислорода и объем водорода, температура и давление в которых равны, то они перемешаются, пока общий объем не будет содержать равномерную смесь обоих газов. Поскольку это спонтанный процесс, значит, при нем происходит возрастание энтропии. И поскольку в результате два легко различимых объекта становятся неразличимы, то, значит, хаос при этом тоже возрастает.

На самом деле в каждом конкретном случае можно провести параллели между возрастанием энтропии и возрастанием хаоса. Энтропия и хаос — это аналогичные явления.

Поскольку все спонтанные процессы подразумевают увеличение энтропии, то, значит, они подразумевают и увеличение хаоса. Странно было бы ждать, что тепло будет само по себе переходить от холодного тела к горячему, а смесь газов — сама по себе рассортировываться на составляющие.

Это утверждение справедливо и в отношении самого первого из наших примеров — колоды карт. Сложенная упорядоченным образом колода сама по себе, конечно, не перетасуется, но это лишь потому, что она вообще не будет подвергаться никаким изменениям. Но предположим, что мы создадим некие условия, при которых колода будет подвергаться неким изменениям, причем таким, которые будут определяться исключительно случайным образом. Например, если мы сбросим карты с крыши дома на мостовую. Тогда колода разлетится на отдельные карты. Если теперь эти карты собрать, не глядя на их достоинство, то в результате мы получим совершенно случайную последовательность, несмотря на то что начинали они свой полет в строгом порядке. Таким образом, мы имеем очередной спонтанный процесс, в котором возрастают и энтропия, и хаос.

Перетасовывание карт — тоже пример спонтанного процесса (в том смысле, что карты при нем распределяются случайным образом), при котором возрастают как энтропия, так и хаос. На самом деле честное перетасовывание карт случайным образом — обязательное условие для честной игры в карты.

Для того чтобы перевести колоду карт обратно из хаотичного в упорядоченное состояние, необходимо сесть и разложить ее, уделяя внимание каждой карте (то есть, в терминологии нашей первой главы, необходимо «совершить усилие», уменьшая энтропию). Глупо было бы ждать, что колода вдруг придет в упорядоченное состояние сама собой, если ее долго перетасовывать или подбрасывать в воздух.

Точнее, существует ненулевая вероятность, что перетасовывание колоды может привести к образованию где-то в ней коротенькой упорядоченной последовательности или даже длинной — ведь бывает же, что при сдаче на руках у одного играющего оказывается тринадцать пик. Это явление того же порядка, что и замерзание воды в поставленном на огонь котелке. Разница лишь в масштабах вероятности — увидеть на руках тринадцать пиковых карт вполне возможно лишь потому, что их в колоде всего пятьдесят две. Если бы карт в колоде было столько же, сколько молекул в котелке с водой, то и шансы вытащить случайным образом четверть из них так, чтобы все вытянутые карты оказались одной масти, были бы такими же ничтожными, как и увидеть замерзающую воду в котелке.

Из всех форм энергии тепло больше всех тяготеет к хаосу. То есть вещества, отличающиеся друг от друга только тепловым содержанием, труднее различить, чем вещества, отличающиеся количеством излучаемого света или положением в гравитационном или электромагнитном поле. Следовательно, во всех спонтанных процессах, где используется нетепловая энергия, часть энергии всегда переходит в тепло, что само по себе является примером возрастания энтропии.

По той же логике, все содержащееся в системе тепло никогда не может быть полностью переведено в нетепловую энергию, поскольку такой процесс подразумевал бы уменьшение энтропии. В действительности же если часть тепла переводится в другую форму энергии, то энтропия в оставшейся части возрастает настолько, что более чем компенсирует свое снижение, получившееся в процессе перехода тепловой энергии в нетепловую.

Таким образом, очевидно, что кинетическая теория газов, разработанная во второй половине XIX века, удовлетворительным образом объясняет термодинамические явления, зафиксированные в наблюдениях первой половины столетия под влиянием теории теплорода.

Однако, как уже упоминалось в начале главы, в рамках этой новой теории объясняется и то, как человеческий организм может производить работу, сохраняя при этом свою температуру неизменной, чего прежняя теория объяснить не могла. Я этого не забыл, и мы методично движемся к выполнению обещанного. Важнейшими понятиями теперь для нас станут «атом» и «молекула» — понятия, которых в прежней теории не было, но в новой являющиеся краеугольными.

Глава 7. ЧАСТИЦЫ, УДЕРЖИВАЕМЫЕ ВМЕСТЕ

Соблазнительно было бы думать о человеческом организме (и вообще о живой ткани) как о механизме, извлекающем работу из равномерно нагретой системы просто в силу каких-то особых своих свойств, позволяющих противодействовать энтропии. Ведь в конце пятой главы я уже начал было описывать живую материю в терминах энтропии.

Однако давайте не будем сосредоточиваться на тепле исключительно как на источнике работы только потому, что этим занимались на заре возникновения термодинамики. Формулировка второго закона этой науки, выдвинутая Кельвином, гласила, что тепло невозможно перевести в работу при условии отсутствия разности температур, но ведь, помимо тепла, существуют еще и другие виды энергии! Падающий камень совершает работу, несмотря на тот факт, что температура его в точности равняется как температуре вершины скалы, на которой он лежал, так и температуре подножия, на которое он падает. Важна не разность температур, а разность потенциалов энергии.

В таком случае остается установить, какую же именно энергию используют живые организмы, извлекая из нее работу. Но жизнь — слишком сложное явление, чтобы постичь его с наскоку, и для начала надо взять что-нибудь попроще.

Вернемся к тепловым машинам и зададимся вопросом: откуда берется энергия для изначального нагрева горячей камеры? Ответ прост — она получается в процессе горения. Дерево, уголь, нефтепродукты или газ сжигаются, и полученная в этом процессе энергия нагревает воду до состояния пара, что и делает возможным функционирование тепловых машин. Да, для того, чтобы запустить процесс горения, любое топливо надо сначала поджечь, но количество энергии, получаемой во время горения, во много раз больше, чем количество энергии, изначально затраченной на поджигание. Так откуда же берется эта энергия?

Это крайне важный для нас вопрос, поскольку, как я расскажу позже, достаточно давно было подмечено, что между горением угля и дыханием живых существ есть что-то общее. Казалось, что, если удастся найти источник энергии, таящейся, скажем, в холодном угле, нашедший его окажется на прямом пути к открытию источника энергии человеческого организма.

Так или иначе, давайте попробуем.

В XVIII столетии, на пике популярности теорий неуловимых флюидов, считалось, что уголь — это пример вещества полного флогистона. Считалось, что в процессе горения флогистон высвобождается и именно этот процесс и порождает выделение тепла и света, составляющих горение. Однако эта теория содержала в себе неустранимые внутренние противоречия, за что Лавуазье ее и разгромил.

Теперь требовалось новое объяснение того, каков же источник высвобождаемой при горении энергии, и до появления теории атомов этот пробел так и не был заполнен.

Ключевую подсказку к правильному ответу я уже привел в предыдущей главе, там, где упоминал эффект Джоуля—Томсона. (Напомню: газ, расширяющийся в вакууме, производит работу, поскольку молекулам при центробежном движении приходится преодолевать существующую между ними слабую силу притяжения.)

Значит, между молекулами существует сила притяжения, так же как и между небесными телами. Как существование силы гравитационного притяжения является основой для самого понятия о «потенциальной энергии», так и существование межмолекулярного притяжения является основой для некоего понятия, которое можно по аналогии назвать «химической энергией».

Возьмем, скажем, лед. Он состоит из молекул воды, находящихся в непосредственном контакте друг с другом и расположенных в строгом порядке. (Я не буду углубляться в доказательство этих фактов, упомяну лишь, что такой порядок атомов или молекул называется «кристаллическим» и что большую часть твердых веществ можно привести к кристаллическому виду.)

При заданной температуре ниже 0 °С отдельные молекулы в составе кристалла вибрируют в рамках выделенного им места. Однако кинетической энергии подобных вибраций недостаточно, чтобы преодолеть силу межмолекулярного притяжения, которое удерживает молекулы вместе так, что все молекулы продолжают оставаться на своих местах.

Если лед начать нагревать, молекулы будут вибрировать все быстрее и кинетическая энергия, которой они обладают, будет становиться все больше. По достижении температуры в 0 °С кинетическая энергия молекул становится достаточно мощной, чтобы преодолеть силу межмолекулярного притяжения, и кристалл льда распадается. Отдельные молекулы начинают свободно перемещаться по общему объему вещества — они больше не привязаны к конкретному месту в общей структуре. Короче говоря, твердый лед начинает таять и превращается в жидкую воду.

По мере дальнейшего нагревания тающего льда поступающее тепло не переходит в увеличение кинетической энергии отдельных молекул и, соответственно, температура не повышается. Вместо этого вся поступающая тепловая энергия тратится на преодоление силы межмолекулярного притяжения, так что лед продолжает таять. Молекулы талой воды в образующейся слякоти не обладают большей кинетической энергией, чем те молекулы воды, что еще связаны в кристаллической структуре, так что температура образующейся жидкости не выше температуры еще не растаявших кристаллов льда. Тем не менее в какой-то форме вода все же должна содержать больше энергии, чем лед, ведь молекулы воды сумели преодолеть силу, удерживающую их в кристалле, а молекулы льда — нет. Эта форма энергии и есть та «химическая» энергия, о которой я упомянул.

Таким образом, молекулы жидкой воды при температуре 0 °С содержат больше химической энергии, чем молекулы льда при той же температуре. Когда лед тает, получаемое тепло переводится в химическую энергию, а не в кинетическую, поэтому в процессе таяния температура льда не повышается. Лишь после того, как весь лед растает, получаемое тепло снова будет переходить в кинетическую энергию и приводить к дальнейшему повышению температуры.

На процесс перевода грамма льда с температурой 0 °С в грамм воды с той же температурой тратится 80 калорий, так что каждый грамм жидкой воды содержит на 80 калорий химической энергии больше, чем грамм льда с той же температурой. Именно это латентное тепло плавления открыл Блэк в период господства теории теплорода. Он не сумел внятно объяснить этот феномен (хотя и совершил героическую попытку сделать это), поскольку в своей теоретической базе использовал лишь «невесомые флюиды». Нам в этом отношении повезло больше.

Но ведь это еще не все. В жидкой воде (как и в любой жидкости) составляющие ее молекулы не закреплены в каком-либо определенном месте, но продолжают оставаться в непосредственном контакте, скользя друг по другу. От обретения дальнейшей независимости молекулы все же удерживаются некими силами. Дальнейшее нагревание жидкости приводит к двум следствиям. Часть тепла переводится в кинетическую энергию, так что молекулы начинают вибрировать быстрее, и температура жидкости повышается. Другая часть переходит в химическую энергию, придавая молекулам способность оторваться от остальных без повышения температуры. Так образуется пар.

При любой температуре вода (как и любая жидкость) в тех или иных масштабах испаряется. Если жидкость находится в закрытом сосуде, то часть пара обязательно конденсируется обратно в жидкость и устанавливается некое равновесие, так что при каждой заданной температуре существует свойственное ей определенное давление пара. Чем выше температура, тем выше это давление.

В обычных обстоятельствах атмосферное давление выше, чем давление водяного пара, и оно не дает молекулам воды масштабно отрываться от жидкости. Однако при температуре 100 °С давление пара сравнимо по силе с атмосферным, и вода, преодолев атмосферное сопротивление, начинает испаряться с максимальной интенсивностью — мы называем этот процесс кипением. Естественно, при более низком атмосферном давлении давление пара уравнивается с ним при более низкой температуре. Поэтому на большой высоте вода кипит при меньших температурах, и задача сварить яйцо вкрутую там приобретает особую сложность.

Пока вода кипит, все получаемое тепло переходит в химическую энергию, и вода с температурой 100 °С переводится в пар с такой же температурой. И опять же, грамм пара с температурой 100 °С содержит на 540 калорий больше, чем один грамм воды с той же температурой. Это латентное тепло кипения.

Естественно, когда пар конденсируется обратно в воду, он должен вернуть эту химическую энергию, которая переводится при этом снова в тепло. Поскольку грамм конденсирующегося пара отдает при этом 540 калорий, а грамм воды, остывающей затем со 100 °С до 0 °С, — всего 100, становится понятно, что большая часть работы, производимой паровым двигателем, получается за счет конденсации пара, а не за счет последующего остывания воды.

Водяной пар при любой температуре содержит больше химической энергии, чем жидкая вода при той же температуре. Именно поэтому при потении тело охлаждается. Химическая энергия, необходимая для испарения пота, берется из тепловой энергии тела, так что тело в результате остывает. Когда влажность воздуха так высока, что конденсация влаги практически уравновешивает ее испарение, пот собирается в капли, и мы говорим: «Проблема не в жаре, а во влажности».

Но и это еще не все. Молекула воды сама по себе не является простейшей частицей — нет, она состоит из трех атомов. Два из них — атомы водорода, один — кислорода. Три атома удерживаются воедино с помощью сил гораздо более крепких, чем те, что обеспечивают притяжение между соседними молекулами, настолько более крепких, что на ум сразу же приходят аналогии с веревками и канатами. Поэтому внутримолекулярные силы притяжения называют «химическими связями».

По мере нагревания воды (рис. 6) не только молекулы набирают кинетическую энергию и ускоряют вибрации — то же самое происходит и с составляющими эти молекулы атомами. Но даже когда вода нагревается достаточно для того, чтобы молекулы смогли разорвать все соединяющие их связи, полученной энергии еще недостаточно атомам, составляющим молекулу, чтобы разорвать куда более прочные внутримолекулярные связи. Даже водяной пар продолжает состоять из целых молекул воды.

Однако при температуре в несколько тысяч градусов энергия вибрации атомов приобретает достаточную силу, чтобы разорвать химические связи, и вода начинает разлагаться на водород и кислород. При температуре 3000 °С около четверти молекул воды распадаются на водород и кислород. Соответственно смесь водорода и кислорода содержит в себе больше химической энергии, чем аналогичная масса воды при той же температуре.

Но и водород с кислородом, образующиеся из распавшейся воды, тоже еще не являются простыми частицами! Пока что это газы, молекула каждого из которых состоит из двух связанных между собой атомов. Связи между этими атомами тоже могут распасться, если вещество нагреть еще больше. При температуре около 3500 °С около четверти молекул кислорода распадается на единичные атомы (с получением так называемого «атомного кислорода»), а доля молекул водорода, распадающихся при той же температуре на атомный водород, — еще больше, около трети. И опять же, в атомной форме водород и кислород содержат больше химической энергии, чем молекулярный водород и кислород при той же температуре.

При еще более высоких температурах атомы и водорода и кислорода могут распадаться на еще более мелкие частицы, но в рамках нашей книги мы на этом остановимся.

Из всего сказанного видно, что связи межатомного и межмолекулярного притяжения имеют различную силу и что при разрыве или образовании одной конкретной связи или ее замещении на другую всегда происходит некое изменение (в ту или иную сторону) содержания в веществе химической энергии. В случаях, когда химическая энергия набирается, надо учитывать энергию, поступающую в других формах (чаще всего в тепловой), чтобы не создавалось впечатления нарушения первого закона термодинамики.

Теперь мы можем дать ответ на вопрос, откуда же берется энергия горящего угля. Тепло и свет, испускаемые при горении, возникают за счет потерь химической энергии, причиной которых являются изменения в природе химических связей в угле и атмосферном кислороде.

Для того чтобы дальше говорить о подробностях типов взаимодействий с учетом изменений в природе химических связей (то есть о химических реакциях), при которых производится энергия в форме тепла и света, нам необходимо выучить язык химических записей. Это нужно не для того, чтобы «наукообразить» наше повествование, а, наоборот, для того, чтобы читать было удобнее. К счастью, язык химических записей очень логичен и прост.

Начнем с того, что на данный момент известно 103 различных химических элемента, то есть 103 различных вида атомов. В рамках этой книги все 103 нам не понадобятся. Достаточно будет около дюжины самых важных.

У каждого элемента есть конечно же собственное название, будь то простое, например «железо», или сложное, например «празеодимий». Кроме названия, известного всем химикам в мире, у каждого элемента есть еще и всемирно принятое краткое обозначение. Это одна-две буквы латинского алфавита — первая буква названия элемента по-латыни плюс, в большинстве случаев, еще одна буква из названия.

Уже самые первые исследования структуры атомов показали, что основной параметр, по которому атомы разных видов различаются между собой, — это их масса. То есть отдельный атом углерода всегда в двенадцать раз массивнее отдельного атома водорода; отдельный атом магния в два раза массивнее отдельного атома углерода и так далее. Поэтому атомам различных химических элементов присвоены также номера, отражающие их относительную массу. Массе атома кислорода было произвольно присвоено значение 16,0000, исходя из чего с учетом пропорций и все прочие атомы получили свой «атомный вес»[3].

В таблице 1 я привожу несколько химических элементов, с которыми мы будем дальше иметь дело в этой книге, — их символические обозначения и атомные веса. Для последних приводятся самые точные значения по новым, 1961 года, стандартам. Однако нет никакой необходимости запоминать все десятые, сотые и тысячные доли. Большая часть значений атомных весов с легкостью округляется до целых единиц, и принято считать, что атомный вес водорода — 1, углерода — 12, натрия — 23, серы — 32 и так далее. Пожалуй, единственными случаями, когда десятичные цифры стоит брать в расчет, являются хлор с его 35¹/₂ и магний с его 24¹/₂.

Писать «С» вместо «углерод» или «Н» вместо «водород» быстрее и проще, особенно это важно для химиков, которые тратят большую часть времени

при написании своих работ на указание названий элементов. Когда же речь заходит об обозначении молекул, состоящих из различных сочетаний атомов, экономия становится просто невероятной. Здесь использование символики перестает уже быть вопросом одной лишь экономии сил и времени, а становится важной составляющей ясности подхода; вы и сами поймете это по ходу книги.

Возьмем, к примеру, кислород. В нормальных условиях это газ, состоящий из молекул, каждая из которых состоит, в свою очередь, из 2 атомов кислорода. Следовательно, если мы просто говорим «кислород», то непонятно, что именно мы имеем в виду: атомы или молекулы. Можно, конечно, вносить ясность путем добавления уточняющих определений — говорить «атомный кислород» или «молекулярный кислород», но опять же, мало того что мы при этом чрезмерно усложняем речевой оборот, так к тому же цель еще и остается при этом не полностью достигнутой. Ведь есть еще, например, такая форма молекулярного кислорода, как озон, в котором молекула состоит не из двух, а из трех атомов.

Для упрощения и конкретизации вопроса нужно всего лишь дописать к символу — обозначению элемента циферку, и мы получаем химическую формулу вещества, которая сама по себе говорит нам о строении молекулы. Таким образом, просто О обозначает атомный кислород (совсем уж дотошные педанты могут записывать его как О₂ но по умолчанию и так принято считать, что если символ написан без дополнительных цифровых обозначений, то подразумевается «1»).

Молекулярный кислород обычного типа пишется O₂, а озон — О₃.

Точно так же азот, водород и хлор — все они в обычном виде тоже представляют собой газы, состоящие из двухатомных молекул, и записываются так: N₂, H₂ и Cl₂.

