Скотт Бембенек - Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали

Другими словами, если вы хотите, чтобы тепловой двигатель выполнил некую работу, то природа все равно потребует компенсации за нее. Точно так же как и в случае с простыми механизмами типа наклонной плоскости (как мы узнали в части 1). Будь это наклонная плоскость или тепловой двигатель, природа ничего не дает бесплатно.

Представьте себе, что мы пришли к этому выводу, не учитывая особенности рабочего тела или определенной конструкции теплового двигателя (кроме того факта, что он обратим). Следовательно, в разговоре об обратимом тепловом двигателе не важны конкретные детали конструкции. Рабочим телом, механическими деталями или даже материалами, которые вы используете, чтобы построить ваш тепловой двигатель, — всем этим можно пренебречь; важно только, что он работает обратимо.

Теорема Карно рассказывает нам о реальных тепловых двигателях (подобных двигателю в вашей машине), которые не являются обратимыми. Как было упомянуто выше, никакой реальный тепловой двигатель никогда не будет более эффективным, чем обратимый аналог. Тем не менее мы все еще пытаемся сделать наши автомобили «более обратимыми». Это означает, что мы пробуем минимизировать источники механического трения между подвижными частями и избегать теплового трения, возникающего из-за больших разностей температур между подвижными частями и рабочим телом теплового двигателя.

На практике в эффективности реального теплового двигателя играют важную роль механическая конструкция, используемые материалы и рабочее тело. Для рабочего тела важным является такое физическое свойство, как время, которое требуется теплу, чтобы течь через рабочую жидкость (теплопроводность), температура плавления, температура кипения, поверхностное натяжение, давление пара — все это окажет влияние на эффективность работы реального теплового двигателя. Теорема Карно объясняет нам, что эффективности достигают за счет большей разности температур между горячими и холодными резервуарами. Так как температура холодильника — это температура окружающей среды, которой невозможно управлять (например, вы не можете управлять уличной температурой, при которой работает ваша машина) [50], этой разницы достигают, повышая температуру нагревателя. Модель теплового двигателя Карно объясняет инженерам конструкцию реального теплового двигателя.

В 1824 году, спустя год после смерти отца, Карно написал «Размышления о движущей силе огня…», где он в стиле своего отца подчеркнул, что его общая теория применима ко всем типам тепловых двигателей независимо от особенностей их конструкции. Ведущее научное издательство опубликовало работу, но она получила только один — хотя и восторженный — отзыв и десятилетие спустя была процитирована в другом известном журнале. Следующие двадцать лет книга провела во мраке безвестности [51].

В июне 1832 года Карно заболевает скарлатиной. Когда он на мгновение почувствовал себя лучше, то написал своему другу:

«Я был болен в течение долгого времени, и болезнь протекала тяжело. У меня было воспаление легких, сопровождаемое скарлатиной. (Возможно, ты знаешь, какая это ужасная болезнь.) Я должен был оставаться в постели двенадцать дней, без сна или еды, не имея возможности заняться хоть чем-то…»

Скарлатина в конечном счете распространилась на его мозг, после чего в августе он заразился холерой и умер через несколько часов. Ему было только тридцать шесть лет. Как это всегда было с жертвами холеры, его одежда, его личные вещи и почти все его бумаги были сожжены. Из уцелевших бумаг можно увидеть, что Карно начинал понимать ошибочность тепловой теории, поскольку осознал ее неотъемлемые вызовы в свете работ Румфорда (мы частично обсуждали их в части 1).

В 1834 году Эмиль Клапейрон (1799–1864), бывший одноклассник Карно, опубликовал его работу в «Журнале Политехнической школы» ( Journal de l’ É cole ). Публикация, в которой работу Карно изложили с четкими и понятными математическими формулами и рисунками обратимого теплового двигателя Карно (его модель все еще преподают сегодня в каждой хорошей школе на уроках химии), наконец впервые за 10 лет привлекла к работе Карно внимание инженеров, химиков и физиков. Версия Клапейрона была самой известной среди ученых того времени, включая Уильяма Томсона [52], недавнего выпускника Кембриджа, и молодого немецкого студента Университета Халле, Рудольфа Клаузиуса (1822–1888).

Карно учился в Политехнической школе, где был окружен известными физиками, химиками и математиками. Тем не менее он никогда не был выдающимся учеником, и его важную работу никто не отметил. Независимо от этого, вклад Карно в знание о термодинамике неоспорим и делает его одним из величайших исследователей в этой области.

Открытие первого начала около 1850 года дало ясное объяснение способности энергии переходить из одной формы в другую, не возникая из ниоткуда и не исчезая окончательно. Таким образом, энергия всегда сохраняется. Это утверждение было основано на вере в то, что природа старается объединить кажущиеся разными части одной сущности [53], и стало результатом грандиозных усилий множества ученых из разных стран. В процессе этих исследований было установлено еще несколько фактов.

Большинство ученых теперь считало тепло движением фундаментальных частиц, из которых состоит все вещество (позже мы их назовем атомами и молекулами). Это был грандиозный шаг вперед — к пониманию не только тепла, но и сущности вещества. Пытаясь разобраться с природой энергии и тепла, мы многое узнали о веществе. Эксперименты Джоуля доказали большинству людей, что определенное количество работы произведет соответствующее количество теплоты. Более того, Джоуль доказал, что то же самое количество теплоты произведет эквивалентное количество работы; тепло может быть использовано для производства работы. Близились к концу те дни, когда тепло считалось невесомой «текучей жидкостью», которая, согласно теплородной теории, всегда сохраняется.

Талант Уильяма Томсона проявился во многих сферах: в физике, инженерном деле, преподавании и даже в политике. У него был особый дар — находить правильные решения, особенно в математике. К моменту окончания своего обучения в Кембридже он уже опубликовал 12 работ по чистой и прикладной математике. В течение всей своей жизни он усердно трудился и издавал различные научные работы. В период с 1841 по 1908 год он ежегодно публиковал по крайней мере два труда, а иногда до двадцати пяти. В целом он написал 661 работу и получил патенты на 69 изобретений.

Всего в 16 лет Томсон прочитал «Аналитическую теорию тепла» Жозефа Фурье (1768–1830), опубликованную в 1822 году. Когда мы изучали тепловой двигатель Карно, мы говорили, что тепло переходит из нагревателя в холодильник. В теории Фурье тепло проходит через объект (постепенно) благодаря разнице (градиенту) температур в этом объекте; в каком-то смысле у объекта есть участки с нагревателем и холодильником.