Antonio Rojo - Физике становится тепло. Лорд Кельвин. Классическая термодинамика

Первая из этих двух пропозиций — не что иное, как первое начало термодинамики, закон сохранения энергии: при любом, полном или частичном, преобразовании тепла в работу или наоборот сумма обеих величин остается постоянной. Однако Томсон не первым сформулировал этот закон. В том или ином виде его провозглашали многие исследователи, и никто не сомневался в его справедливости. Возможно, имеет смысл выделить двоих. Во-первых, это Джоуль, доказавший этот закон своими экспериментальными исследованиями. Во-вторых, это немецкий врач и физик Герман фон Гельмгольц (1821-1894), в 1847 году опубликовавший работу «О сохранении силы», в которой он на самом деле изучал сохранение энергии. (Понятия силы и энергии в то время четко не разделялись.)

Когда ты сталкиваешься с трудностью, ты стоишь на пороге открытия.

Уильям Томсон

Отправной точкой для фон Гельмгольца было отрицание возможности вечного движения, и он выдвинул гипотезу о том, что сумма всех энергий Вселенной (которую он считал конечной) постоянна. Более того, когда какая-то часть одного из видов энергии исчезает, это происходит потому, что она трансформируется в другой тип энергии в равнозначном количестве.

Фон Гельмгольц уже давно оставил теорию теплорода и не рассматривал теорию Карно. В своих работах он применял правила сохранения энергии не только для термодинамики, но и для механики, электростатики и магнетизма.

Вторую пропозицию Клаузиус, первенство которого в ее установлении Томсон полностью признал, доказал на основе следующей аксиомы: «Невозможно, чтобы машина, которая работала бы сама, без помощи какого-либо внешнего средства, переносила тепло от одного тела к другому при более высокой температуре». Томсон, в свою очередь, провозгласил аксиому в измененном виде: «Невозможно посредством какого-либо неодушевленного материального средства получить механический эффект из какой-либо порции материи, охлаждая ее ниже температуры самого холодного из окружающих объектов».

Некоторые авторы указывают на то, что эта последняя пропозиция является вторым началом термодинамики, но относительно этого существуют разногласия. На современном языке формулировка этого начала звучит следующим образом: изменение энтропии термически изолированной системы, которая переходит из одного состояния в другое, всегда больше или равно нулю. Когда процесс, которому следует система, обратим, ее энтропия не меняется; когда он необратим, энтропия растет. В физике обратимым называется процесс (идеальный), в котором система эволюционирует от одного равновесного с окружением состояния (теплового, механического и химического) в другое, проходя через бесконечную последовательность промежуточных равновесных состояний.

Термин «энтропия» был введен Клаузиусом в 1865 году. С его помощью ученый обозначил величину, использованную в предыдущих работах и соответствующую отношению между теплом, входящим в тепловую машину (или выходящим из нее), и абсолютной температурой, при которой происходит поглощение или выброс тепла. Ранкии в 1850 году и Томсон в 1852 году использовали понятия, очень похожие на энтропию Клаузиуса. Энтропия позволяет определить количество тепла (энергии), которое не может быть использовано для производства работы, и ее постоянный рост в необратимых процессах. Следовательно, это другой способ увидеть рассеяние полезной энергии, свойственной этому типу процессов.

В контексте теории Карно мы могли бы провозгласить второе начало термодинамики следующим образом: тепловая машина, которая работает при необратимых процессах, то есть машина Карно, имеет максимальную производительность. И так, можем ли мы приписать самому Карно открытие этого начала? Безусловно, нет. Карно был инженером, рассматривавшим исключительно тепловые машины. Он работал в ошибочном контексте теории теплорода и учел невозможность вечного движения только в качестве отправной точки своей теории. К окончательной формулировке начала привел теоретический вклад Ранкина, Клаузиуса и Томсона. Приписывать кому-то из них открытие начала было бы смело, если не ошибочно, хотя многие считают, что Клаузиус, изобретатель ключевого названия, заслуживает этого больше всего.

В своей работе о новой динамической теории тепла Томсон вернулся к парадоксу, провозглашенному в докладе о принципе Карно. Сегодня ответ на вопрос, который тогда встал перед ученым, почти очевиден: тепло, переданное от теплого тела к холодному через твердую среду, оказывается «безвозвратно потерянным для человека и, следовательно, «бесполезным», хотя и не уничтоженным». Позже Томсон прояснил это утверждение: потерянное тепло распределяется по объему твердого посредника, и получить от него какую-либо дополнительную работу невозможно. Это разъяснение вылилось в другую примечательную статью — «Об универсальной тенденции природы к рассеянию механической энергии»,- опубликованную в 1852 году. В этой работе Томсон установил понятия «статической» и «динамической» энергии, или, как их называют сегодня, потенциальной и кинетической в соответствии с терминами, введенными Ранкином и позже — самим Томсоном.

В своей статье ученый рассуждал об обратимости и необратимости природных процессов. Томсон говорил, что все естественные процессы необратимы, и это предполагает следующее:

«Земля в течение конечного периода времени в прошлом должна была быть и в течение конечного времени в будущем должна будет стать неприспособленной для жизни человека в том виде, в каком она предстает сегодня, если только не окажутся осуществленными или на грани осуществления операции, невозможные в рамках законов, которым подчиняются операции, о которых сегодня известно, что они работают в материальном мире».

«Тепловая смерть» Земли, о которой объявил Томсон и о которой также говорили фон Гельмгольц и Клаузиус, должна быть конечным состоянием Вселенной, рассматриваемой как единое целое. В более точной (и современной) формулировке мы сказали бы, что энтропия Вселенной, рассматриваемой как единое целое, растет, и в своем конечном состоянии Вселенная будет иметь максимальную энтропию и равномерную температуру.

Несмотря на то что знание все еще было несовершенным, нет сомнений в том, что работы Ранкина, Клаузиуса, Джоуля, фон Гельмгольца и Томсона способствовали тому, чтобы развеять ореол загадочности, который до этого витал над процессами, затрагивающими тепло. Способность Томсона к синтезу лаконичных понятий из разрозненных фрагментов знания позволила добиться того, чтобы новая дисциплина, термодинамика (термин, введенный самим Томсоном), начала свой путь как часть физики. «За исследования по электричеству, движущей силе тепла и другим темам» Королевское общество наградило ученого в 1856 году Королевской медалью.