Не всегда предмет состоит из молекул четко определяемого состава. Например, кусок углеродного материала (например, угля) состоит из множества атомов углерода, объединенных между собой очень сложными химическими связями. В принципе кусок угля можно рассматривать как единую огромную молекулу. Однако для простоты химические элементы в твердом состоянии обозначает просто как атомы, игнорируя при этом реальные связи между этими атомами. Поэтому углерод в его твердом естественном состоянии обозначается просто как С.

Буквенно-цифровую систему можно использовать и в том случае, если молекула состоит из атомов нескольких разновидностей (такие вещества называют «сложными»). Так, например, формула сложного вещества хлороводорода (это газ, состоящий из двухатомных молекул, один из атомов которой — водород, а второй — хлор) записывается так: НСl.

Молекула воды, состоящая из 2 атомов водорода и 1 атома кислорода, записывается как Н₂O (эту формулу знают все, даже те, кто не имеет ничего общего с химией), а формула углекислоты, состоящей из 1 атома углерода и 2 — водорода, обозначается как СO₂.

Каждая молекула имеет свой молекулярный вес, равный сумме атомных весов всех составляющих ее атомов. Молекулярный вес молекулы кислорода, O₂, равняется 16 + 16, то есть 32. Молекулярный вес углекислоты — 12 + 16 + 16 то есть 44, и так далее.

Формулы можно использовать для описания химических реакций более быстрым и точным образом, чем в словесном рассказе. Например: уголь, представляющий собой практически чистый углерод, при горении вступает в соединение с содержащимся в воздухе кислородом, в результате чего получается углекислота. Химическая реакция в данном случае записывается так:

Это можно перевести как «углерод плюс кислород равно углекислота», и является прекрасным примером химического выражения.

Таким же образом, водород вступает в соединение с кислородом, в результате чего получается вода. Это можно записать таким образом:

Но химиков такая запись не может полностью удовлетворить, и вот почему.

В первой из двух вышеприведенных реакций, где речь шла о сочетании углерода и кислорода, видно, что ни один атом не «остался без дела», все они закономерно перешли из левой части уравнения в правую. У нас изначально имеется 1 атом углерода (представляющий собой уголь) и 2 атома кислорода (представляющие собой молекулу кислорода), а в результате мы получаем 1 молекулу углекислоты, в которой содержатся и тот самый атом углерода, и те самые 2 атома кислорода.

Но вот во втором выражении, где речь идет о соединении водорода и кислорода, дело обстоит иначе. Здесь у нас с самого начала имеется 2 атома водорода (представляющие собой молекулу водорода) и 2 атома кислорода (представляющие собой молекулу кислорода), но в результате мы получаем молекулу воды, включающую в себя оба атома водорода, но при этом лишь один из двух атомов кислорода. Такая «неуравновешенная» запись процесса может ввести в заблуждение, поскольку позволяет предположить, что 1 атом кислорода просто исчез, чего на самом деле, понятно, случиться не могло. Более того, для того, чтобы использовать такие выражения для количественного расчета, они должны быть уравновешенными (рис. 7).

Для того чтобы уравновесить выражение, надо указать соответствующее количество для каждого участвующего в реакции элемента. Вот как выглядит уравновешенное выражение для соединения водорода и кислорода:

В этом случае мы изначально берем 4 атома водорода и 2 атома кислорода и в результате имеем те же 4 атома водорода и 2 атома кислорода. Все сходится!

Конечно, можно написать

или

и, таким образом, тоже уравновесить выражение, но принято все же использовать наименьшую цифру из возможных.

Впрочем, если и принято использовать только целые числа в химических выражениях, то это правило не является универсальным. Когда речь идет о вырабатываемой в ходе химической реакции энергии (а именно об этом я и собираюсь рассказывать), часто удобнее бывает обозначать единый атом кислорода как ¹/₂O₂. Это не совсем хорошо, поскольку может навести на мысль о том, что «полумолекулы» существуют на самом деле, а это не так. Однако с таким отображением удобнее вести энергетические расчеты, так что выражение для соединения водорода и кислорода можно записать и так:

В этом выражении мы изначально имеем 2 атома водорода и 1 атом кислорода (полмолекулы), а в результате получаем 2 атома водорода и 1 атом кислорода, так что выражение получается сбалансированным.

Можно привести пример подобного выражения и без участия кислорода. Водород и хлор вместе могут образовывать хлороводород, а натрий и хлор — хлорид натрия (это привычная нам поваренная соль). Эти процессы описываются такими выражениями:

Очевидно, что использование целых чисел — простейший способ записать выражения в уравновешенном виде.

Итак, ход химических реакций благодаря применению специальных обозначений стал нам понятнее, и теперь мы можем, как я уже говорил, использовать эти выражения для различного рода вычислений.

Возьмем, к примеру, выражение, представляющее соединение водорода и хлора:

Оно показывает, что в ходе химической реакции одна молекула водорода реагирует с 1 молекулой хлора для создания 2 молекул хлороводорода. В реакцию вступают равные количества молекул водорода и хлора — один к одному, два к двум, десять к десяти, миллиард к миллиарду. Однако это не значит, что и массы вступающих в реакцию газов будут одинаковы, поскольку одна молекула хлора гораздо тяжелее, чем одна молекула водорода; соответственно и масса участвующего в реакции хлора будет больше, чем реакция участвующего в ней же водорода.

Поскольку атомный вес водорода равен 1, а хлора — 35¹/₂, то молекулярный вес Н₂ равен 1 + 1, то есть 2, а молекулярный вес Cl₂ равен 35¹/₂ + 35¹/₂, то есть 71. Вне зависимости от того, сколько пар молекул — по одной молекуле хлора и водорода — вступают в реакцию, отношение их масс всегда будет составлять 2:71. Так, две унции водорода вступят в реакцию с 71 унцией хлора; два фунта водорода — с 71 фунтом хлора; две тонны водорода — с 71 тонной хлора и так далее.

Удобнее всего, конечно, рассматривать, как и принято в химической науке, 2 грамма водорода и 71 грамм хлора.

Еще до того, как были установлены подробности касательно атомного строения молекул, химики уже выяснили путем точных измерений, что 2 грамма водорода вступают в реакцию с 71 граммом хлора. И только после того, как в результате долгих наблюдений они поняли, что хлор с водородом соединяются 1:1, был сделан вывод о том, что молекула хлора в 35¹/₂ раза тяжелее молекулы водорода и что атом хлора в 35У₂ раза тяжелее атома водорода. Именно отношение весов в сочетаниях и позволило впервые установить значения атомных весов различных химических элементов.

Впоследствии оказалось, что количество молекул водорода в 2 граммах этого вещества равняется примерно 6O2 000 000 000 000 000 000 000.

Это огромное число принято называть «числом Авогадро», поскольку установлено оно было в ходе исследований, которые проводил итальянский химик Амадео Авогадро примерно в 1810 году. Число Авогадро обычно обозначают N, и, поскольку это гораздо проще, чем писать его целиком, именно так я и буду его в дальнейшем приводить.

Таким образом, можно сказать, что N молекул Н₂ весят 2 грамма. Поскольку отдельная молекула Cl₂ в 35¹/₂ раза массивнее, чем отдельная молекула Н₂, то N молекул Cl₂ тоже должны весить в 35¹/₂ раза больше, чем N молекул Н₂. Поэтому вес N молекул Cl₂ должен составлять 2 х 35¹/₂, то есть 71 грамм.

Подобные рассуждения справедливы для любых молекул. Вес N молекул любого вещества относится к весу N молекул водорода как вес одной молекулы этого вещества к весу N молекул водорода.

Число N было выбрано по той причине, что вес N молекул водорода равняется молекулярному весу водорода в граммах. То есть молекулярный вес водорода — 2, а вес N молекул водорода — 2 грамма. И, согласно описанным в предыдущем абзаце пропорциям, N молекул любого вещества будут иметь вес равный молекулярному весу этого вещества, выраженному в граммах. Как уже быkо установлено, N молекул Cl₂ весит 71 грамм, а молекулярный вес хлора — 71.

Поскольку молекулярный вес воды, H₂O, равен 1 + 1 + 16, то есть 18, то мы сразу же можем сказать, что N молекул воды будут весить 18 граммов, а N молекул углекислоты (молекулярный вес которой — 44) будут весить 44 грамма.

Вес равный молекулярному весу вещества, только в граммах, называют «грамм-молекулярным», или «молярным», а количество вещества в таком случае получило название «моль». Так что N молекул любого вещества — это 1 моль этого вещества. Один моль водорода весит 2 грамма, 1 моль воды — 18 граммов, 1 моль углекислоты — 44 грамма и так далее. Веса во всех этих случаях различны, но количество вещества определяется не весом, а количеством молекул.

Естественно, все вышеизложенное справедливо и для отдельных атомов. Так, N атомов углерода (С) весят 12 граммов, а N атомов серы (S) весят 32 грамма. Атомный вес, выраженный в граммах, правильнее было бы называть «грамм-атомным» весом. Однако простоты ради я буду использовать термин «моль» применительно и к грамм-молекулярному, и к грамм-атомному весу.

Таким образом, химические выражения могут трактоваться двояко. Они описывают как поведение одного атома или одной молекулы, так и поведение N атомов или молекул. К примеру, выражение

можно читать как «две молекулы водорода плюс одна молекула кислорода переходят в две молекулы воды», а можно как «два моля водорода плюс один моль кислорода переходят в два моля воды». Поскольку молекулярные веса водорода, кислорода и воды составляют 2,32 и 18, то 1 моль каждого из них весит соответственно 2 грамма, 32 грамма и 18 граммов. Так что вышеприведенное выражение можно прочесть и так: «4 грамма водорода плюс 32 грамма кислорода переходят в 36 граммов воды».

Как видно, закон сохранения материи при этом не нарушается. Изначально мы имеем 36 граммов водорода и кислорода, а в итоге — 36 граммов воды. Это справедливо только тогда, когда выражение записано в уравновешенной форме.

Еще раз: видя перед собой выражение типа

мы можем прочесть его трояко:

а) «один атом углерода плюс одна молекула кислорода переходят в одну молекулу углекислоты»;

б) «один моль углерода плюс один моль кислорода переходят в один моль углекислоты»;

в) «12 граммов углерода плюс 32 грамма кислорода переходят в 44 грамма углекислоты».

Вот мы и освоили язык химических формул в том объеме, который будет необходим нам для рассуждений об изменении энергетического содержания веществ в ходе химических реакций аналогичных (хочется верить) тем, что происходят в организме человека.

Глава 8. ТЕПЛО И ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

Способа напрямую измерить химическую энергию не существует, но тепловую энергию измерить несложно. Предположим, что некоторую реакцию проводят в замкнутой камере, запуская ее, скажем, через электрический провод. Со всех сторон камера омывается определенным количеством воды, которая тщательно перемешивается. Вся система «камера плюс вода» изолирована во избежание теплообмена с окружающей средой.

Предположим, что в камере электрический ток поджигает смесь водорода с кислородом. В результате происходит вспышка и образуется вода. Химическая энергия, представленная связями между атомами водорода и кислорода в молекулах соответствующих газов, больше, чем представленная связями в молекуле воды. Поэтому при переходе от кислорода и водорода к воде химическая энергия теряется. Но эта потеря химической энергии строго уравновешивается выработкой равного количества энергии в форме тепла.

Когда в камере появляется это тепло, температура окружающей камеру воды повышается. Перемешивание воды обеспечивает ее равномерный и как можно более быстрый прогрев. Изоляция системы гарантирует, что повышение температуры воды происходит исключительно за счет повышения температуры в камере.

Измерение повышения температуры заранее известного объема воды позволяет подсчитать количество калорий тепла, вырабатываемого в ходе реакции («теплоту реакции»), что автоматически свидетельствует об аналогичном изменении в содержании химической энергии. Строго говоря, при обычной реакции горения не вся вырабатываемая в ее ходе энергия уходит в тепло, поскольку, как правило, кроме тепла вырабатывается еще и значительное количество света. Однако в замкнутой камере любой вырабатываемый свет быстро поглощается стенами и переводится в тепло. Есть крайне малая вероятность того, что реакции будет сопутствовать увеличение химической энергии, и тогда для уравновешивания этих изменений должно будет исчезнуть эквивалентное количество тепла, и, следовательно, температура окружающей камеру воды понизится.

Такую камеру называют калориметром (от латинских слов «тепло» и «мерить»), а исследования, проводимые с ее использованием, — калориметрическими. Реакции, производимые в камере калориметра, обычно происходят со скоростью взрыва, поэтому саму камеру иногда называют «бомбой» (рис. 8).

История современных способов калориметрии началась с экспериментов датского химика Юлиуса Томсена и французского физика Пьера Эжена Марселена Бертло, которые произвели сотни калориметрических измерений во второй половине XIX века.

Измеряя теплоту реакций превращения смеси водорода и кислорода в воду, невозможно установить абсолютное количество химической энергии, присутствующей в смеси водорода и кислорода, или в воде. Можно измерить лишь разницу химических энергий до и после реакции — разность уровней химической энергии воды и смеси водорода и кислорода. Но только эта разность и может представлять практический интерес для химика, поскольку, согласно второму закону термодинамики, количество работы, которое можно извлечь из химической реакции, зависит только от разности уровней химической энергии, так же как и количество работы, которое можно извлечь из тепловой машины, зависит только от разности уровней тепловой энергии (то есть температур).

В физике и математике любую разность часто представляют греческой буквой «дельта» (Δ) перед самим значением. Таким образом, если мы обозначаем энергию буквой Е, то разность энергий будет обозначаться как ΔЕ, что читается как «дельта Е». Применительно к реакции получения воды из водорода и кислорода, ΔЕ может представлять как потерю химической энергии во время этого процесса, так и получение тепловой. Естественно, в обоих этих случаях она будет иметь одно и то же значение.

Однако измерение теплоты реакции можно проводить двумя способами. Вещества, вступающие в химическую реакцию, можно брать в определенных количествах, как это делается в калориметрах. Объем бомбы калориметра в ходе реакции не меняется. Если в результате реакции увеличивается количество газа (а калориметрические эксперименты проводят чаще всего именно с газами или парами), занимаемый им объем все равно остается прежним и соответственно давление возрастает. И если количество газа уменьшается, объем все равно остается прежним и давление падает. Обозначение ΔЕ специально относится к изменению энергии именно в данных условиях сохранного объема и переменного давления. (Иногда используется обозначение ΔU, но я буду придерживаться ΔЕ.)

С другой стороны, можно представить себе и ситуацию, когда реакция проводится в сосуде, верх которого представляет собой поршень, способный сдвигаться вверх и вниз без трения, герметично прилегая при этом к стенкам сосуда. В таком сосуде давление меняться не будет, поскольку оно всегда будет оставаться ровно таким, чтобы держать вес поршня. При возрастании давления поршень будет двигаться вверх, пока объем той части сосуда, где произошла реакция, не вырастет настолько, что давление опять приобретет прежнее значение. Если же давление упадет, то и поршень двинется вниз, что приведет к уменьшению объема и увеличению давления до уравновешивающего значения. В таких условиях, независимо от того, как меняется в ходе реакции количество газа, давление останется неизменным, а меняться будет только объем. Тогда реакция будет происходить при постоянном давлении и переменном объеме.

Один моль любого газа при нормальном атмосферном давлении занимает всегда один и тот же объем (22,4 литра), поскольку размер молекул не влияет на их количество в заданном объеме. В реакции водорода и кислорода

2 моля водорода соединяются с 1 молем кислорода для образования 2 молей воды (разумеется, при той температуре, при которой происходит эта реакция, вода образуется в единственно возможной форме — газообразной, то есть получается водяной пар). Иначе говоря, на входе реакция имеет 3 моля газов, а на выходе — только 2. (Разумеется, масса участвующего в реакции вещества не меняется; просто в воде атомы сгруппированы плотнее, чем в водороде и кислороде.)

В камере с поршнем это уменьшение объема тут же вызовет втягивание поршня, и давление восстановится на прежнем уровне. В бомбе калориметра, где объем уменьшиться не может, вместо этого на треть уменьшится давление (возможно, это проще понять, рассмотрев рис. 9).

В первом и во втором случаях будет зафиксировано разное количество изменения энергии. При постоянном давлении оно будет больше, чем при постоянном объеме. Символ, которым обозначают изменение энергии при постоянном давлении, — ΔН, где Н — тепловое содержание, иначе именуемое «энтальпия». Таким образом, для нашей конкретной реакции ΔН больше, чем ΔЕ. Это отношение можно выразить и математически, и одно можно без проблем вывести из другого.

В природе химические реакции происходят обычно при постоянном давлении — это атмосферное давление, и оно практически всегда одинаково. Поэтому из двух названных нами величин больше практической ценности имеет ΔН, и получаемую с помощью калориметра ΔЕ переводят в ΔН.

Возникает вопрос и о том, для какого количества материала подсчитывается ΔН. Очевидно, что если в кислороде сжечь 10 граммов водорода, то будет произведено в десять раз больше тепла, чем если сжечь 1 грамм. Более того, каким образом сравнивать тепло от сжигания водорода с теплом от сжигания углерода? Если сжечь для сравнения по грамму того и другого, то как учесть при этом тот факт, что 1 грамм водорода содержит в двенадцать раз больше атомов, чем 1 грамм углерода?

Химики решили, что полезнее всего с практической точки зрения определять тепло реакции на молярной основе, то есть сравнивать теплоту реакции 1 моля водорода, сжигаемого в кислороде, с теплотой реакции 1 моля опять же сжигаемого в кислороде углерода. Тогда веса участвующих в реакции веществ будут разными, но количество молекул — одинаковым, а это важнее.

Поэтому ΔН, как правило, принято понимать как «молярную теплоту реакции при постоянном давлении». Это та величина, на которую изменяется тепловое содержание 1 моля интересующего нас вещества при его вступлении в реакцию.

Вернемся к примерам. Вот еще одно соединение — углерода и кислорода:

Молярная теплота данной реакции — 94,03 килокалории. Поэтому для полноты уравнения это значение тоже следует указать в выражении, поскольку в полном значении этого слова соединение углерода и кислорода производит не только углекислоту, но и энергию в виде света и тепла. Поэтому в полном виде наше выражение будет выглядеть так:

Это можно прочесть так: 1 моль углерода плюс 1 моль кислорода производят 1 моль углекислоты плюс 94,03 килокалории. Или так (что то же самое): 12 граммов углерода плюс 32 грамма кислорода производят 44 грамма углекислоты плюс 94,03 килокалории.

Чаще же теплоту реакции не вписывают в само уравнение, а указывают сбоку, как отдельный параметр, таким образом:

ΔН = -94,03 ккал.

Обратите внимание, что значение ΔН в данном случае приведено как отрицательная величина. Дело в том, что при соединении углерода с кислородом химическая энергия системы уменьшается, а тепловая — увеличивается. Если рассматривать этот процесс с точки зрения химической энергии, то изменения в энергетическом содержании покажутся отрицательными, а если с точки зрения тепловой — то положительными. Количество энергии, естественно, остается неизменным, независимо от точки зрения, при условии, что в процессе рассмотрения различных реакций сама точка зрения тоже остается неизменной. В течение некоторого периода одни химики расценивали изменения в энергии, при которых отдается тепло, как положительные, а другие — как отрицательные. В результате получалась путаница, и сейчас решено в этом случае использовать всегда отрицательное значение.

Далее, рассмотрим процесс горения водорода. Этот процесс можно, как я уже говорил, описать двумя способами, каждый из которых будет уравновешенным:

Химиков интересует, как правило, тепло, вырабатываемое при сжигании 1 моля водорода, так что второе выражение, при котором используется 1 моль водорода, является для них предпочтительным. (Для любых же других химических целей, за исключением подсчета теплоты реакции, предпочтительным является первое выражение.)

