Итак, энтропия — мера хаотичности, беспорядка. А наиболее хаотичной формой существования вещества яв­ляется газ. Поэтому если химическая реакция протекает с увеличением числа молей газов в системе, то эн­тропия системы возрастает, и наобо­рот. Например, энтропия сильно уве­личивается в реакции СаСО₃=СаО+СО₂ и уменьшается в реакции 2Н₂+О₂=2Н₂О.

Энтропия — царица хаоса.

Критерий самопроизвольности про­цесса устанавливается вторым за­коном термодинамики. Он имеет несколько формулировок, равнознач­ность которых не всегда очевидна на первый взгляд. Интересна история от­крытия этого закона.

В 1824 г. французский физик Нико­ла Леонар Сади Карно (1796—1832) в своей единственной опубликованной работе «Размышления о движущей си­ле огня и о машинах, способных раз­вивать эту силу» описал идеальную тепловую машину, позволяющую по­лучать максимальную работу за счёт использования теплоты. Он сделал важный вывод: для получения работы недостаточно иметь только источник теплоты (нагреватель), но необходим ещё и её приёмник. Карно утверждал, что тепловые машины совершают ра­боту не за счёт расхода теплорода, а за счёт его перехода от горячего тела к холодному, подобно тому как падение воды с высоты приводит в движение турбину (о теплороде рассказано в статье «Тепло химических реакций»). Коэффициент же полезного дейст­вия тепловой машины зависит ис­ключительно от разности температур нагревателя и теплоприёмника.

Для описания степени беспорядка используется особая термодинамиче­ская функция, называемая энтро­пией и обозначаемая буквой S. Это понятие (от греч. «эн» — «в», «внутрь» и «тропе» — «поворот», «превраще­ние») ввёл немецкий физик Рудольф Клаузиус в 18б5 г. «Слово „энтро­пия", — писал он, — я намеренно по­добрал ближе к слову „энергия", так как обе соответствующие этим выра­жениям величины настолько близки по своему смыслу, что они, по моему мнению, требуют однородного обо­значения».

Почему же природа ведёт себя та­ким образом, что необратимость всех процессов связана именно с рассея­нием энергии?

Чтобы ответить на этот вопрос, не­обходимо переместиться в мир атомов и молекул. Даже в состоянии термо­динамического равновесия части­цы ни на мгновение не прекра­щают своего беспорядочного движения.  Их скорости  и положения в пространстве по­стоянно меняются. Другими словами, одному макроско­пическому состоянию соот­ветствует великое множество микроскопических состоя­ний — различных вариантов положений всех частиц в про­странстве и их скоростей. Число микросостояний назы­вается термодинамической ве­роятностью W и характеризует неупорядоченность, хаотичность системы.

Молекулярную природу энтро­пии раскрыл австрийский физик Людвиг Больцман (1844—1906). Связь энтропии с молекулярным хаосом он описал формулой S=klnW, где k — постоянная величина, называемая константой Больцмана, которая свя­зана с газовой постоянной соотноше­нием k=R/N_A (N_A — постоянная Аво­гадро) и равна 1,38•10^-23 Дж/К

Марселен Бертло и датский химик Ханс Петер Юрген Юлиус Томсен (1826—1909) предположили, что самопроизвольно могут протекать только экзотермические (сопровож­дающиеся выделением теплоты) реак­ции. Действительно, как показывает опыт, такие реакции обычно идут самопроизвольно. Однако критерий Бертло—Томсена оказался неверным, поскольку впоследствии стали из­вестны и самопроизвольные эндотер­мические (протекающие с поглоще­нием теплоты) реакции, которые чаще всего идут при высоких темпе­ратурах. Таким образом, в природе существует некий общий закон, опре­деляющий направление самопроиз­вольных процессов.

В чём же его суть?

Едва ли найдётся другая научная тео­рия, столь простая по своим основ­ным идеям и столь универсальная по охвату разнообразных природных явлений и процессов, как термодина­мика. Она объясняет плавление льда, кипение воды, образование мыль­ных пузырей, переход металлов в сверхпроводящее состояние, прин­цип работы тепловых двигателей и гальванических элементов. Её законы

имеют отношение к возникновению жизни на Земле и эволюции звёзд. Альберт Эйнштейн считал термоди­намику единственной общей физиче­ской теорией и полагал, что в рамках основных постулатов она никогда не будет опровергнута.

Термодинамика изучает процессы взаимного превращения разных ви­дов энергии, и прежде всего тепловые явления. Именно при изучении теплообмена было впервые обнаружено такое фундаментальное свойство природных процессов, как необрати­мость: самопроизвольно они проте­кают только в одном направлении.

Первый закон термодинамики со­блюдается для любых систем, в том числе и живых организмов.

Протекание жизненных процес­сов требует затрат энергии. Единст­венным источником энергии для жи­вого организма служит пища. Хорошо знакомая всем калорийность пище­вых продуктов — не что иное, как теплота их сгорания, которую можно измерить в калориметрической бом­бе (см. дополнительный очерк «Как измеряют теплоту»).

 

Герман Иванович Гесс.

Количество теплоты измеряют по её переносу от одного тела к другому. По­вышение температуры тела определя­ется его теплоёмкостью: С = Q/DT, где С — теплоёмкость, Q — количество те­плоты, полученной телом, DT — изме­нение его температуры. Соответст­венно, зная теплоёмкость и изменение температуры, можно рассчитать коли­чество теплоты: Q = CDT.

Тепловые эффекты химических реакций измеряют с помощью специаль­ных приборов — калориметров. Этот термин предложили в 1780 г. француз­ские учёные Антуан Лоран Лавуазье и Пьер Симон Лаплас. Основополож­ником калориметрии считается анг­лийский химик Джозеф Блэк, извест­ный своими работами о природе теплоты.

Простейший калориметр — тепло­изолированный сосуд с водой, снаб­жённый мешалкой и особо точным термометром. Контейнер, в котором протекает исследуемый процесс (например, химическая реакция), помеша­ют в калориметр и регистрируют изме­нение температуры воды. Зная тепло­ёмкость калориметра, рассчитывают количество выделившейся теплоты.