Итак, идем дальше: данные калориметрических измерений позволяют нам написать

ΔН = -68,37 ккал.

Это то значение теплоты реакции, которое получается, если дать получаемой воде остыть до жидкого состояния, иначе говоря, в нее включается и отдаваемая при остывании латентная теплота парообразования. Если же вода остается в газообразном состоянии, то без латентной теплоты парообразования ΔН становится равной только -57,8 килокалории. Однако такого рода уточнения, как бы важны они ни были для химиков, для нас сейчас не будут представлять особого интереса.

Сравнивая теплоту реакции горения углерода с теплотой реакции горения водорода, мы сравниваем их моль к молю. Один моль горящего углерода отдает почти в два раза меньше тепла, чем 1 моль горящего водорода. Но моль углерода весит 12 граммов, а моль водорода — всего 2 грамма. Если мы будем сравнивать эти вещества грамм к грамму, мы увидим, что 1 грамм углерода при сжигании отдает ^94,03/₁₂, то есть 7,8 килокалории, а грамм водорода — ^68,37/₂, то есть 34,2 килокалории. Соответственно при весовом подходе (который является естественным для всех, кроме химиков) логично сделать вывод, что при сжигании водорода вырабатывается почти в 4¹/₂ раза больше энергии, чем при сжигании углерода. Так что всегда важно знать, что именно предстоит сравнивать.

Уголь представляет собой практически чистый углерод, а водород — он и есть водород. Однако существуют важные виды топлива, молекулы которых содержат более одного вида элементов. В состав молекул различного вида нефтепродуктов — бензина, керосина, дизельного топлива — входят и водород, и углерод. В состав древесины входят молекулы, содержащие и углерод, и водород, и кислород. Такие молекулы, хоть и гораздо более сложны, подчиняются тем же самым законам. Возьмем для примера метан, основную составляющую так называемого «природного газа», используемого в газовых плитах и газовом отоплении. Молекула метана состоит из 1 атома углерода и 4 атомов водорода (СН₄). Вот так выглядит выражение, описывающее соединение метана с кислородом:

ΔН — -210,8 ккал.

Как видно из формулы, при этом образуются и углекислота, и вода.

Если оценивать молярно, то метан способен вырабатывать больше тепла, чем и углерод, и водород по отдельности. Однако молекулярный вес метана — 16 складывается из 12 — веса атома углерода и 4 — веса 4 атомов водорода. Соответственно 1 грамм метана выделяет при горении ^210,8/₁₆, то есть 13,2 килокалории. Это больше, чем тепло, высвобождаемое при горении 1 грамма углерода, но меньше, чем тепло, высвобождаемое при горении 1 грамма водорода. Собственно, этого и следовало ожидать от вещества, состоящего частично из углерода, частично из водорода.

Пример еще более сложной молекулы — этиловый спирт (известное вещество, присутствующее в пиве, вине и виски и других алкогольных напитках). Его молекула состоит из 2 атомов углерода, 6 атомов водорода и 1 атома кислорода (С₂H₆O).

Так выглядит выражение для реакции его горения:

ΔН = —327,6 ккал.

Молекулярный вес этилового спирта — 46 (24 — 2 атома углерода, 6 — 6 атомов водорода, 16 — 1 атом кислорода), так что при сгорании 1 грамма этилового спирта высвобождается ³²⁷⁶/₄₆, то есть 7,1 килокалории. Это гораздо меньше, чем при сгорании грамма водорода или метана. Это даже меньше, чем при сгорании 1 грамма углерода. Дело в том, что в молекуле спирта уже имеется 1 атом кислорода, поэтому такую молекулу можно рассматривать, так сказать, как уже частично сгоревшую. Один из 7 атомов кислорода, необходимых для связывания всех имеющихся атомов углерода и водорода в углекислоты и воду, уже присутствует в молекуле.

Участие в реакции кислорода не является обязательным условием выделения при ней тепла (хотя именно реакции такого плана с участием кислорода стали первыми известными человечеству). На самом деле любые химические изменения имеют некоторую теплоту реакции. К примеру, в предыдущей главе уже приводились выражения для реакции формирования хлороводорода из водорода и хлора и хлорида натрия — из натрия и хлора.

ΔН первой из этих реакций 22,6 килокалории (для создания 1 моля хлороводорода из половины моля водорода и половины моля хлора), а второй 98,3 килокалории (для создания 1 моля хлорида натрия из 1 моля натрия и половины моля хлора).

Существует такой тип веществ, как кислоты, характеризующийся определенным набором свойств, который может вступать в реакцию с другим типом веществ, так называемыми основаниями, обладающими свойствами прямо противоположными кислотным. В результате этих реакций образуются вещества, чьи свойства не близки ни кислотам, ни основаниям. Такие реакции называются «реакциями нейтрализации», и мы приведем пример одной из них. Вот как реагирует хлороводород, раствор которого имеет кислотные свойства, с гидроксидом натрия, раствор которого является основанием (в результате реакции получаются хлорид натрия и вода):

ΔН = -137,4 ккал.

Даже такие процессы, которые химическими можно назвать лишь с некоторой натяжкой, например растворение некоего вещества в воде, могут выделять тепло реакции. Это вполне логично, поскольку при растворении вещества происходит замена сил, удерживающих его молекулы вместе, на силы, удерживающие его молекулы посреди молекул воды. Так, если в воде растворить карбонат натрия (пищевую соду), то ΔН этого процесса (именуемого в данном случае «молярной теплотой растворения», а не «молярной теплотой реакции») составит около -5,64 килокалории.

Остановимся поподробнее на карбонате натрия. Формула этого вещества — Na₂CO₃, молекулярный вес — 106 (46 — вес 2 атомов натрия, 12 — вес углерода и 48 — вес 3 атомов кислорода), так что растворение 1 грамма карбоната натрия приведет к выделению ⁵⁶⁴/₁₀₆, то есть 0,053 килокалории. Это 53 калории, то есть меньше тепла, чем выделится при замерзании 1 грамма воды, так что неудивительно, что факт выделения тепла при растворении соды остается незамеченным.

Изменения химической энергии не должны нарушать законы термодинамики. Я уже упоминал об этом, когда подчеркивал, что изменение уровня химической энергии должно компенсироваться противоположным изменением уровня тепловой энергии, чтобы не оказался нарушенным первый закон термодинамики. Но это еще не все.

Самый первый закон о свойствах химической энергии вывели в свое время Лавуазье и другой французский ученый, Пьер Симон де Лаплас, который в 1780 году на основании достаточно грубых (по позднейшим меркам) измерений сделал вывод, что тепло, поглощаемое при разложении вещества на составляющие, равняется теплу, затрачиваемому на то, чтобы создать это же вещество из этих же составляющих.

Вот пример. Я уже говорил, что при соединении водорода и кислорода выделяется 68,37 килокалории тепла на моль сгоревшего водорода, или (что то же самое, как видно из уравнения) на моль получившейся воды:

ΔН = -68,37 ккал.

Следовательно, согласно закону Лавуазье—Лапласа, разложение 1 моля воды на водород и кислород (выражение для этого действия можно получить, просто обратив вспять выражение для создания воды из составляющих) потребует приложения 68,37 килокалории энергии, то есть

ΔН = +68,37 ккал.

В данном случае значение ΔН положительно, поскольку вода в ходе реакции получает, а не отдает химическую энергию за счет того, что для того, чтобы реакция разложения молекулы воды оказалась возможной, к ней прилагают энергию тепловую или (что чаще) электрическую.

Можно провести аналогию между химической энергией и механической. В механике кинетическая энергия движущегося вверх предмета полностью преобразуется в потенциальную энергию в верхней точке подъема, а затем — обратно в изначальную кинетическую энергию в нижней точке падения. Точно таким же образом нехимическая энергия, которую получает вода, переводится в химическую путем распада на смесь водорода с кислородом, а затем вновь переходит в нехимическую, когда водород с кислородом снова соединяются, образуя воду (рис. 10).

Разумеется, полное равенство достижимо только в идеальных условиях. В отношении механической энергии — это отсутствие трения и сопротивления воздуха, в отношении химической — это отсутствие теплопотери. В реальности, когда воду разлагают с помощью электрического тока, часть электрической энергии всегда теряется, переходя в тепло; а если энергию сразу подают в воду в тепловом виде, то часть ее обязательно уходит в окружающее пространство. В любом случае сначала приходится тратить больше энергии, чем ее удастся получить в итоге. Однако это лишь отражение увеличения энтропии, а в целом же данный факт только лишний раз подтверждает, что в отношении химической энергии законы термодинамики соблюдаются так же, как и а отношении любой другой.

Еще один важный закон открыл в 1840 году физик по имени Герман Иванович Гесс в Санкт-Петербурге (Россия). Проведя множество экспериментов в области теплоты реакций, он сделал вывод, что в общем случае, если реакция происходит в несколько стадий, то общий объем теплоты реакций в цепочке будет тот же, что и в том случае, если производить реакцию в один прием. Этот закон был назван именем открывшего его ученого и оказался столь важным, что Гесса сейчас принято считать отцом термохимии (тепловой химии).

В качестве простого примера (хоть и не попавшего в число тех, что наблюдал сам Гесс) можно привести опять же горение углерода. Углерод может соединяться с кислородом и в пропорции атомов 1:1 — в таком случае получается угарный газ, СО. Соответственно мы можем написать такое выражение:

ΔН = -26,4 ккал.

Угарный газ способен гореть, то есть объединяться еще с одним атомом кислорода в более распространенный углекислый газ:

ΔН = -67,6 ккал.

Если мы сложим оба этих выражения (как будто бы это были просто математические уравнения), то по закону Гесса мы должны будем получить суммарную теплоту реакции.

ΔН = (-26,4) + (-67,6) ккал.

Преобразовав получившееся выражение опять же по законам математики, то есть сократив находящийся по обе стороны уравнения СО и сложив две половинки молекулы кислорода в одну целую, мы получаем

ΔН = -94 ккал,

то есть именно то же самое выражение, которое мы вывели бы, если бы просто сжигали углерод, получая при этом в один прием углекислоту.

Более общая формулировка закона Гесса звучит так: при преобразовании химическим образом вещества А в вещество В итоговое изменение энергетического содержания будет одним и тем же, независимо от того, каким путем вещество было преобразовано. Здесь можно снова провести аналогию с механической энергией, где совершенно не важно, каким образом и по какому маршруту тело было перемещено из одного положения в другое; на изменение его потенциальной энергии влияет только само изменение положения.

Должен признаться, что, приведя в качестве самого простого примера действия закона Гесса процесс горения углерода, я несколько погрешил против истины. Измерить напрямую количество тепла, получаемого при сжигании углерода с образованием угарного газа, невозможно, поскольку нельзя построить эксперимент таким образом, чтобы углерод, соединяясь с кислородом, образовывал только угарный газ. Чистый угарный газ можно получать, но по-другому.

Однако термохимик способен произвести из углерода углекислоту и измерить теплоту этой реакции (получится -94 килокалории). Может он и путем сжигания сделать из угарного газа углекислый, снова измерив при этом теплоту реакции (получится -67,6 килокалории). Затем, положившись на закон Гесса, он вычтет из первой теплоты реакции вторую и сделает вывод, что молярная теплота реакции перевода углерода в моноксид углерода, угарный газ, составит -26,4 килокалории, хотя доказать это экспериментально ученый окажется не в состоянии.

Важность закона Гесса заключается в том, что он означает следующее: теплоту любой реакции, даже той, которую по каким-то причинам невозможно измерить, можно высчитать исходя из теплоты других, более доступных для экспериментатора реакций.

Например, существует такой углеводород, как этилен, — это газ, молекулы которого состоят из 2 атомов углерода и 4 — водорода (С₂Н₄). Один моль этого газа, сгорая в кислороде, выделяет 340 килокалорий. Выражение для этой реакции выглядит так (я пронумерую выражения для удобства отсылки к ним в дальнейшем):

ΔН = -340 ккал.

Я уже описывал процессы горения углерода и водорода, но сейчас я снова выпишу выражения для этих реакций, потому что они нам понадобятся:

ΔН = -94 ккал.

ΔН = -68 ккал.

Теперь давайте проведем математические преобразования этих химических выражений. Если вы из тех, кого тошнит от математики, то можете смело пролистнуть остаток этой главы; остальным же, думаю, должно понравиться.

В выражении 3 перенесем ¹/₂O₂ из левой части уравнения в правую с переменой знака (на теплоте реакции это никак не скажется), получим:

ΔН = -68 ккал.

Теперь удвоим обе части выражения 4, при этом удвоится и теплота реакции:

ΔН = -136 ккал.

Сделаем то же самое с выражением 2 — переместим O₂ в правую часть уравнения с переменой знака и удвоим все значения, включая теплоту реакции:

ΔН = -188 ккал.

Обратим выражение 1 без перемены знаков; в этом случае, согласно закону Лавуазье—Лапласа, изменится знак у теплоты реакции:

ΔН = +340 ккал.

В выражении 7 переместим 2СO₂ и 2H₂O в правую часть с переменой знака — знак теплоты реакции останется при этом неизменным:

ΔН = +340 ккал.

(Я написал здесь «ноль» вместо 0, чтобы его не путали с обозначением кислорода — О.)

Теперь же давайте сложим выражения 5, 6 и 8, не забывая складывать и значения теплоты реакций. Мы получим следующий результат:

ΔН = (-136) + (-188) + (+340) ккал.

Проведя все возможные математические сокращения правой части, мы увидим, что сократилось все, кроме С₂Н_4, так что все выражение теперь сводится к

ΔН = +15,2 ккал.

Таким образом, мы обнаружили, что если мы хотим 2 моля водорода заставить вступить в соединение с 2 молями углерода для получения 1 моля этилена, то для того, чтобы реакция состоялась, необходимо затратить 15,2 килокалории энергии. Иными словами, 1 моль этилена содержит на 15,2 килокалории больше химической энергии, чем составляющие его углерод и водород. Или можно сказать так: молярное тепло формирования этилена равняется + 15,2 килокалории.

На самом деле напрямую измерить это тепло формирования невозможно, поскольку не существует такой химической реакции, в ходе которой можно было бы за один шаг создать этилен из углерода и водорода. Тем не менее вышеприведенная цифра не вызывает у химиков никаких сомнений. Во-первых, все математические действия, произведенные нами, обоснованы вторым законом термодинамики, которые не оспаривает никто из химиков, а во-вторых, во всех тех случаях, где математические расчеты можно проверить практикой, они подтверждаются.

По этим причинам теплота формирования этилена и многих других соединений рассчитывается на бумаге ко всеобщему удовлетворению, и тот факт, что получаемые значения не проверены на практике и никогда не будут проверены, никого не смущает.

Глава 9. НАПРАВЛЕНИЕ РЕАКЦИИ

Закон Гесса является выражением первого закона термодинамики применительно к химическим реакциям, и теперь мы переходим к дальнейшему. Несколько глав назад мы сделали попытку определить жизнь через энтропию, а также предположили, что жизнь как процесс в чем-то сродни горению и, следовательно, должна потреблять химическую энергию. Теперь мы попытаемся установить, как же действует второй закон термодинамики применительно к химическим реакциям.

В отношении механической энергии мы уже знаем, что второй закон термодинамики требует, чтобы предметы спонтанно перемещались из положения с большей потенциальной энергией (в данном случае она называется «гравитационным потенциалом») к положению с меньшей, и не наоборот. Вода течет по склону горы вниз, а не вверх. В отношении тепловой энергии второй закон термодинамики требует, чтобы тепло спонтанно переходило только от горячих тел (обладающих большей температурой — «тепловым потенциалом») к холодным, а не наоборот. Продолжая аналогию, можно предположить, что и химические реакции будут проходить таким образом, чтобы вещество переходило из состояния с большим «химическим потенциалом» в состояние с меньшим, и не наоборот.

Соответственно возникает вопрос: что же это за химический потенциал и как его измерить?

Бертло, которого я упоминал в предыдущей главе, как автора множества экспериментов по измерению теплоты реакции, считал, что ответ может крыться в самих этих измерениях. Он высказывал мнение, что спонтанными можно считать те реакции, которые характеризуются снижением химической энергии и соответственно выделением тепла, то есть те, ΔН которых отрицательна. С другой стороны, реакции, при которых химическая энергия увеличивается, так что тепло извлекается из окружающей среды (иными словами, ΔН которых имеет положительное значение), не будут протекать спонтанно.

Бертло назвал реакции первого типа (с выделением тепла в окружающую среду) «экзотермическими» (от греческого «тепло наружу»), а реакции второго типа (с поглощением тепла из окружающей среды) — «эндотермическими» (что означает «тепло внутрь»). По мнению Бертло, спонтанными могут быть только экзотермические реакции.

Существует множество примеров, которые подтверждают это правило. Например, смесь водорода с кислородом, если ее поджечь, возгорится мгновенно и даже взрывообразно, соединяясь в воду, — это экзотермическая реакция. С другой стороны, вода может вечно находиться в стабильном состоянии, не выказывая ни малейшего желания разлагаться на водород и кислород, — если бы этот процесс начался, он был бы эндотермическим. Точнее, если воду как следует нагреть, она начнет разлагаться, но ведь и вода может течь вверх, если ее качать насосом.

Тут можно возразить, что смесь водорода с кислородом тоже может вечно находиться в стабильном состоянии, совершенно не собираясь вступать в реакцию, пока в систему, опять же, не добавят избыточное тепло. Однако есть принципиальная разница. После того как некоторое количество избыточного тепла подожжет смесь водорода с кислородом, дальше реакция продолжается сама сколь угодно долго. Если же, с другой стороны, добавление дополнительного тепла, или электрического тока, запускает реакцию разложения воды на водород и кислород, то прекращение подачи тепла или электричества тут же приведет к остановке реакции на любом этапе.

Короче говоря, экзотермическая реакция соединения водорода и кислорода в принципе может продолжаться спонтанно, а эндотермическая реакция разложения воды — не может.

Однако, к огорчению Бертло, это правило оказалось недостаточно всеобъемлющим. Все экзотермические реакции действительно происходят спонтанно, а все эндотермические, как правило, не происходят спонтанно. Однако все же есть несколько реакций, которые являются эндотермическими и при этом все же происходят спонтанно. Лучшим примером такого рода реакций является растворение некоторых веществ в воде. Если аммиачную селитру высыпать в воду, то она спонтанно растворится, хотя АН этого процесса и будет положительна. При этом происходит набор химической энергии, а тепловая — извлекается из воды, которая становится ледяной на ощупь. И не важно, скольким количеством примеров подтверждается теория Бертло, для того, чтобы опровергнуть ее, достаточно и единственного исключения.

Однако на самом деле ущербность теории Бертло доказывается не только фактом наличия нескольких опровергающих ее исключений. Против нее имеются и некоторые более тонкие возражения, подводящие нас к идее «химического равновесия».

Реакции, которые вызывают наибольший интерес термохимиков — реакции горения, — кажутся однонаправленными. То есть углерод и кислород соединяются навсегда для образования углекислоты, водород и кислород — для образования воды, соединения, имеющие в своем составе и углерод, и водород, соединяются навсегда с кислородом для образования углекислоты и воды. Более того, никогда вода в сколь-либо заметных количествах не разлагается на водород и кислород, а углекислота — на углерод и кислород. И вода никогда не соединяется с углекислотой для образования этилена или других углеводородов. Такие однонаправленные реакции также называют необратимыми.

Однако положение дел обстоит таким образом далеко не со всеми химическими реакциями. Например, посмотрим на одну из реакций с участием водорода и йода. При обычной температуре йод представляет собой синевато-серое твердое вещество, но плавное нагревание его приводит к появлению фиолетового газа, а при температуре выше 184 °С он существует исключительно в виде газа. В газообразном состоянии йод состоит из двухатомных молекул (I₂).

Если же смешать йод с водородом при температуре, скажем, 445 °С, будет образовываться соединение йодоводород (HI):

Однако в соединение вступают не весь йод и не весь водород. Сколько бы времени ни протекала реакция, все равно часть йода и часть водорода не будут в ней участвовать.

Если же, наоборот, произвести некоторое количество чистого йодоводорода и нагреть его до тех же 445 °С, то он начнет разлагаться на йод и водород:

И опять же, независимо от того, сколько времени протекает реакция, распадется не весь йодоводород. На самом деле, что бы мы ни взяли изначально — смесь ли йода и водорода или йодоводород, в итоге мы получим одно и то же соотношение: около 80% йода и водорода будут находиться в соединенном виде HI; около 20% — в разрозненном. Такие реакции, способные протекать в обоих направлениях, называют обратимыми.

Очевидно, происходит следующее: водород и йод, будучи смешанными при высокой температуре, быстро соединяются, образуя йодоводород. Образуемый йодоводород имеет тенденцию к распаду при такой температуре, но так много йода и водорода задействовано в процессе соединения, а йодоводорода еще так мало, что наблюдателю заметен только эффект соединения, и количество йодоводорода в эксперименте только увеличивается.

Однако по мере увеличения количества йодоводорода все больше и больше соединившихся молекул начинает распадаться, а одновременно с этим количество все еще продолжающих объединяться молекул водорода и йода сокращается, и скорость образования йодоводорода снижается. По мере того как скорость распада йодоводорода возрастает, а скорость образования — снижается, должен наступить момент, когда эти два процесса уравновесят друг друга. Эксперимент показывает, что этот момент наступает при соотношении йодоводорода к смеси йода и водорода 80: 20. Дальше никаких изменений мы уже не увидим, и не потому, что все процессы на этом останавливаются, а потому, что одновременно происходят два противоположно направленных и взаимно уравновешивающих друг друга процесса.

Теперь предположим, что изначально у нас имеется не смесь, а чистый йодоводород (рис. 11). Некоторые его молекулы начинают распадаться сразу же. По мере накопления водорода и йода в общем объеме в этих газах начинают проявляться тенденции к воссоединению, сила которых возрастает по мере накопления самих газов. И наоборот, по мере того, как количество молекул йодоводорода в общем объеме снижается, скорость распада оставшихся молекул также уменьшается. И опять же, как показывают наблюдения, в итоге наступает некий момент равновесия.

Когда два противоположно направленных процесса уравновешивают друг друга, это называется «состоянием химического равновесия». Само слово «равновесие» рисует в воображении картинку некоего замершего под действием разносторонне направленных сил положения дел. Это — статическое равновесие, но химическое равновесие — совсем не такое. Оба противоположно направленных процесса происходят со всей доступной им скоростью, но при этом аннулируют эффект друг друга. Это — динамическое равновесие.

Ситуация химического равновесия, такого как в нашем примере с водородом и йодом, обычно обозначается таким образом: двумя противоположно направленными стрелочками:

Таким же образом можно записать и любое количество других реакций.

Ключевой момент здесь следующий: каждой реакции, при определенных условиях, присуща своя ΔН. Обратной реакции, при тех же условиях, присуща та же самая ΔН, но с обратным знаком. Об этом свидетельствует закон Лавуазье—Лапласа и, что еще важнее, первый закон термодинамики.

Следовательно, в любой обратимой реакции, если реакция в одну сторону является экзотермической, то реакция в противоположную сторону должна быть эндотермической. Применительно к водороду, йоду и йодоводороду распад йодоводорода на водород и йод — экзотермическая реакция с ΔН -6 килокалорий. Соответственно соединение водорода и йода — реакция эндотермическая, с ΔН +6 килокалорий.

Если бы теория Бертло, согласно которой спонтанными могут быть только экзотермические реакции, была верна, то йодоводород сам по себе мог бы только распадаться и не соединяться обратно. Однако наблюдения показывают совсем иную картину. Йодоводород на самом деле соединяется, причем с большим размахом, чем распадается.

Если бы Бертло был прав, такого понятия, как обратимая реакция, вообще не существовало бы — все реакции были бы однонаправленными. Поскольку наблюдения прямо опровергают это предположение, то все идеи Бертло были очень быстро преданы забвению. Вообще непонятно, почему Бертло сам не увидел очевидного и не удержался от публичного высказывания своих предположений, — но легко быть крепким задним умом.

Итак, мы продолжаем пребывать в поисках химического потенциала. Итак, один фактор, вроде бы имеющий влияние на направление, принимаемое обратимой реакцией, — это процентное соотношение соединений в общем объеме. Если количественно преобладают водород и йод, то всеохватывающее значение примет тенденция к соединению. Систему можно сбить с положения устоявшегося химического равновесия, если просто добавить в нее либо йодоводород либо смесь водорода и йода.

Первым, кто четко сформулировал это наблюдение, был французский химик Клод Луи Бертолле в 1803 году (не путать с Бертло, которого я упоминал в предыдущей части — тот жил на полвека раньше!).

Примерно с полвека теория Бертолле о влиянии массы на направление реакции не находила общего признания химиков, хотя один за другим они пробовали ее на зуб. Наконец, в 1863 году норвежские химики Като Максимилиан Гульдберг и Петер Вааге тщательно разработали этот вопрос и сформулировали правило, которое мы сейчас называем «законом сохранения массы». К сожалению, они опубликовали свою работу на норвежском языке, и ведущие немецкие и французские ученые смогли прочитать ее только пятнадцать лет спустя.

Яснее всего продемонстрировать важность этого закона можно, если представить себе обратимую реакцию в общем случае, без указания конкретных реагирующих веществ. Ее можно записать так:

Предположим, реакция осуществляется слева направо, тогда А и В переходят в С и D. Но для этого надо, чтобы эти два вещества встретились. Чем их больше в общем объеме, тем легче им встретиться и тем быстрее протекает этот процесс. Важно не общее количество, а количество в определенном объеме, то есть концентрация вещества. Можно провести такую аналогию: для юной леди, стремящейся выйти замуж, гораздо больше вариантов для выбора можно найти в сельском штате Невада, чем в массачусетском городке Холиоке, но вот беда — все кандидатуры в Неваде разбросаны по территории штата, и получается, что в Холиоке концентрация выше, а значит — выше и шансы подобрать себе подходящий вариант.

Если концентрация А удваивается, то вместе с ней удваивается и частота встреч молекул А и В, а соответственно — скорость их реакции между собой. Аналогичным будет результат удваивания и концентрации В. Если одновременно удвоится концентрация и А и В, то частота встреч молекул этих двух веществ, а значит, и скорость реакции возрастет вчетверо. Соответственно скорость реакции соединения этих веществ равна произведению концентрации одного на концентрацию второго. Для обозначения концентрации некоего вещества принято изображать его заключенным в квадратные скобки, и мы можем сказать, что

Известно, что если некая величина, х, прямо пропорциональна другой величине, у> то пропорциональность можно перевести в равенство, если умножить х на некое третье число, k, именуемое в таком случае коэффициентом. Иными словами, если х ~ у, то x = ky.

Итак, получаем:

Конкретное значение k для той или иной реакции можно установить только в ходе эксперимента.

Но сейчас нам и не нужно конкретное значение. Достаточно просто знать, что k — это фиксированная величина.

Теперь давайте перейдем к реакции справа налево, то есть к обратной реакции слева направо, когда соединение С и D приводит к образованию А и В.

Вся вышеприведенная логика относится и к реакции справа налево, поэтому понятно, что ее скорость зависит от концентрации С и D:

где k’ — другой коэффициент, скорее всего не равный первому и поэтому отмеченный штрихом.

По достижении химического равновесия скорость реакций в обоих направлениях одинакова (первым это установил английский химик Александр Уильям Уильямсон в 1850 году), что можно описать так:

соответственно, применив математические преобразования, получим

Поскольку и k/k' — константы, то и отношение одного к другому тоже будет константой, назовем ее К. Следовательно,

где K — «постоянная равновесия», значение которой четко описывает те концентрации веществ, при которых скорость противоположно направленных реакций будет одинакова.

Допустим, к примеру, что к смеси, пребывающей в состоянии химического равновесия, добавляют некоторое количество С. В таком случае произведение [C][D], являющееся числителем дроби, увеличится. Чтобы К осталось постоянным, необходимо увеличить также и знаменатель дроби, [А][В]. Как это может произойти? Только одним образом — часть С и D должны вступить в соединение и образовать А и В. То есть [C][D] несколько уменьшится, а [А][В] — несколько увеличится, так что соотношение их снова приобретет значение К, при котором опять будет достигнуто химическое равновесие. То же самое произойдет и в том случае, если в исходную смесь добавить D, а не С.

Можете сами проверить, что случится, если в исходную смесь добавить А или В (или и то и другое) или, наоборот, из исходной смеси удалить любое из веществ.

Я подскажу. Неизменным свойством обратимых реакций является следующее: реакции типа

начинают осуществляться в направлении слева направо при добавлении к изначальной смеси А или В или устранении из нее С или D и справа налево при добавлении С или D или устранении А или В.

(В 1901 году американский химик Гилберт Ньютон Льюис внес изменения в формулировку этого закона, получившего название «закон действия масс», указав, что на направление осуществления обратимой реакции влияет не концентрация веществ, а фактор, который ученый назвал «активностью» этих веществ. Это родственный концентрации фактор, часто практически равный ей, особенно когда концентрация невысока. Но нас это уточнение волновать не будет.)

Тот факт, что обратимая реакция именно таким образом реагирует на изменения концентраций участвующих в ней веществ, французский химик Анри Луи Ле Шателье в 1888 году положил в основу более общего закона, сформулировав его так: «В любой системе, находящейся в состоянии равновесия, любые изменения условий приводят к сдвигу положения равновесия в направлении частичного аннулирования произведенных изменений».

Этот закон называют принципом Ле Шателье.

Иными словами, если в набор веществ, участвующих в описанной нами обратимой реакции, добавляется А или В, то равновесие сдвигается в том направлении, в котором используется именно добавленное вещество. В более общем выражении, если смесь реагирующих веществ нагревать, то и равновесие будет сдвигаться в том направлении, в котором часть тепла поглощается, то есть в эндотермическом. Точно таким же образом, если смесь остудить, то равновесие сдвинется в направлении экзотермической реакции. Таким образом, можно сразу сказать, что нагрев системы, состоящей из йода, водорода и йодоводорода, приведет к смещению равновесия в сторону формирования большего количества йодоводорода, а остывание системы — в противоположном направлении. Аналогичным образом увеличение давления в системе приведет к сдвигу равновесия в том направлении, результатом которого станет уменьшение объема.

На самом деле вполне возможно рассматривать принцип Ле Шателье как универсальный, распространяющийся даже на поведение людей. Среднестатистический человек всегда поддерживает некое равновесие между доходами и расходами таким образом, чтобы ни накопления, ни долги не разрастались до слишком больших объемов. Если ему увеличивают зарплату или богатый дядюшка оставляет ему наследство, то уровень жизни этого человека, как правило, увеличивается настолько, чтобы компенсировать полученное увеличение дохода. Если же, наоборот, зарплату человеку урезают или он остается без работы, то он начинает экономить, урезать расходы, таким образом частично компенсируя этим уменьшение дохода.

После всеобщего утверждения закона действия масс все еще оставалась потребность в том, чтобы связать его с законами термодинамики, что показало бы, что химическая энергия подчиняется всем тем же законам, что и любая другая.

Еще в 1869 году немецкий химик Аугуст Фридрих Хорстманн использовал законы термодинамики для разложения вещества под названием «хлорид аммония», более известного нам как нашатырный спирт, а в течение 70-х и 80-х годов XIX века ряд других химиков тоже работали над этой проблемой.

Самых важных результатов смог добиться американский химик-теоретик Джозайя Уиллард Гиббс. Работая в Йельском университете, в 1876 и 1878 годах он опубликовал доклады в «Протоколах Коннектикутской академии наук», где подробно излагались законы термодинамики применительно к химическим реакциям. Он продемонстрировал, что закон действия масс — это неизбежное следствие из законов термодинамики. Его исследование оказалось столь совершенным, что ни о какой «термохимии» с тех пор и речи быть не могло, осталась только «химическая термодинамика».

К несчастью для Гиббса, в его дни весь мир импортировал науку из Европы и американских ученых ценили мало. Американские научные журналы никто не принимал всерьез, и работа Гиббса попала в поле зрения европейских ученых лишь два десятилетия спустя.

Наконец, в 1890-х годах Ле Шателье сам перевел труды Гиббса на французский язык, а немецкий специалист по физической химии Вильгельм Оствальд — на немецкий. И лишь тогда Гиббсу воздали должное. К тому времени Гельмгольц, первооткрыватель первого закона термодинамики, и датский физик Якоб Хендрик Вант-Гофф уже и сами независимым образом открыли принципы химической термодинамики, но первооткрывателем в итоге все же был признан Гиббс. В 1901 году Гиббс получил официальное европейское признание своих заслуг и был награжден медалью Коплея — самой почетной международной наградой Лондонского королевского общества, — и хорошо, что успел, потому что дожил он лишь до 1903 года.

По сути, все рассуждения Гиббса вертелись вокруг того факта, что при любой спонтанной химической реакции энтропия должна возрастать, как и при любых других энергетических изменениях. Поскольку общее количество задействованной энергии изменяться не может, а возрастание энтропии — это способ измерить энергию, которую невозможно перевести в работу, то, следовательно, количество энергии, которую можно перевести в работу, должно снижаться.

Количество энергии доступной для перевода в полезную работу в ходе химической реакции может быть различным, в зависимости от того, проходит ли реакция при постоянном давлении или при постоянном объеме. Как я объяснял в предыдущей главе, системы с постоянным давлением дают нам более приближенную к реальности картину. Количество энергии, доступной для перевода в работу в ходе химической реакции, называли в честь Гиббса «энергией Гиббса». В начале 1920-х годов Льюис назвал эту энергию «свободной энергией», — и это название тоже было принято, так что теперь используются оба названия, и обозначение этой энергии тоже может быть одним из двух: иногда ее обозначают F (по первой букве от англ. free — свободная), а иногда — G (по первой букве фамилии Гиббса). Сейчас «свободная энергия» является все же более распространенным названием, так что я в дальнейшем буду использовать обозначение F.

Гиббс показал, что в любой реакции, проходящей при неизменной температуре (Е), соблюдается простое отношение между изменениями теплового содержания (ΔР), изменениями свободной энергии (ΔF) и изменениями энтропии (ΔS). Это отношение таково:

В термодинамике всегда используются значения температуры по абсолютной шкале (см. главу 4), в которой нет отрицательных величин. Поэтому Т — всегда положительное число. Из второго закона термодинамики нам известно, что при любой спонтанной реакции энтропия возрастает, так что значение изменений в энтропии (ΔS) тоже должно быть положительным. А поскольку произведение двух положительных чисел тоже всегда положительно, то мы знаем, что значение TΔS всегда положительно.

С другой стороны, по мысли Гиббса, свободная энергия всегда уменьшается при любой спонтанной химической реакции, так что изменение свободной энергии (ΔF) всегда должно быть отрицательно.

Получается, что значение ΔН — это сумма отрицательного и положительного чисел. Но термодинамика, хоть и указывает нам, что одно из слагаемых — положительно, а второе — отрицательно, не позволяет выяснить, какое из них больше по модулю. Если модуль отрицательного ΔF больше, чем положительного TΔS, то мы получаем экзотермическую реакцию, если меньше — то эндотермическую.

В любом случае, какой бы реакция ни была — эндотермической или экзотермической, энтропия возрастает, количество свободной энергии снижается и реакция происходит спонтанно.

Соответственно надо обращать внимание не на то, выделяется или поглощается в ходе реакции тепло, а на то, какие изменения происходят со свободной энергией. Реакция всегда будет проходить в направлении, способствующем снижению уровня свободной энергии, по тому же закону, по которому тепло перетекает от горячего предмета к холодному, а шар — скатывается вниз.

Далее, Гиббс показал, что количество свободной энергии, присутствующей в любом химическом веществе, изменяется в зависимости от концентрации этого вещества. Меняя концентрацию вещества, возможно влиять на изменение свободной энергии таким образом, чтобы оно становилось отрицательным для одного направления реакции, хотя до этого оно было отрицательным же для противоположного. Именно поэтому на ход обратимой реакции можно влиять, добавляя в систему тот или иной компонент или удаляя его.

Это похоже на ситуацию с шаром, лежащим на гладкой ровной поверхности, которую можно слегка покачивать то в одну сторону, то в другую. Шар сам будет катиться в нужном направлении.

Гиббс составил выражение для расчета величины, в которой учитывались и свободная энергия, и концентрация, и назвал эту величину «химическим потенциалом». Ученый определил, что каждая реакция проходит в сторону уменьшения химического потенциала.

Глава 10. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПУТЬ

При оценке действия изменений свободной энергии на химические системы ход химической реакции проще рассматривать по аналогии с движением в гравитационном поле. Это вполне разумное решение, поскольку на всем протяжении предыдущей главы мы доказывали, что химические реакции производятся под воздействием химического потенциала, так же как падающие тела движутся под воздействием гравитационного потенциала. А движение падающих тел нам настолько хорошо знакомо по бытовому опыту, что для нас вполне естественно визуализировать все по аналогии с ним.

Рассмотрим, к примеру, соединение водорода и кислорода, при котором формируется вода. Смесь водорода и кислорода содержит в себе определенное количество свободной энергии на моль смеси («молярная свободная энергия»), и вода тоже. Судя по тому факту, что водород с кислородом стремительно бросаются соединяться, стоит их лишь чуть-чуть подтолкнуть, — уровень свободной энергии смеси водорода и кислорода выше, чем образуемой при их соединении воды. Это можно представить в виде схемы (не претендуя при этом на использование каких-либо реальных цифр) — рис. 12. Точка А представляет собой уровень свободной энергии чистой смеси водорода и кислорода, а точка В (размещенная на оси ниже, чем точка А) представляет собой уровень свободной энергии чистой воды, образовавшейся при их соединении.

По мере того как водород и кислород соединяются для образования воды, все большее количество молекул этих веществ в нашей воображаемой замкнутой системе уступает место молекулам воды. Постепенно смесь с высоким содержанием свободной энергии вытесняется веществом с более низким ее содержанием, так что общая свободная энергия системы постепенно снижается.

Самый простой способ продемонстрировать это — провести на диаграмме прямую линию от точки А до точки В. Таким образом мы получаем картинку наклонной плоскости, и общий жизненный опыт с легкостью подсказывает нам единственное направление, по которому будет осуществляться спонтанное движение по такой плоскости. Соединение водорода с кислородом для образования воды можно рассматривать как «скатывание вниз» по наклонной плоскости начиная с точки с высоким уровнем свободной энергии. Обратная же реакция — расщепление воды — отражает требующее усилий движение вверх по наклонной.

Точнее, нарисованный мной график в виде прямой линии был бы полностью справедливым только в том случае, если бы молярная свободная энергия водорода и кислорода не менялась вместе с концентрацией. Однако на самом деле уровень молярной свободной энергии по мере концентрации незначительно, но меняется, так что изображенная выше прямая линия в действительности не является совсем прямой. В данном конкретном примере отличие от прямой достаточно мало, чтобы им можно было пренебречь, но в тех случаях, где общая свободная энергия системы значительно меньше, чем у системы, состоящей из смеси водорода с кислородом, упомянутый параметр приобретает действительно важное значение.

Возьмем для примера реакцию соединения водорода и йода в йодоводород. В данном случае уровень свободной энергии, используемой в реакции, сравнительно невелик. Визуально это можно изобразить, как в нижней половине рис. 12, отметив значение уровня свободной энергии С смеси чистого водорода с чистым йодом лишь немного выше уровня свободной энергии D чистого йодоводорода, образуемого в ходе полного соединения водорода и йода.

Первое, что хочется сделать в подобной ситуации, — это снова провести прямую линию от одной точки до другой, так чтобы получилась еще одна наклонная плоскость, угол наклона которой был бы меньше, чем предыдущей, но в остальном аналогичная первой. Тогда реакция снова «катилась бы под уклон» — от смеси водорода и йода до йодоводорода, и образовавшийся в ее ходе йодоводород так и оставался бы неразлагаемым «у подножия», пока с помощью приложения некоторого усилия его не подняли бы «вверх». По такой логике смесь водорода и йода отличалась бы от смеси водорода и кислорода лишь скоростью и силой реакции, но не общим рисунком ее хода.

Но мы знаем, что на самом деле это не так. Водород и йод вступают в соединение не в полном объеме, а значит — не «скатываются вниз до конца». Более того, и чистый йодоводород до некоторого уровня будет сам по себе распадаться, что соответствовало бы по нашей схеме «движению вверх». Значит, график с прямой линией был бы неправильным.

Ответ кроется в том факте, что молярная свободная энергия снижается вместе с концентрацией вещества. Если концентрация смеси водорода и йода уменьшится на 10 процентов за счет образования йодоводорода, то уровень свободной энергии смеси снижается сильнее чем на 10 процентов. Это значит, что график изменения уровня свободной энергии, начинаясь от точки С, будет опускаться сильнее, чем прямая линия.

То же самое справедливо и в отношении йодоводорода. При разложении части его уровень свободной энергии оставшейся части окажется меньше, чем можно было бы ожидать. Поэтому от точки D график изменения уровня свободной энергии тоже будет опускаться вниз.

Так что график будет напоминать не наклонную доску, а скорее подвесной гамак и на протяжении большей его части уровень свободной энергии будет меньше, чем на любой из крайних точек.

Этот факт надо подчеркнуть особо. Из-за зависимости молярной свободной энергии от концентрации свободная энергия заданной реакции не достигает минимума ни в одной из крайних точек, в которых реакция была бы завершена либо в одну, либо в другую сторону. Вместо этого минимум достигается в некоторой средней точке, в которой снижение концентрации всех составляющих приводит к максимальному снижению общей свободной энергии.

Следовательно, реакция, приведя к минимальному уровню свободной энергии, оказывается в положении равновесия. Более того, реакция останавливается в одной и той же точке с минимумом свободной энергии, независимо от того, с чего она начинается — со смеси йода с водородом или с чистого йодоводорода.

Поэтому для полноты аналогии с движением под влиянием силы тяжести надо представить себе не одну, а две наклонные плоскости, или, более образно — два горных склона, между которыми находится долина. Если шар отпустить с вершины С, он скатится в ту же самую нижнюю точку долины, что и в случае, если его отпустить с вершины D.

Чем меньше разность уровней свободной энергии между двумя крайними точками графика, тем ближе будет точка равновесия находиться к его середине. Чем выше разность уровней энергии между двумя крайними точками, тем ближе точка равновесия сдвигается в сторону той крайней точки, свободная энергия которой меньше.

В случае соединения водорода с кислородом точка равновесия сдвигается так далеко в сторону воды, что практически неотличима от точки, обозначающей чистую воду. В этой точке равновесия уровень свободной энергии будет, конечно, ниже, чем в точке чистой воды, но настолько неощутимо ниже, что эту разницу практически невозможно измерить (можно только высчитать из сведений о свободной энергии).

Это значит, что в замкнутой системе водород и кислород никогда не соединятся в воду полностью — всегда будет оставаться неизмеримо малое количество свободного водорода и кислорода, не вступивших в реакцию. Более того, если изначально мы имеем чистый водяной пар, то при тех же условиях (температуре и давлении) неизмеримо малое количество этой воды будет разлагаться на водород и кислород.

С точки зрения термодинамики получается, что все реакции обратимы. Однако с практической точки зрения можно продолжать расценивать в качестве необратимых те реакции, в которых точка равновесия неотличимо близка к одной из крайних точек.

Поскольку положение равновесия напрямую зависит от изменений уровня свободной энергии при переходе от одной стороны химического выражения к другой, то это изменение можно очень просто вычислить, исходя из постоянной равновесия. Проблема только в том, что саму постоянную равновесия определить бывает очень сложно, особенно в отношении реакций, которые принято считать необратимыми. Поэтому ученые долго искали другие способы подсчета изменений уровня свободной энергии — и находили. Один из таких способов заслуживает особого рассмотрения, поскольку это поможет осветить важные положения химии. В этом способе используется электричество.

Однако, перед тем как приступить непосредственно к описанию этой методики, нам надо чуть глубже взглянуть на атом. До сих пор, описывая кинетическую теорию газов, я рассматривал атомы как крошечные бильярдные шары. Однако на самом деле они представляют собой гораздо большее. Атомы сами по себе состоят из еще меньших частиц. Это открытие, совершенное в 1890-х годах, произвело поистине революцию в науке.

Эти элементарные частицы принадлежат к трем основным категориям: протоны, нейтроны и электроны. Протоны и нейтроны относительно массивны и плотно сгруппированы в единое тело (так называемое «ядро атома»), находящееся в самом центре атома. Они в обычных химических реакциях не участвуют.

Все остальное пространство атома, за исключением ядра, занимают электроны, представляющие собой очень легкие частицы. Количество электронов в каждом атоме равно количеству протонов в ядре этого атома, и число это свое у каждого химического элемента. Его так и называют — «атомное число». Самый простой атом — атом водорода — содержит всего один протон и один электрон, атомы остальных элементов содержат больше. У некоторых сложных атомов, искусственно создаваемых в последние годы в лабораториях ученых, атомное число превышает сотню. В таблице 2 приведены атомные числа некоторых наиболее распространенных элементов.

Каждый электрон имеет свой «электрический заряд»[4], так же как и каждый протон. У нейтронов электрического заряда нет, и поэтому хотя их значение и крайне велико, но нас в ходе дальнейшего рассмотрения они интересовать не будут. Величина заряда электрона и протона одна и та же, но природа этих зарядов различна. Один протон будет отталкивать другой протон и, наоборот, притягивать электрон. Точно так же и электрон будет отталкивать другой электрон и притягивать протон.

Совершенно произвольно было решено назвать электрический заряд электрона отрицательным, а протона — положительным. Поэтому заряд одного электрона обозначается как -1, а заряд одного протона — как +1. Кроме того, установлен закон, что одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные — притягиваются.

В обычном атоме, как я уже сказал, количество протонов ядра (атомное число) в точности уравновешивается количеством удаленных от ядра электронов, так что атом в целом ведет себя как лишенный заряда, или «электрически нейтральный». Однако в отличие от протонов, хорошо укрытых в ядре от воздействия межатомных и межмолекулярных столкновений, легкие электроны, существующие на «внешних рубежах» атома, чувствуют эти события на себе в полной мере. И при химических реакциях неизбежно осуществляется некоторое перераспределение электронов между участвующими в реакции атомами. На самом деле именно наличие перераспределения электронов отличает химические реакции от изменений иного рода.

На электрическую нейтральность атома эти изменения могут влиять, а могут и не влиять. К примеру, два атома, столкнувшись, могут поделиться друг с другом электронами вполне стабильным образом (подробнее об этом чуть позже). Это «предоставление» электронов одним атомом другому сохраняется только до тех пор, пока атомы сохраняют контакт между собой. Для того чтобы разъединить атомы, необходимо теперь будет разорвать их стабильную связь, а на это потребуется значительное количество энергии. Без получения этой энергии атомы, имеющие общие электроны, будут неопределенно долго оставаться вместе, и именно это и есть основа тех химических связей, о которых я говорил в предыдущих главах. В молекулах водорода, кислорода, воды, углекислоты, йодоводорода и многих других соединений атомы удерживаются вместе с помощью «общих» электронов.

При подобного рода перераспределении электронов атомы продолжают оставаться электрически нейтральными.

Однако бывает и так, что определенные электроны в атомах некоторых элементов держатся крайне слабо. К примеру, в атоме натрия самый удаленный электрон не слишком-то прочно привязан к своему атому. Поэтому при соседстве с атомом хлора (который все собственные электроны удерживает очень крепко) самый удаленный атом натрия не то что становится «общим», а вообще переходит из атома натрия в атом хлора.

После такого перехода в атоме натрия остается всего 10 электронов, то есть на один электрон меньше, чем требуется, чтобы нейтрализовать положительный заряд 11 протонов ядра. Атом натрия теряет электрическую нейтральность. Теперь он несет общий заряд значением в +1, это заряд протона, потерявшего уравновешивающий его электрон. С другой стороны, у атома хлора теперь 18 электронов, то есть на один электрон больше, чем требуется для нейтрализации 17 протонов ядра. Поэтому его общий заряд теперь равняется заряду этого лишнего электрона, то есть составляет -1.

Такие атомы, несущие электрический заряд по причине избытка или нехватки электронов, называют «ионами». Естественно, ионы делят на положительные и отрицательные. Ионы обозначают приставляя к обычному символу элемента маленький плюс или минус, отражающий заряд иона. То есть ион натрия обозначается как N⁺, ион хлора — как Сl^-.

Некоторые атомы могут терять в ходе химической реакции по два или даже три электрона, а могут и вести себя по-разному в разных условиях — при одной реакции терять два электрона, а при другой — три. Бывает даже так, что группа атомов, удерживаемая воедино с помощью обычных связей из «общих» электронов, теряет или приобретает электроны. Атомы остаются соединенными, но все вместе приобретают электрический заряд и становятся «сложными ионами». Мы не будем вдаваться в пущие подробности; однако на всякий случай приводим здесь список самых распространенных ионов (табл. 3).

Примечание. Когда атом или группа атомов теряют или приобретают более одного электрона, то этот факт отмечают приписывая перед плюсом или минусом соответствующий индекс.

Закон о том, что противоположно заряженные частицы притягивают друг друга, распространяется и на ионы. Поскольку ионы натрия и хлора формируются путем перехода электрона от атома натрия к атому хлора, то ионы остаются вместе, связанные силой притяжения между положительным и отрицательным зарядами двух ионов. В итоге получается соединение хлорид натрия — привычная нам поваренная соль.

Такие вещества, как хлорид натрия, удерживаемые воедино ионными связями, не состоят из молекул в том же понимании, что и углекислота или вода.

В кристалле поваренной соли любой отдельный ион натрия не является прочно соединенным с каким-то конкретным ионом хлора в единую двухатомную частицу. Нагляднее всего это видно на примере растворения поваренной соли. Ионы натрия и хлора свободно перемещаются в растворе. Точнее, существует всеобщее притяжение между положительными и отрицательными зарядами, но любой отдельный ион натрия может передвигаться, не таща за собой какой-то конкретный ион хлора. На самом деле под воздействием электрического тока оба набора ионов можно заставить двигаться в противоположных направлениях.

Некоторые химические реакции лучше всего рассматривать именно в свете такой вот ионной независимости; тогда проще всего описывать их, сосредоточившись на одном из ионов и упуская из виду второй.

К примеру, возьмем цинк (Zn) и медный купорос, молекула которого состоит из одного атома меди (Cu), одного атома серы (S) и четырех атомов кислорода и обозначается CuSO₄. Если в раствор медного купороса добавить металлический цинк, то произойдет спонтанная реакция, в ходе которой цинк войдет в состав раствора, который станет теперь раствором сульфата цинка (ZnSO₄), а медь выйдет из состава раствора и выпадет в осадок в виде знакомого нам красноватого металла.

Записанное обычным образом выражение для этой реакции будет выглядеть так:

При этом создается впечатление, что сульфатная группа (SO₄) отделяется от меди и прикрепляется к цинку. На самом же деле сульфатная группа ничего подобного не совершает. Изо всех компонентов системы она играет самую пассивную роль. Взглянем на происходящее, исходя из ионной картины.

Медный купорос удерживают воедино ионные связи (по крайней мере, частично), и в растворе он существует не в виде отдельных молекул, а в виде смеси ионов меди (Cu²⁺) и сульфат-ионов (SO²). В ходе реакции атом цинка (его можно записать как Zn⁰, чтобы лишний раз подчеркнуть его нейтральность в металлической форме) теряет два электрона и становится ионом цинка (Zn²⁺), и эти два электрона приобретает ион меди, становясь, таким образом, нейтральным атомом меди (Cu⁰) и оседая в этом виде.

Выражение можно записать так:

Эта реакция подразумевает изменение в природе ионной связи. Изначально мы имеем ионную связь между ионом меди и сульфат-ионом, а в итоге — между ионом цинка и сульфат-ионом. Изменения ионных связей подразумевают и изменение уровня свободной энергии, как и любые другие изменения химических связей. В этом случае реакция проходит спонтанно в направлении, указанном в вышеприведенной формуле, так что мы можем быть уверены в том, что при переходе от металлического цинка и иона меди к иону цинка и металлической меди уровень свободной энергии снижается.

Теперь давайте предположим, что два реагента разделены. В одной камере находится полоска цинка, погруженная в раствор сульфата цинка, в другом — полоска меди, погруженная в раствор медного купороса. Между двумя камерами — пористая перегородка, сквозь которую ионы могут проникать в обе стороны, но, при обычных условиях, очень медленно. В такой системе сами по себе обсуждаемые реакции не будут проходить в каком бы то ни было значительном объеме.

А происходит в ней следующее: атомы цинка в полоске цинка начинают терять электроны и превращаться в ионы цинка. Ионов меди, которые могли бы перехватить эти электроны, поблизости нет, так что в растворе происходит накопление «свободных электронов». Этот процесс не заходит слишком далеко, поскольку срабатывает следующий механизм: все отрывающиеся электроны, обладая одинаковым зарядом, стараются оттолкнуться друг от друга как можно дальше, создавая, таким образом, в растворе нечто вроде «электронного давления». Любому электрону, который хочет в этих условиях оторваться от атома цинка, приходится теперь преодолевать это давление, которое с отрывом каждого нового свободного электрона становится все сильнее, и так продолжается, пока электроны не перестают отрываться вообще. На этом этапе количество накопившихся в растворе свободных электронов относительно мало. То же самое происходит и в «медной» камере, поскольку атом меди тоже имеет склонность терять электроны. И все же в «цинковой» камере электронное давление выше, поскольку склонность атома цинка к потере электронов сильнее, в ней накапливается больше свободных электронов.

Теперь предположим, что полоска цинка соединена с полоской меди металлической проволокой. Тогда мы станем наблюдателями нового для нас и крайне интересного процесса. Обычные атомы по проволоке перемещаться не могут — этому мешают атомы, уже находящиеся в ней. А вот электрон — гораздо меньше и легче, чем атом. Его масса в 1837 раз меньше массы самого легкого атома (имеется в виду конечно же водород). Поэтому электрон может скользить между атомами, из которых состоит металлическая проволока. Способность электрона проходить сквозь вещество зависит от электронного строения самих атомов этого вещества. Электронная структура многих веществ — серы, стекла, резины, например, — не позволяет электронам свободно проходить сквозь них.

Электронное давление в обеих камерах становится движущей силой, запускающей перемещение этих микрочастиц по проволоке. Поскольку в «цинковой» камере электронное давление выше, то электроны будут вылетать из «цинковой» камеры активнее, чем из «медной». Таким образом, общее движение электронов будет происходить в направлений из точки с большим электронным давлением в точку с меньшим электронным давлением, по тому же принципу, по которому камень катится вниз (из точки с высоким уровнем потенциальной энергии — в точку с более низким), а тепло переходит от горячих предметов к холодным (из области с высокой температурой — в область с низкой). Эта разность электронных давлений, служащая движущей силой электронного потока, называется «электрическим потенциалом», или «электродвижущей силой».

По мере того как электроны покидают «цинковую» камеру, электронное давление в ней понижается и находящиеся в ней атомы цинка начинают активнее избавляться от электронов. Эти освобождающиеся электроны тоже покидают камеру, и атомы цинка продолжают испускать электроны в прежнем темпе. Так продолжается неопределенно долго, и этот непрерывный поток электронов и есть знакомый нам электрический ток.

По мере того как электроны перетекают из «цинковой» камеры в «медную», их подхватывают ионы меди, окружающие медную полоску, превращаясь, таким образом, в нейтральные атомы меди. Дальше по мере притока электронов атомы цинка на одном конце проволоки превращаются в ионы и переходят из твердого состояния в раствор, а ионы меди на другом конце превращаются в атомы меди и выпадают из раствора в осадок. Общее количество положительных ионов в обеих камерах не изменяется, как и общий размер положительного заряда. Точнее, положительный заряд собирается в той части раствора, которая окружает цинк, и исчезает из той части, которая окружает медь; однако отрицательно заряженный сульфат-ион может перемещаться сквозь пористую перегородку из «медной» камеры в «цинковую» и поддерживает, таким образом, электрическое равновесие.

Поток электронов — это вид энергии, и его можно использовать для выполнения работы. Электрическая энергия возникает за счет снижения химической энергии, которое происходит в процессе превращения ионов меди и цинка в ионы цинка и медь.

Такое устройство, переводящее свободную энергию химической реакции в электрическую энергию, называют химической батареей, или электрической батареей, или электрохимической батареей, элементом питания или даже «гальваническим элементом», или «вольтовой цепью» (рис. 14), по имени Алессандро Вольта, итальянского ученого, который впервые изготовил химическую батарею в 1800 году. Описанная нами конкретная схема с использованием меди и цинка называется «элементом Даниеля» по имени разработавшего ее в 1836 году английского химика Джона Фредерика Даниеля.

Обратите внимание — эти батареи уже изготавливали и использовали за столетие до того, как были открыты электроны! Однако именно с 1890-х годов отсчитывается невероятный рост применения потока электронов благодаря работе физиков, трудившихся в области электроники. Мораль тут такова: чтобы использовать некое явление — совершенно не обязательно его понимать, но если все же его удастся понять, то польза от него возрастет многократно!

Чем больше снижается уровень свободной энергии, задействованной в химической реакции, запускающей поток электронов, тем больше движущий электроны электрический потенциал. Электрический потенциал легко измерить; единицей измерения его служит «вольт», а прибор, которым его измеряют, называется «вольтметр» — опять же в честь Вольта. Математические выкладки Гиббса показали, что из этого потенциала можно высчитать уменьшение свободной энергии. Таким образом, Гиббс увязал с термодинамикой, которая изначально разрабатывалась в общем-то для тепловых машин, не только химическую, но и электрическую энергию.

Некоторые очень важные химические реакции остаются, таким образом, за пределами возможностей прямого изучения. Реакция соединения углерода и кислорода в углекислоту имеет точку равновесия настолько близкую уже к самой углекислоте, что снижение уровня свободной энергии, связанное с ней, подсчитать, исходя из точки равновесия, невозможно. Невозможно создать и химическую батарею на основе реакции соединения углерода и кислорода. Это была бы «топливная батарея», которая позволила бы производить дешевое электричество и представляла бы собой очень ценное и полезное устройство, если бы только ее возможно было создать.

К счастью, здесь можно воспользоваться эквивалентом закона Гесса. Как вы помните, закон Гесса позволяет обращаться с химическими выражениями так, как будто это выражения математические, и это распространяется на значения ΔН (см. главу 8). То же самое справедливо и для ΔF. Манипулируя выражениями, для которых можно измерить изменения уровня свободной энергии напрямую, можно вывести из них и значения для тех реакций, для которых напрямую их измерить нельзя.

Таким образом, можно сказать с полной уверенностью, насколько в науке вообще можно что-то говорить с полной уверенностью, что

ΔF = -54,6 ккал,

ΔF = -195,6 ккал

и так далее для множества других реакций.

Глава 11. КАК ПОДТОЛКНУТЬ РЕАКЦИЮ

Триумфальное вторжение термодинамики в химию в 70-х и 80-х годах XIX века, описанное в двух предыдущих главах, проходило не всегда гладко.

Я уже говорил, и еще не раз повторюсь, что реакции соединения водорода с кислородом (как и углерода с кислородом) сопутствует сильное снижение теплового содержания и свободной энергии; эта реакция является спонтанной. Однако я уже упоминал, хотя и не заостряя на этом внимания, что для того, чтобы смесь водорода с кислородом воспламенилась, ее надо поджечь, то есть, чтобы началось это, предположительно, спонтанное соединение, реакцию надо подтолкнуть. В отношении реакции соединения углерода с кислородом это положение еще более справедливо. Ни одному хозяину загородного дома не приходит в голову волноваться, что уголь в его подвале вдруг начнет самостоятельно вступать в реакцию с атмосферным кислородом, пока не окажется в камине. И даже в камине изначально разжечь огонь не так-то просто.

Почему так происходит? Если графики изменения свободной энергии, которые я приводил в предыдущей главе, хоть в какой-то степени отражают реальность, то, по идее, реакция водорода с кислородом должна начаться немедленно, как только они вступают в соприкосновение. Если провести аналогию с механикой, то шар, будучи положенным на верхнюю точку наклонной плоскости, должен сразу же покатиться вниз, не нуждаясь в дополнительном толчке. Почему же тогда спонтанной химической реакции нужен толчок в тепловом виде? Что не так с принципами динамической термодинамики?

Один из ответов на этот вопрос заключается в том, что термодинамика может указать направление, в котором пойдет та или иная химическая реакция, но не ее скорость. Иными словами, водород и кислород, содержащиеся в воздухе, на самом деле все же соединяются, и уголь в подвале тоже вступает в соединение с атмосферным кислородом. Однако и тот и другой процессы происходят настолько медленно, что не влекут за собой никаких заметных внешних изменений даже за очень долгий период времени.

Это звучит как принципиально непроверяемая гипотеза, теоретическая отговорка, но, к счастью, имеются и подтверждающие эту теорию факты. Бумага, состоящая из сложных молекул, в состав которых входят атомы углерода, водорода и кислорода, вступает с кислородом в реакцию, при которой происходит снижение уровня свободной энергии. В случае, когда она горит, испуская тепло и свет, это очевидно, и понятно, что реакция эта спонтанна. Однако без предварительного поджигания бумага, кажется, в соединение с кислородом не вступает — по крайней мере, мы этого не видим. Но действительно ли не вступает? Может быть, стоит приглядеться повнимательнее, и мы сможем обнаружить эту реакцию?

Страницы любой книги со временем желтеют и крошатся. Края страниц, которые больше всего контактируют с воздухом, выглядят желтее и более хрупкими, чем внутренняя их часть. В целом бумага выглядит слегка опаленной. Она и является опаленной — все десятилетия неторопливого соединения с кислородом она очень медленно «горит».

Или вот еще более наглядный пример. Маслянистые вещества, молекулы которых состоят но большей части из углерода и водорода, вступают в соединение с кислородом в ходе реакции, которая приводит к снижению свободной энергии и, разумеется, к производству тепла. Без поджигания эта реакция происходит слишком медленно, чтобы быть замеченной.

Однако сами по себе маслянистые вещества плохо проводят тепло. Если хранить кучу промасленных тряпок в плохо проветриваемом помещении, то тепло, вырабатывающееся с микроскопической скоростью в результате вялотекущих реакций соединения масла и кислорода, не удаляется ни с потоком воздуха, ни через теплопроводность среды. Оно потихоньку, очень медленно, начинает накапливаться. По мере его накопления и подъема температуры возрастает и скорость, с которой проходит реакция. В результате этого тепло начинает накапливаться уже быстрее, температура повышается тоже быстрее, и в конце концов тряпки действительно загораются. Склад охватывает пожар, с ним вместе может сгореть и дом, а пожарные впоследствии скажут — «самовозгорание» и прочтут очередную лекцию о правилах пожарной безопасности при хранении горючих материалов.

Так что, похоже, спонтанные реакции действительно спонтанны. Необходимость объяснять их очевидное «нежелание» начинаться не свидетельствует о некоей принципиальной погрешности термодинамики как таковой, а лишь является проявлением принципа, который станет нам ясен после более тщательного изучения скоростей прохождения реакций (эта область называется «химической кинетикой»). Почему реакция происходит просто незаметно при одних условиях и со взрывообразной скоростью при других?

Первый закон, открытый в области химической кинетики, гласит, что чем выше температура, тем быстрее проходят все химические реакции. Это знакомо каждому на основе личного опыта, и даже в доисторическую эпоху люди знали, что чем жарче огонь, тем быстрее могут выполняться работы по приготовлению пищи, металлургии, изготовлению стекла и так далее. В области менее высоких температур можно указать, что, например, фруктовый сок гораздо быстрее забродит в теплой комнате, чем в снежном сугробе. Однако от «общих знаний» еще далеко до формулировки принципа на основе точных измерений при контролируемых условиях — а ведь только последнее что-то значит в науке.

В 80-х годах XIX века разные химики проводили эксперименты по осуществлению различных химических реакций при различных температурах и измеряли точное время реакции. Оказалось, что повышение температуры на 10° приводит к ускорению реакции приблизительно вдвое.

В рамках кинетической теории это звучит разумно. Химическая реакция между двумя веществами не сможет толком происходить, если молекулы этих веществ не будут сталкиваться. По мере повышения температуры движение молекул ускоряется (см. главу 6), и каждую секунду происходит большее количество столкновений, поэтому и вся реакция в целом проистекает быстрее.

Но подождите-ка! Мы знаем, что средняя скорость движения молекул возрастает пропорционально квадратному корню абсолютной температуры. Скажем, повышение ее с 20 °С до 30 °С по абсолютной шкале будет означать лишь повышение с 293 °К до 303 °К, то есть всего на несколько процентов'. А если скорость движения молекул повышается так мизерно, почему вдруг скорость реакции должна при этом удвоиться?

Кроме того, возникает и другой вопрос. Если медленно нагревать смесь водорода и кислорода, то практически ничего не изменится, пока температуpa смеси не достигнет 600 °С. А тогда мы вдруг становимся свидетелями взрывообразной реакции!

На первый взгляд странно. Если скорость реакции при повышении температуры на 10° увеличивается примерно вдвое, то логично предположить, что по мере нагревания водород с кислородом будут вступать в соединение с равномерно увеличивающейся скоростью. Да, при столь высокой температуре она вполне может достигать наблюдаемой скорости, но и на подходе к ней реакция ведь тоже должна протекать, причем все быстрее? А вместо этого скорость реакции скачкообразно переходит от состояния «слишком медленная, чтобы измерить» к состоянию «слишком быстрая, чтобы измерить». Почему так?

Давайте еще раз взглянем на составляющие химической реакции — это можно сделать на примере все той же реакции соединения водорода и кислорода в смеси двух газов.

До сих пор, говоря о соединении водорода с кислородом, я не затрагивал особых подробностей. Я только сказал, что на входе мы имеем смесь газообразных водорода и кислорода с одним содержанием свободной энергии, а на выходе получаем воду с другим, значительно более низким содержанием. Этих сведений до сих пор было достаточно, но теперь надо разобраться и в самом процессе реакции. Понятно ведь, что молекулы водорода и кислорода не превращаются в молекулы воды по мановению волшебной палочки. Разумеется, это процесс, состоящий из нескольких этапов, каждый из которых требует определенного времени.

Представим себе, что исходный водород — это газ, состоящий из молекул, каждая из которых представляет собой два атома водорода, соединенных химической связью. Такую молекулу можно обозначить как НН. Точно таким же образом и кислород состоит из молекул, каждая из которых представляет собой два атома, удерживаемые воедино такой же химической связью, — обозначим их как ОО. А получаемая в итоге вода, как показывает практика, состоит из молекул, где один атом кислорода находится между двумя атомами водорода (НОН).

Но для того чтобы поместить атом кислорода между двумя атомами водорода, необходимо сначала, чтобы связь этих двух атомов между собой распалась. И для того, чтобы этот единственный атом кислорода смог встроиться в молекулу воды, он тоже должен сначала оторваться от своего собрата по молекуле кислорода.

Соответственно, прежде, чем речь зайдет об образовании воды, должны произойти следующие реакции:

Но при подобном разложении молекул на свободные атомы, как уже указывалось в главе 7, уровень свободной энергии заметным образом возрастает.

Если посмотреть на соединение водорода и кислорода с этой точки зрения, то станет ясно, что на самом деле речь идет о двух различных реакциях. Первая из них — это превращение молекул водорода и кислорода в свободные атомы этих же элементов, а вторая — соединение этих свободных атомов в молекулы воды. При этом изменение уровня свободной энергии происходит так, как изображено на рис. 15.

Если посмотреть на рис. 15 на уровень свободной энергии смеси молекулярного кислорода и молекулярного водорода (А) и сравнить его с уровнем свободной энергии воды (В), то кажется, что этот уровень должен в ходе реакции равномерно снижаться. Однако если принять во внимание наличие промежуточной стадии смеси атомного водорода с атомным кислородом, то станет очевидно, что на этой стадии мы будем иметь уровень свободной энергии значительно более высокий (X), чем и в начальной (А), и в конечной (В) точках. Неудивительно, что заставить водород и кислород соединиться — непростая задача. Используя аналогии из мира механики, можно сказать, что это то же самое, что заставить шар скатиться вниз из точки А в точку В не по ровной наклонной плоскости, а минуя на своем пути гору, вершина которой находится выше исходной точки.

Тогда возникает следующий вопрос. Почему же тогда водород с кислородом вообще вступают в реакцию? В главе 7 я упоминал, что даже при температуре 3500 °С менее половины молекул водорода и кислорода распадаются на атомы — а смесь газов почему-то вступает во взрывообразную реакцию уже при 600 °С.

Ответ прост: а нам и не надо, чтобы вообще все молекулы водорода и кислорода в смеси распались на атомы. Для запуска процесса реакции достаточно образования лишь небольшого количества свободных атомов обоих веществ.

На самом деле на графике не будет наблюдаться острого пика, поскольку точка X будет достигнута лишь в том случае, если смесь полностью будет состоять из отдельных атомов водорода и кислорода. В реальности при обычных условиях молекулярные водород и кислород в процессе образования воды никогда не проходят через такое состояние. Даже в самом приближенном к идеалу случае лишь малая часть системы состоит из свободных атомов, поэтому этот промежуточный пиковый уровень свободной энергии на самом деле проходит куда более плавно. На графике (рис. 16) ему будет соответствовать скорее не горный пик, а покатый бугорок. Но если вернуться к нашей аналогии, то для катящегося шара и покатый бугорок — достаточно серьезная преграда. Шар придется хорошенько толкнуть, чтобы он закатился на бугорок, прежде чем покатиться вниз самостоятельно уже до самого конца. То же самое относится и к химической реакции.

В 1889 году шведский химик Сванте Август Аррениус вывел общую математическую формулу для описания подобных процессов, и оказалось, что подобный «бугорок» наблюдается при описании не только реакции соединения водорода с кислородом, но и вообще всех химических реакций. Энергию, которую необходимо привнести в систему для того, чтобы общего уровня свободной энергии оказалось достаточно для поднятия реакции «на вершину», по достижении которой далее она будет протекать уже спонтанно, сейчас принято называть «энергией активации».

Самый простой способ привнести в систему дополнительную энергию для запуска реакции — это нагреть реагирующие вещества. Если смесь водорода и кислорода нагреть до соответствующей температуры, она взрывается; если бумагу или промасленные тряпки нагреть до соответствующей температуры, они загораются. С этого момента реакция живет собственной жизнью и протекает спонтанно, не требуя более никакого приложения внешних усилий.

Из наших рассуждений может показаться, что химические реакции происходят по принципу «все или ничего», то есть до тех пор, пока энергии системы недостаточно для преодоления пика, реакция вообще не будет идти, а потом, по мере добавления необходимого количества тепла, внезапно начинается реакция. Это вполне логичное предположение, которое можно сделать исходя из того, что смесь водорода с кислородом при одной температуре пребывает в стабильном состоянии, а при другой — внезапно взрывается, а бумага и промасленная ветошь при одной температуре спокойно лежат себе, а при чуть более высокой — вдруг вспыхивают ярким пламенем.

Но это упрощенная точка зрения. Я уже говорил о том, что на самом деле и бумага, и промасленная ветошь все-таки вступают в реакцию соединения с кислородом при комнатной температуре, просто очень медленно, и что так же ведут себя, по-видимому, и водород с кислородом. А ведь при комнатной температуре энергетическое содержание системы гораздо ниже, чем требуется для достижения энергии активации. Почему же в этих случаях тем не менее происходит соединение?

Давайте еще раз рассмотрим смесь водорода с кислородом, четко обозначив при этом температуру равную комнатной — скажем, около 25 °С.

Формулы Максвелла—Больцмана (которые я уже упоминал в главе 6) можно использовать для расчета наиболее вероятной скорости и, соответственно, наиболее вероятной кинетической энергии молекул газа при заданной температуре. Произведя этот расчет, мы удостоверимся, что энергии имеется гораздо меньше, чем требуется для разрыва связей между атомами в молекулах водорода или кислорода. Две молекулы, имеющие среднюю для температуры 25 °С энергию, после столкновения просто разлетятся в стороны. Какое-то количество энергии может перейти от одной из них к другой, но обе останутся целыми.

Однако нельзя забывать, что формулы Максвелла—Больцмана позволяют узнать лишь наиболее вероятную энергию молекул — они не могут универсальным образом описывать энергию каждой из них. При любой температуре разброс энергетического содержания между молекулами одного и того же вещества огромен. Энергия большинства молекул близка к средней, но некоторое меньшинство может обладать энергией гораздо больше средней. И в любом множестве молекул всегда найдется немного таких, которым посчастливилось набрать достаточно энергии для самопроизвольного расщепления на атомы. Энергия, имеющаяся у этих молекул, явно не меньше энергии активации. Атомы, высвобождающиеся из этих молекул, вполне могут принимать участие в реакциях как друг с другом, так и, что более вероятно, с еще целыми молекулами для образования воды.

Поэтому даже при комнатной температуре имеется некоторое количество молекул водорода и кислорода, проходящих порог энергии активации и предоставляющих в итоге свободные атомы для образования молекул воды. Процент таких молекул настолько мал, что скорость образования воды оказывается неизмеримо более медленной.

Однако по мере повышения абсолютной температуры среднее энергетическое содержание молекул пропорционально возрастает. Повышение температуры с 20 °С до 30 °С, как я уже говорил, в процентном соотношении выражается в крайне незначительном увеличении средней скорости молекул, но при этом количество молекул, обладающих энергией больше пороговой, увеличивается вдвое, а то и втрое (рис. 17). Можно провести такую аналогию: если лето выдается жарким, то, подсчитав среднесуточную температуру, мы обнаружим, что она всего на 1 °С выше, чем обычно, но при этом жарких дней, то есть таких, когда температура достигала бы 32 °С, по подсчетам окажется в два-три раза больше.

Скорость реакции зависит не от среднего уровня энергии молекул, а от количества молекул, обладающих энергией не меньшей, чем энергия активации. Поэтому она и удваивается с повышением температуры на каждые 10 градусов.

Если говорить конкретно о реакции соединения водорода с кислородом, то при комнатной температуре скорость реакции настолько мизерна, что ее можно очень долго удваивать путем повышения температуры без того, чтобы она достигла сколько-нибудь заметного уровня. Однако далеко не для всех реакций энергия активации столь велика. Для многих реакций уже при комнатной температуре энергия значительной части молекул участвующих в них веществ окажется достаточной для того, чтобы преодолеть этот довольно невысокий порог, и реакция протекает с вполне измеримой скоростью. Именно на материале таких реакций с низким порогом химики 1880-х годов получили те данные, которые были им необходимы для измерения возрастания скорости реакции по мере увеличения температуры.

Что ж, допустим, что такое объяснение может оказаться удовлетворительным ответом на вопрос о «слишком медленных» реакциях, но что же сказать в таком случае о реакциях взрывообразных? Чем обусловлен внезапный перескок от реакции «слишком медленной для измерения» к реакции «слишком быстрой для измерения»?

Загадочным такое положение дел будет казаться лишь до тех пор, пока мы не обратим внимание на тот факт, что тепло может поступать в систему не только извне. Образование молекул воды из свободных атомов — реакция экзотермическая, при ней тоже выделяется тепло. Правда, вырабатывается его немного, температура в результате выделения тепла повышается незначительно, к тому же смесь газов быстро избавляется от излишков тепла через излучение, и общая температура системы остается стабильной.

Однако если систему начать подогревать снаружи, то ее температура станет возрастать, количество соединений — увеличиваться, а с ними вместе и объем вырабатываемого при соединениях тепла. В определенный момент количество вырабатываемого за секунду тепла превысит возможности газа по излучению тепла за ту же секунду, и излишек вырабатываемого при реакции тепла будет теперь оставаться в той же системе, повышая тем самым температуру системы еще больше. Это, в свою очередь, приведет к дальнейшему ускорению реакции, и получится замкнутый круг — чем выше температура, тем интенсивнее реакция, а чем интенсивнее идет реакция, тем выше поднимается температура.

То есть стоит один раз нарушить равновесие, и система уже сама начнет уходить от него все дальше. До определенного порогового уровня смесь водорода с кислородом кажется спокойной; по его достижении, когда излучение уже не справляется с теплоотводом и равновесие оказывается нарушенным, темпы реакции внезапно ускоряются настолько, что экспериментатор даже не успевает отключить внешний источник тепла.

По тому же принципу, только в меньшем масштабе, запускается и процесс горения бумаги. Предположим, что к уголку бумаги поднесли спичку. На этом уголке бумага получила энергию активации, и реакция горения оказалась запущенной, молекулы, из которых состоит бумага, принялись активно соединяться с кислородом, производя при этом тепло. Этого тепла оказывается вполне достаточно, чтобы придать энергию активации соседним молекулам бумаги, которые, в свою очередь, сгорая, тоже вырабатывают тепло, и так далее. Спичка давно уже догорела, но ее пламя к этому моменту уже не нужно. Бумага продолжает гореть уже самостоятельно и будет гореть, пока не закончится. Все прекрасно знают, что один-единственный непогашенный окурок может предоставить изначальное количество энергии достаточное, чтобы спалить много гектаров леса.

Энергию активации той или иной реакции участвующие в ней вещества могут получить не только посредством притока в систему тепла. Вот пример: смесь водорода с хлором, будучи нагретой, взорвется еще охотнее, чем смесь водорода с кислородом, но при комнатной температуре она является вполне инертной, но только… в темноте! Если же на смесь водорода с хлором попадут лучи света, особенно яркого — например, дневного солнечного света или вспышки магниевой лампы, — то она взорвется и при комнатной температуре.

Такое действие света на смесь водорода с хлором первым подметил в 1801 году английский химик Уильям Крукшенк, и разрозненные наблюдения по поводу этого феномена отмечались на протяжении всего XIX века. Однако для полного его понимания необходимо было сначала получить правильное представление о природе света как такового, чего у физиков XIX века еще не было. Тут необходимо сделать небольшое отступление.

Современный подход к изучению света был заложен еще Исааком Ньютоном в 1660-х годах. Ньютон показал, что солнечный свет можно разложить на разноцветные полоски (получившие название «спектр») с помощью треугольной призмы. Ньютон придерживался мнения о том, что свет — это поток бесконечно малых частиц, с огромной скоростью разлетающихся во все стороны прочь от своего источника. (Впервые скорость света более-менее точно установил в 1671 году датский астроном Оле Рёмер. Сейчас известно, что она равняется 300 000 километров в секунду.)

Современник Ньютона, датский астроном Кристиан Гюйгенс выдвинул другую точку зрения, что свет — это волновое движение.

В XVIII веке большей популярностью обладала ньютоновская «корпускулярная» теория. Однако ряд экспериментов, проведенных в начале XIX века, позволил сделать четкий вывод о том, что свет все же состоит из волн, и, таким образом, прочно утвердилась «волновая» теория.

Длина каждой отдельной волны света крайне мала и меняется от одного цвета к другому. Точную «длину волны» можно высчитывать разными способами, и все они сходятся в том, что длина волны красного света лежит приблизительно около значения в 0,0000007 метра.

Понятно, что метр — слишком большая величина для измерения длины световых волн. Для этого используются единицы микрон (одна миллионная, 0,000001, метра) и миллимикрон (одна тысячная микрона, или одна миллиардная метра, 0,000000001). Шведский астроном Андерс Йонас Ангстрем, занимавшиися изучением света в середине XIX века, использовал единицу в одну десятую миллимикрона, или одну десятимиллиардную (0,0000000001) метра. Эта единица получила в его честь название «ангстрем», что записывается как Å, и, таким образом, длина волны красного света равняется примерно 7000 Å (рис. 18).

Длина волны света постоянно колеблется, и цвет ее неуловимо меняет оттенки. При длине волны 6000 Å свет четко оранжевый, при около 5700 Å — уже желтый, при 5300 Å — зеленый, при 4800 Å — синий, при 4200 Å — фиолетовый. Конечно, значения, которые здесь приведены, — средние. Все цвета плавно и незаметно переходят друг в друга, а крайние цвета спектра — в темноту, красный — где-то после 7600 Å, а фиолетовый — после 4000 Å.

Кроме длины волны, не менее важен такой параметр, как «частота», то есть количество волн, попадающих в глаз (или в прибор) в секунду. За секунду свет проходит 300 000 километров, или около 3 000 000 000 000 000 000 ангстрем. Соответственно количество волн самой большой длины (красных), находящихся на этом участке, равняется 3 000 000 000 000 000 000 / 7600, то есть около 400 000 000 000 000. Значит, за секунду на глаз попадает около четырех триллионов волн красного света — такова его частота.

Понятно, что чем меньше длина волны, тем большее количество волн попадает в этот отрезок. То есть чем короче волна, тем выше ее частота. Частота волны фиолетового спектра, самой короткой из видимых световых волн, равна примерно 730 000 000 000 000, то есть почти в два раза выше, чем частота волны красного света.

Приблизительно в 1860 году Максвелл принялся за изучение электрических и магнитных сил, которые проявляют свое действие на некотором расстоянии от магнитного или электрического заряда. Его выводы показали, что электричество и магнетизм неразрывно связаны и создают в пространстве единое электромагнитное поле. Более того, он продемонстрировал и то, что любой колеблющийся электрический заряд излучает энергию («электромагнитное излучение») в волновой форме с частотой равной частоте своих колебаний. Эта энергия движется в пространстве со скоростью света.

Для Максвелла сходство между этой теоретически выведенной скоростью электромагнитного излучения и уже известной скоростью света оказалось слишком разительным, чтобы рассматривать его как случайное совпадение. Он решил, что свет — это одна из разновидностей электромагнитного излучения.

Конечно, возникает вопрос — каким же должен быть заряд, чтобы создавать колебания частотой в сотни триллионов, и на это Максвеллу ответить было нечего. Ответить на подобный вопрос смогли лишь в 90-х годах XIX века, когда было открыто внутреннее строение атома. Именно тогда голландские физики Хендрик Антон Лоренц и Питер Зееман смогли продемонстрировать, что генераторами колебания служат несущие электрический заряд электроны, вращающиеся по внешним орбитам атомов. Именно изменения уровня энергии этих электронов и запускают световые волны.

Далее. Максвеллу показалось логичным, что заряды могут колебаться с любой частотой, а следовательно, и электромагнитные колебания могут быть любой частоты. Отсюда следовал вывод о существовании излучений с меньшей частотой и большей длиной волны, чем у красного света, и, наоборот, с большей частотой и меньшей длиной волны, чем у фиолетового.

Сейчас уже действительно открыты и инфракрасный, и ультрафиолетовый спектры излучения. Глаз их не воспринимает, так что свет этих спектров для нас невидим, но в физическом отношении эти излучения вполне реальны. Примерно в 1800 году английский астроном немецкого происхождения Уильям Гершель поместил градусник под облучение невидимым глазу светом частотой чуть меньше красного, и градусник стал нагреваться даже быстрее, чем при облучении видимым светом, из чего стало ясно, что излучение содержит энергию.

Примерно в то же время немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер обнаружил, что воздействие синего и фиолетового света приводит к распаду нитрата серебра на металлическое серебро и вещество становится из белого черным; но, кроме того, оказалось, что невидимые лучи той части спектра, которая находится сразу за фиолетовой, приводят к тому же результату еще быстрее! Так было доказано содержание энергии и в ультрафиолетовой части спектра.

Однако и инфракрасное и ультрафиолетовое излучения лежат все же достаточно близко к видимой части спектра, а по теории Максвелла предполагалось существование излучения и в удаленных от нее частях. При его жизни существование таких видов излучения экспериментально установлено не было.

Максвелл, умерший в 1878 году в возрасте всего сорока восьми лет, не дожил до дня подтверждения своей теории на практике. Однако уже через восемь лет, в 1886 году, немецкий физик Генрих Рудольф Герц построил электрическую цепь, в которой электрический ток вызывал колебания с крайне низкой частотой, что, по теории Максвелла, должно было привести к образованию излучения с такой же низкой частотой и соответственно большой длиной волны. И Герцу действительно удалось зафиксировать такое излучение — нам оно известно под именем радиоволн.

Частота радиоволн — от 1 000 000 и ниже. Частота коротких радиоволн доходит до 10 000 000 000 (десяти миллиардов). Радиоволны постепенно переходят в микроволны, те — в волны инфракрасного спектра, а те, в свою очередь, — в волны видимой части спектра. Все переходы происходят плавно и незаметно, разрывов, то есть таких значений частоты, для которых не существовало бы волны, в этой цепочке нет.

Что же мы можем сказать про вторую половину спектра излучения? В 1895 году немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген открыл новый вид излучения. Он называл его «лучами X», а нам оно известно под названием «рентгеновского излучения», по имени первооткрывателя. Частота этого излучения оказалась гораздо выше, чем частота излучения ультрафиолетового, порядка миллионов триллионов. Как выяснилось позже, источник этого излучения запускался изменением энергетического уровня электронов, вращающихся на внутренних орбитах атома. А год спустя обнаружилось, что элемент уран испускает неизвестное до тех пор излучение, оказавшееся тоже разновидностью электромагнитного излучения с частотой еще выше, чем у рентгеновского, — порядка миллиардов триллионов. Это излучение получило название «гамма-лучей». Его источником оказалось изменение энергетического уровня заряженных частиц самого ядра атома.

В этой части спектра мы видим ту же картину, которая описывалась выше для «низкочастотного» излучения: гамма-лучи плавно переходят в рентгеновское излучение, рентгеновское — в ультрафиолетовое, а ультрафиолетовое — в видимую часть спектра. Полностью весь электромагнитный спектр (рис. 19) содержит около 60 октав (октава — это отрезок, на протяжении от начала до конца которого частота удваивается). Из них видимая часть спектра — это всего лишь одна октава. К 1900 году теория Максвелла подтвердилась полностью.

Свет — это форма энергии, но, как стало ясно с наступлением XIX века, энергетическое содержание света различных участков спектра не одинаково. Привести к распаду серебросодержащих соединений с образованием металлического серебра может только действие «высокочастотного» синего и фиолетового света. Сколько ни облучай нитрат серебра «низкочастотным» красным светом, ничего не произойдет.

Этот и множество других примеров ясно показывают, что энергетическое содержание высокочастотных световых волн выше, чем низкочастотных. Ультрафиолетовое излучение было обнаружено только благодаря тому, что еще эффективнее, чем любой свет видимой части спектра, разлагало серебросодержащие элементы. Кроме того, ультрафиолетовые лучи могут обжечь кожу. Рентгеновские лучи проникают в вещество глубже, а гамма-лучи — еще глубже, и оба этих вида излучения вызывают в организме реакции (очень вредоносные), требующие приложения большого количества энергии.

Тот факт, что излучение с высокими частотами несет больше энергии, подтверждается и свойствами нагретых предметов. Часть энергии, приобретаемой ими с теплом, отдается наружу посредством излучения. Чем выше поднимается температура, тем выше частота испускаемого излучения. Таким образом, нагреваемый кусок металла начинает испускать излучение (и поднесенная к нему рука будет чувствовать тепло или даже жар), оставаясь при этом абсолютно невидимым в темноте. Испускаемое им излучение лежит в инфракрасной части спектра. По мере повышения температуры он начинает излучать уже и в видимой части, и мы замечаем исходящее от него тускловатое красное свечение. Для того чтобы «раскалиться докрасна», металлу необходимо нагреться примерно до 650 °С.

При еще более высоких температурах частота излучения продолжает возрастать, так что при температуре в 2000 °С металл, миновав стадию ярко-красного, станет уже желтым. Солнце, температура на поверхности которого равна 5700 °С, «раскалено добела» и испускает в достаточно большом количестве ультрафиолетовые лучи. Некоторые звезды (правда, их немного среди общего числа) излучают в основном в синей и ультрафиолетовой частях спектра. Солнечная корона, температура которой более миллиона градусов, испускает даже рентгеновские лучи.

Интерес к подробностям излучения тел при различной температуре к концу XIX века становился все больше. Для упрощения было введено представление о существовании тела, которое поглощает все попадающие на него лучи, какую бы частоту они ни имели. Такой предмет не отражал бы никакого излучения и представлял бы собой, таким образом, идеально «черное тело». Если такое черное тело нагреть, оно стало бы с одинаковой легкостью испускать излучение всех частот. (Тело, не являющееся «черным», то есть поглощающее излучение лишь определенных частот, именно на этих частотах и будет излучать, если его нагреть.)

Но если черное тело при нагревании действительно будет с одинаковой легкостью излучать на всех частотах, то возникает парадокс, нуждающийся в объяснении. Высокочастотных видов излучения существует гораздо больше, чем низкочастотных (так же, как чисел более триллиона существует гораздо больше, чем чисел менее триллиона). Поэтому если свет может с равной вероятностью «выбирать» среди всех доступных частот, то практически все излучение должно происходить в высокочастотном спектре, а на долю немногочисленных низкочастотных значений должно приходиться очень мало. Однако при нагревании предметов, приближенных к идеальному «черному телу», такого не происходило. Даже при сравнительно высоких температурах большая часть излучения оказывалась лежащей в видимой и более низкочастотных частях спектра. Для получения высокочастотного излучения в более-менее значительном объеме требовалось нагреть тело до весьма значительных температур.

Объяснения этому явлению не существовало вплоть до 1900 года, когда немецкому физику Максу Карлу Планку пришла в голову идея. А что, если излучение, как и материя, не является непрерывной и однородной субстанцией? Что, если излучение, как и материя, состоит из крошечных неделимых единиц? Для объяснения того факта, что высокочастотное излучение содержит больше энергии, чем низкочастотное, только и остается предположить, что оно состоит из единиц большего объема.

Планк назвал эти единицы энергии «квантами», от латинского «quantum» — «сколько», и предположил, что энергетическое содержание одного кванта пропорционально частоте излучения. Обозначив энергию как е, а частоту заданного излучения как ν (греческая буква «ню»), мы получим математическую формулу гипотезы Планка в виде

коэффициент пропорциональности которой h известен нам сейчас как «постоянная Планка».

Соответственно, не следует предполагать, что при нагревании предмета, будь это даже идеально черное тело, он будет с одинаковой вероятностью излучать на всех частотах. Частота гамма-лучей в миллиард раз больше частоты инфракрасных лучей, значит, на образование кванта гамма-излучения требуется в миллиард раз больше энергии, чем на образование кванта инфракрасного излучения. При низких температурах, когда энергетическое содержание предмета невелико, в нем могут образовываться вообще одни только кванты инфракрасного света. По мере роста температуры, а следовательно, и доступной для формирования квантов энергии в предмете начинают образовываться все более и более крупные кванты все более и более высокочастотного излучения. Вообще, только с использованием квантовой теории оказалось возможным точное описание свойств испускаемого черным телом излучения — ничто другое не позволяло добиться такого результата.

Теория эта оказалась настолько революционной, что в течение некоторого периода лишь немногие физики решились принять ее на вооружение. А затем в 1905 году Альберт Эйнштейн с помощью квантовой теории сумел объяснить механизм, путем которого некоторые металлы под воздействием света начинают испускать электроны.

Еще в конце XIX века было отмечено, что под лучами света некоторые металлы испускают электроны. Энергия испускаемых электронов зависела при этом не от силы света, а от его частоты. К примеру, красный свет, не важно, сколь сильный, не приводил к испусканию электронов вообще. Облучение желтым светом вызывало испускание лишь небольшого количества электронов с малым содержанием энергии. Если желтый свет был ярче и сильнее, электронов испускалось чуть больше, но их энергетическое содержание по-прежнему оставалось небольшим. А вот облучение синим светом уже приводило к испусканию достаточно энергичных электронов. Если синий свет был очень слабым, то и электронов испускалось мало, но энергетическое содержание их было при этом все таким же высоким.

Эйнштейн указал, что такое положение дел становится вполне логичным, если предположить, что энергия может поглощаться только целыми квантами. Энергии маленького кванта красного света не хватает на то, чтобы вытолкнуть электрон, и, сколь сильным ни делай красный свет, испускания электронов не добьешься, потому что перед поглощением каждого следующего кванта атом всегда успевает избавиться от предыдущего. Чуть более крупные кванты желтого света при поглощении могут выбить электрон, обладающий слабой энергией, а еще более крупные кванты синего света — электрон с еще большим энергетическим содержанием.

И только тогда ученые наконец признали и приняли квантовую теорию Планка.

Вернемся же к нашей смеси водорода с хлором, чтобы посмотреть в свете свежеобретенного знания, что же делает с ней свет. Если смесь газов просто нагревать с помощью горячей плиты или даже пламени горелки, то излучение, с помощью которого в газ поступает тепло, будет в основном инфракрасным — в случае с горелкой лишь небольшая часть его будет находиться в видимой части спектра. Поэтому кванты его будут невелики. Расщепление молекул начнется лишь тогда, когда они наберут достаточно этих квантов для приобретения определенного уровня кинетической энергии.

А кванты сравнительно высокочастотных фиолетовых и ультрафиолетовых лучей, содержащихся в солнечном свете или магниевой вспышке, гораздо крупнее. Молекула хлора, два атома которой связаны слабее, чем в аналогичных молекулах водорода или кислорода, поглотив такой квант, сразу же набирает достаточно энергии для распада. Если обозначить квант за hν, то мы можем записать это так:

Каждый высвобожденный таким образом атом хлора может тут же вступить в реакцию с молекулой водорода для образования хлороводорода.

Но если бы это было все, то действием каждого кванта становилось бы образование двух молекул хлороводорода и общее количество квантов, необходимое для превращения смеси двух газов в хлороводород, равнялось бы количеству имеющихся в смеси молекул хлора.

На самом же деле излучения требуется гораздо меньше. Тщательное изменение количества поставляемой энергии и образуемого хлороводорода показало, что подача одного кванта энергии может привести к образованию от 10 000 до 1 000 000 молекул хлороводорода.

Поскольку энергии одного кванта для выполнения такой задачи явно недостаточно, то остается сделать вывод, что здесь не все так просто. Общепринятое сейчас объяснение этого факта впервые выдвинул специалист в области физической химии немец Вальтер Герман Нернст. Он предположил, что расщепление молекулы хлора квантом с высоким энергетическим содержанием — это лишь первый шаг. Каждый полученный таким образом атом хлора далее вступает в реакцию с молекулой водорода, в результате чего получается не только молекула хлороводорода, но и свободный атом водорода:

Этот свободный атом водорода, в свою очередь, вступает в реакцию с молекулой хлора, в результате которой образуется опять один свободный атом хлора:

Этот атом хлора опять вступает в реакцию с молекулой водорода, полученный в ее результате атом водорода — в реакцию с молекулой хлора и так далее; и на каждом повторении этого цикла будет образовываться молекула хлороводорода.

Задача полученного системой кванта энергии — лишь запустить эту цепную реакцию.

Возникает вопрос: почему же тогда цепная реакция не продолжается до тех пор, пока не обработает все до единой молекулы водорода и хлора и не превратит в хлороводород всю смесь без остатка? Дело в том, что цепная реакция не бессмертна. Рано или поздно очередная итерация реакции совершится не с положенной по счету молекулой водорода или хлора, а с какой-нибудь примесью — скажем, водой или кислородом. Необходимый для продолжения цепной реакции свободный атом хлора или водорода в этом случае образован не будет, и цепочка прервется.

Даже при полном отсутствии в реагирующих газах каких-либо примесей (а очистить смесь до такого состояния, чтобы цепная реакция продлилась достаточно долго, — весьма сложная задача!) все равно остается вероятность того, что высвобожденный атом вступит в реакцию, скажем, с молекулой вещества, из которого состоит стенка камеры, или с другим таким же свободным атомом, объединившись с ним обратно в такую же молекулу, из которой они изначально распались. То есть даже при идеальных условиях цепная реакция не будет длиться вечно.

Понятно, что смесь газов, в которой вероятность длительного существования цепной реакции мала, останется в целом инертной при любом световом облучении. К примеру, на смесь водорода с кислородом световое облучение никакого заметного эффекта не оказывает. Даже если молекула газообразного кислорода и получит достаточно большой квант энергии, чтобы распасться, то получившиеся в результате свободные атомы кислорода присоединятся каждый к одной молекуле водорода, и на том все и кончится:

В подробности природы света и его воздействия на химические реакции я углубился лишь потому, что ближе к концу книги эти свойства света приобретут для нас решающее значение. Однако сейчас путь, которым мы терпеливо продвигаемся, уводит нас в сторону от этого предмета — навстречу другим, не менее интересным.

Глава 12. СТИМУЛЯЦИЯ БЕЗ ПРИЛОЖЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Остановимся на мгновение и подведем промежуточные итоги. Мы начали с поисков различий между живыми существами и неживыми предметами и перешли от них к термодинамике тепловых машин.

Затем мы пришли к выводу, что живые существа тепловыми машинами не являются, но при этом вполне вероятно, что энергию они получают в результате процесса, сходного с горением. От этого повествование закономерно перешло к химической энергии и к тому, что она представляет собой с точки зрения законов термодинамики. Это соображение, в свою очередь, вынудило нас объяснить, почему именно реакции типа задействованных при горении и предполагаемых в участии в процессах жизнедеятельности называются в терминах термодинамики «спонтанными», внешне таковыми не являясь.

Таким образом, мы перешли к предмету обсуждения предыдущей главы — энергии активации, необходимой для того, чтобы «запустить» спонтанную реакцию.

Так чем же теперь это может нам помочь в нашей основной задаче — исследовании природы живой материи? Предположим, что в организме человека происходят такие же реакции, как и при горении. Соответственно они должны обладать энергией активации, которую организм должен предоставить прежде, чем эти реакции начнут спонтанно протекать, снабжая при этом, в свою очередь, организм энергией, необходимой для его функционирования. И кажется, что все описанное в предыдущей главе к живой ткани никоим образом относиться не может.

Я описал два способа, которыми реагенты могут получить энергию активации, — с помощью тепла и с помощью света, но в живом организме явно не используется ни то ни другое. Температура живой ткани практически никогда не поднимается выше 37 °С, чего явно недостаточно для запуска реакций, сходных с горением. То же самое со световым излучением — живая ткань в принципе может быть источником света (примером тому служат светлячки), но это никогда не бывает излучение с высоким содержанием энергии, достаточным для активации химических процессов. Так как же решают живые организмы задачу предоставления энергии активации?

Может быть, перед нами наконец-то пример неподчинения живой материи законам термодинамики? Может быть, вот он наконец-то, тот четкий критерий, что позволит нам провести границу между живой и неживой материей?

Перед тем как перейти к непосредственному ответу на вопрос, давайте посмотрим, существуют ли в мире неживой природы явления, в которых спонтанная реакция запускается без поступления энергии активации, необходимой в большинстве случаев. Ведь если они существуют, то и в живой ткани вполне может происходить нечто подобное.

Первый значительный пример такого рода был обнаружен в связи с производством серной кислоты.

Серная кислота, как и ряд других сильнодействующих кислот, была открыта в Средние века, став одним из очень важных, хотя и недооцененных, продуктов алхимических опытов. Алхимики слишком концентрировались на поиске рецептов производства золота и слишком мало внимания обращали на действительно важные результаты своих исследований.

Серная кислота действует во много раз сильнее, чем самая сильнодействующая кислота из известных древним (уксусная кислота виноградного происхождения). Она вступает в ряд химических реакций, которые более слабые кислоты или не могут повторить вообще, или повторяют гораздо медленнее. Таким образом, сильнодействующие кислоты в целом и серная кислота в частности явили собой очень действенный химический инструмент, как для исследовательского, так и для промышленного применения. Даже сегодня серная кислота является самым используемым в химической промышленности веществом, если, конечно, не считать повсеместно присутствующих воздуха и воды, да еще, быть может, соли. Ежегодно изготавливается около пятнадцати миллионов тонн серной кислоты, и иногда даже считается, что масштаб индустриализации страны можно определить по количеству потребляемой ею серной кислоты.

Понятно, что важное значение приобрела разработка технологий дешевого и массового производства серной кислоты. На заре современности ее производство было сложным и дорогим процессом с ограниченным объемом.

Причиной тому были не трудности с добычей исходного сырья. Им служит сера (S) — вещество известное еще в древности, широко распространенное и веками добываемое в достаточном количестве и сравнительно легко, например, в Сицилии.

Сера хорошо горит, вступая в соединение с кислородом и образовывая при этом удушливый газ, сернистый ангидрид (SO₂). Именно этот газ и дает знаменитый «запах серы», а не сама сера, которая запаха как раз не имеет.

Сернистый ангидрид растворим в воде, соединяясь затем с молекулой воды в «сернистую кислоту» — H₂SO₃.

Действие сернистой кислоты имеет лишь умеренную силу, и к тому же она не очень стабильна. Это не то же самое, что необходимая нам серная кислота, имеющая в своем составе на один атом кислорода больше — H₂SO₄.

И вот самое сложное — это именно добиться присоединения этого самого последнего атома. Точнее, сернистый ангидрит может и дальше соединяться с кислородом, образовывая при этом серный ангидрид (SO₃), а он уже при растворении в воде и даст вожделенную серную кислоту:

На бумаге все выглядит гладко, но проблема состоит в том, что реакция соединения сернистого ангидрида с кислородом, хоть и приводит к снижению уровня свободной энергии, а значит — является спонтанной, вместе с тем требует столь высокой энергии активации, что путем прямого соединения сернистого ангидрида с кислородом удается получить очень мало серного ангидрида. Поэтому на протяжении всего XVII и начала XVIII века серную кислоту производили лишь по чуть-чуть и использовали крайне редко. На получение двух фунтов серной кислоты уходила неделя тяжкого труда.

Затем, в 40-х годах XVIII века, один из производителей серной кислоты, Джошуа Уорд, вдруг обнаружил, что при сжигании стандартной упаковки серы удается произвести гораздо больше серной кислоты, если примешать к ней селитру (азотнокислый натрий). Выяснилось ли это случайно, или изначально планировалось подмешать в серу селитры, чтобы она быстрее сгорала, на манер пороха (который состоит, как известно, из серы, селитры и порошкового угля), я не знаю. Так или иначе, Уорд запатентовал свою технологию, и стоимость производства серной кислоты резко упала.

Масштабы производства этого химиката соответственно возросли, и сам технологический процесс стали осуществлять уже не в хрупких стеклянных колбах, а в больших свинцовых камерах.

На протяжении полувека производители продолжали подмешивать селитру в серу, так и не понимая, зачем именно они это делают. Никаких азотсодержащих веществ в результате реакции никогда не образовывалось. По окончании процесса селитра так и оставалась в камере нетронутой, так что ее можно было использовать снова и снова. В ходе реакции она ничего не отдавала (по крайней мере, этого не обнаруживалось) и не расходовалась. Так в чем же заключалась ее роль?

В 1806 году два французских химика, Шарль Бернар Дезорм и Николя Клеман, выдвинули предположительное объяснение, принцип которого принят и по сей день. При сгорании серы и селитры образуются два газа, сернистый ангидрид (SO₂) и перекись азота (NO₂). По предположению ученых, перекись азота отдает затем один из своих атомов кислорода на образование серного ангидрида, а сама превращается в простой оксид азота (NO):

Сам оксид азота после этого забирает один атом из атмосферного кислорода и снова становится перекисью азота:

Таким образом, перекись азота выполняет роль посредника, отдавая атом кислорода сернистому ангидриду, забирая на его место другой из воздуха и снова передавая его другой молекуле сернистого ангидрида, и так далее. На всем протяжении этой активной работы перекись азота остается сама собой, превращаясь в конце реакции обратно в селитру, как будто ничего с ней и не происходило.

Со времен Дезорма и Клемана эта картина уточнялась и усложнялась. Сейчас уже известно, что перекись азота и сернистый ангидрид соединяются вместе с водой и кислородом в единый сложный «продукт присоединения», который в итоге распадается, в частности, на серную кислоту и селитру. Однако принцип происходящего остается неизменным — сначала селитра участвует в реакции, а затем восстанавливается в прежнем виде.

С точки зрения энергии при такой схеме удается избежать момента приложения мощной энергии активации, необходимой для непосредственного соединения сернистого ангидрида и кислорода (рис. 20). Да и самого непосредственного соединения при такой схеме тоже не происходит. Вместо этого сернистый ангидрид соединяется с перекисью азота, образовывая с ним «продукт присоединения», в ходе реакции, требующей значительно более низкой энергии активации, а образование серной кислоты и восстановление перекиси азота происходит в ходе другой реакции, тоже требующей невысокой энергии активации.

Здесь нет получения чего-либо «ниоткуда». Законы термодинамики не нарушаются. Свободная энергия имеющегося на входе сернистого ангидрида и получаемого на выходе серного ангидрида (или серной кислоты) остается прежней. Общее направление движения реакции на обоих этапах — «вниз», от высокого уровня энергии к низкому. Однако вместо перехода от сернистого ангидрида непосредственно к серному через высокий порог благодаря добавлению селитры путь прокладывается иным образом — через два последовательных низких порога. В терминах энергии активации эта интерпретация впервые прозвучала в отношении всех явлений подобного рода в 1894 году из уст немецкого физика Вильгельма Оствальда.

Если рассматривать реакцию сернистого ангидрида с кислородом для образования серного ангидрида как путь по железной дороге из одной долины в другую, ниже расположенную, через перевал, то добавление селитры равносильно открытию нового пути, через более низкие перевалы. Если поездам хронически не хватает топлива, то через высокий перевал переберутся лишь немногие, и успешное завершение переезда из одной долины в другую станет делом редким и удивительным. Но открытие нового пути позволит облегчить и сделать более массовым движение между долинами даже без поставок дополнительного топлива.

В течение XIX века обнаруживались все новые и новые примеры того, что примешивание определенных веществ в небольших количествах помогало ускорять реакции больших объемов реагентов, при том что сами вещества в процессе реакции не расходуются. В 1812 году русский химик Готлиб Сигизмунд Кирхгоф обнаружил, что если при варке крахмала в воде добавить чуть-чуть разведенной серной кислоты, то крахмал распадается с образованием сахара, полностью идентичного тому, что содержится в винограде (позже его назовут глюкозой).

Если же кислоты не добавлять, а просто варить крахмал в воде — этого не происходит. Более того, при распаде крахмала с помощью кислоты сама кислота не расходуется — окончательный раствор сахара содержит не меньше кислоты, чем исходный раствор крахмала.

А английский химик Гемфри Дэви в 1816 году обнаружил, что наличие проволоки из некоторых металлов стимулирует соединение различных паров, например спиртового, с кислородом. Это оказалось особенно справедливым в отношении редких и инертных металлов, платины и палладия.

Исследования в этом направлении привели к тому, что немецкий химик Иоганн Вольфганг Дёберейнер установил, что участие порошка платины приводит к соединению водорода с кислородом при комнатной температуре. Он изобрел даже автоматическую зажигалку (известную как «лампа Дёберейнера») за много лет до того, как были придуманы спички для практического использования. Основу его «лампы» составляла емкость с кислотой, сконструированная таким образом, чтобы кислоту можно было подавать во внутреннюю камеру, в которой содержалась цинковая полоска. В ходе реакции между цинком и кислотой высвобождался водород и выходил в отверстие в верхней части емкости. Там поток водорода попадал в камеру с платиновым порошком и мгновенно загорался.

Разумеется, платиновый порошок, во-первых, дорог, а во-вторых, быстро теряет свои свойства при подобном использовании из-за наличия посторонних примесей в поступающем водороде. Так что «лампе Дёберейнера» была уготована судьба всего лишь химической игрушки. Однако сам факт ее работы очень наглядно продемонстрировал уникальные свойства платины. Кроме того, стало ясно, что реакции, происходящие при горении (и, возможно, в человеческом организме), можно заставить происходить и при комнатной температуре без обязательного внесения энергии активации (что мы и собирались выяснить в начале главы).

В 1836 году этот факт, а с ним — и ряд других привлекли внимание шведского химика по имени Йене Якоб Берцелиус. В свое время этот человек железной рукой правил миром химии, проявляя интерес (причем с весьма плодотворными результатами!) ко всем разделам этой стремительно развивавшейся науки.

Берцелиус свел воедино все разрозненные факты, которые были ему известны, указал на их значение и предложил дать описываемому явлению название «катализ», от греческого слова, означающего «распад», — в честь первого факта распада крахмала на сахар в присутствии кислоты. Термин был принят и используется до сих пор.

Любое вещество, обладающее свойством, присутствуя в небольших количествах (иногда — в совсем малых), ускорять реакцию между большими количествами других веществ, не расходуясь при этом в ходе реакции, называется катализатор. Кислота — это катализатор реакции распада крахмала на сахар. Платина — это катализатор реакции соединения водорода с кислородом при комнатной температуре. Перекись азота — это катализатор создания серной кислоты.

Кстати, сам процесс производства серной кислоты в свинцовой камере сошел на нет благодаря тем же новым открытиям, благодаря которым и появился. В 1831 году английский химик Перегрин Филлипс обнаружил, что платина является более продуктивным катализатором превращения сернистого ангидрида в серный, чем селитра, и запатентовал свое открытие. К середине XIX века, когда были разработаны методы продления активной жизни дорогого платинового катализатора, новый «контактный процесс», где для соединения с кислородом сернистый ангидрид должен вступить в контакт с платиной, повсеместно вытеснил старую технологию производства кислоты в свинцовой камере.

Сразу хочется назвать свет и тепло также катализаторами, поскольку добавление небольшого количества тепла ускоряет любую реакцию, а добавление небольшого количества света приводит к взрывообразной реакции до того инертной смеси водорода с хлором. На самом деле реакции по типу последней часто так и называют — катализируемыми светом.

Однако термин «катализатор» используют, как правило, только по отношению к веществам.

Понятно, что на самом деле такие катализаторы, как перекись азота или кислота, все же участвуют в реакции, восстанавливаясь впоследствии. Это активные вещества, принимающие полноценное участие в химических реакциях, когда им создают соответствующие условия.

Вот платина — другое дело. Это самый замечательный катализатор из всех открытых в начале XIX века, инертный металл, крайне тяжело вступающий в реакцию с другими веществами лишь под воздействием совсем уж непреодолимых обстоятельств. В чем же тогда заключается его участие во множестве реакций, в результате которых получаются катализированные соединения? Ведь немыслимо же, чтобы платина просто оказывала на молекулы реагирующих веществ какое-то мистическое воздействие.

В 1833 году английский ученый Майкл Фарадей выдвинул на эту тему следующее предположение. Он обнаружил, что кусок чистой платиновой фольги катализирует реакцию соединения водорода с кислородом, но при добавлении к смеси небольшого количества угарного газа (СО) действие катализатора прекращается. Угарный газ как бы «отравляет» платину. (Тут можно увидеть интересную аналогию: стоит подмешать немного угарного газа к нашему собственному запасу кислорода — и он с таким же успехом отравит и нас.)

Фарадей предположил, что кислород с водородом образовывают пленку на поверхности платины. В этой пленке оба вещества гораздо плотнее примыкают друг к другу, чем в исходной смеси газов. В общем, можно сказать, что эффект катализатора в данном случае сходен с эффектом нагнетания давления, ведь известно, что повышение давления в смеси газов зачастую ускоряет их реакцию. Затем Фарадею осталось указать, что угарный газ, даже в малых количествах, тоже склонен образовывать пленку на платине, но поскольку он, в отличие от водорода и кислорода, никуда с нее не девается, то в итоге он полностью закрывает платину и от того и от другого, на чем катализ и заканчивается.

Представление о том, что в некоторых катализируемых реакциях ведущая роль принадлежит поверхности катализатора, до сих пор не опровергнуто, оно лишь периодически уточняется. Так, само по себе наличие газовой пленки на такой поверхности ничего не объясняет, поскольку уже после Фарадея выяснилось, что высокое давление, казалось бы равносильное по механизму действия катализатору, не приводит к столь же резкому ускорению реакции.

В 1916 году американский химик Ирвинг Ленгмюр видоизменил теорию Фарадея и внес в нее предположение о том, что молекулы газовой пленки удерживаются на поверхности настоящими химическими связями с атомами платины.

Крайние атомы платины, находящиеся на поверхности, не со всех сторон окружены другими атомами платины, так что их способность образовывать химические связи задействована не полностью. В сторону открытого пространства атомы платины (Pt) способны образовывать связи с чужими атомами. Соответственно тот факт, что платиновый порошок имеет гораздо более выраженные каталитические свойства, чем просто кусок платины, можно объяснить тем, что на единицу веса порошок имеет гораздо большую площадь поверхности и гораздо больше атомов могут вступать в реакцию с образованием химических связей.

Так что можно рассматривать платину как вещество, все-таки вступающее в полноценную реакцию с кислородом. Все атомы с поверхности платины, вцепляясь в атомы кислорода, образовывают некое подобие «продукта присоединения» — оксид платины. Энергия активации для образования этого оксида крайне мала, как и энергия активации следующей реакции — соединения водорода с кислородом из этого оксида (в отличие от соединения с кислородом из его двухатомных молекул, составляющих газ). Соединение происходит очень быстро, поскольку кинетической энергии молекул газа при комнатной температуре более чем достаточно для того, чтобы предоставить необходимую энергию активации.

После того как соединение произошло, атом платины оказывается соединенным с молекулой воды. Но связь между ним и молекулой достаточно слаба, и бомбардировка молекулами газа легко разрывает ее. Атом платины, таким образом, высвобождается для образования новой связи со следующим атомом кислорода.

«Отравление» поверхности платины угарным газом происходит по причине способности атома платины связываться как с молекулой кислорода, так и с молекулой угарного газа. Но угарный газ, в отличие от кислорода, присоединившись к платине, не вступает в реакцию с водородом (как и ни с чем другим, что бы ни присутствовало в системе) для образования слабо удерживаемой молекулы. Он крепко застревает на своем месте. Каждый атом платины, занятый молекулой угарного газа, так и остается занятым, и так происходит со всеми атомами поверхности, пока платина полностью не утратит свои каталитические свойства.

Даже поверхностный катализ не отменяет и не изменяет основных законов энергообмена в химических реакциях. Он может лишь перенаправить ход реакции таким образом, чтобы она проходила через промежуточные реакции с низким уровнем энергии активации, и ускорить тем самым ход реакции в целом, но катализ не влияет на общие изменения энергии в ходе реакции, и в принципе не может этого сделать.

В частности, это значит, что катализатор не может обратить спонтанную реакцию вспять. Если водород спонтанно соединяется с кислородом, образовывая при этом воду, то катализатор может ускорить этот процесс за счет снижения уровня энергии активации. Но никакой катализатор не может вызывать массовое разложение воды на водород и кислород при комнатной температуре без приложения дополнительной энергии.

Далее, в любой обратимой реакции положение точки равновесия (как вы помните — это точка, в которой уровень свободной энергии минимален) никак не смещается по причине присутствия катализатора. Катализатор может лишь ускорять реакцию в обоих направлениях и способствовать скорейшему достижению точки равновесия. Однако изменить значение самой точки равновесия катализатор не способен ни на йоту.

Теперь, разобравшись с катализаторами и обретя необходимый багаж базовых знаний, мы можем перейти наконец к живой материи. Во второй части книги я постараюсь показать, насколько принципы справедливые и незыблемые для неодушевленного мира применимы к процессам, происходящим в человеческом организме.