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

Во вступлении к работе Томсон делит энергию на два вида, один из которых он называет «статическим», а другой — «динамическим». Согласно Томсону, статическая энергия лучше подходит для произведения работы, в то время как динамическая энергия подходит для этого хуже, что, впрочем, не мешает производить работу и с ее помощью.

Можно произвести работу благодаря океану, например, катаясь на доске для серфинга.

Другой пример — энергия, заключенная в молекулах, из которых состоит воздух. Существует множество других подобных видов энергии, но случайное движение молекул веществ исключает возможность использовать эту энергию для произведения работы.

Только лишь добавление энергии в форме работы не сможет повернуть вспять необратимые процессы; в этом случае они действительно необратимы.

Другими словами, объекты скорее будут охлаждаться, чем нагреваться. Тепло будет покидать вашу чашку кофе, растворяясь в окружающей среде. Обратные процессы не являются естественными (тепло не будет переходить из окружающей среды в ваш кофе, тем самым нагревая его).

Вспомните объяснение из части 1, что физические свойства системы описывают ее уникальные особенности.

В 1851 году Томсон, скорее всего, знал о подобных свойствах тепла. Он сосредоточился на исследовании процесса проводимости, что послужило основой для работы, описывающей рассеивающуюся природу тепла (1852 год).

Клаузиус утверждал, что любой процесс в двигателе Карно будет взаимозаменяемым, как только мы сделаем его «обратимым». Например, процесс, при котором тепло поступает из горячего резервуара в холодный (предпочтительное направление), можно заменить процессом преобразования тепла в работу (неблагоприятное направление), как только двигатель начинает превращать работу в тепло (предпочтительное направление). Может казаться странным, но Клаузиус пытался установить общую связь между «предпочтительным» и «неблагоприятным» течениями процессов. Это позволило ему вывести математическую теорию и даже обосновать, что у этих двух как будто бы разных процессов общее физическое происхождение.

Теперь мы понимаем, что механический (рабочий) эквивалент тепла — это количество тепла, которое получается при выполнении данного объема работы. Действительно, это легко вычислить, просто используя уравнение преобразования объема работы в соответствующее количество тепла. По Клаузиусу, значение эквивалентности для количества работы, которую некто получает из определенного количества тепла, можно представить как «тепловой эквивалент работы».

Не забывайте, что тепловой двигатель Карно — математическая модель, и что под «пробегом» я подразумеваю только лишь расчеты.

Установление физической величины, связанной с состоянием (или функции состояния), как имеющей результирующее изменение, равное нулю, за полный «проход» по циклу, является превосходным примером использования математики для ясного определения важных физических величин.

Некоторые другие функции состояния — плотность, давление и температура.

В самом деле, было бы странно, если бы мы могли заполнять стакан наполовину, только наливая в него одинаковое количество воды, но не имея возможности вылить лишнюю. Тем не менее не все функции системы — функции состояния, что означает, что они действительно зависят от способа, которым система достигает своего состояния.

Уильям Томсон (позже лорд Кельвин) ввел абсолютную температурную шкалу, где добавляется 273,15 к значению температуры в градусах Цельсия. В этой шкале ноль определяется как абсолютно самая низкая достижимая температура.

Это важно, поэтому я надеюсь, что вы читаете эту сноску. Вы получите положительное значение, если будете рассматривать поглощенное окружающей средой тепло (как из горячего резервуара или источника) как отрицательную величину и тепло, которое выделяется, как положительную. В научной литературе по этому поводу нет никаких договоренностей. На самом деле сам Клаузиус менял свой подход к рассмотрению этой проблемы: представил тот, что я использую, в 1854 году и применял его, чтобы написать свое знаменитое неравенство Клаузиуса в 1862 году, только чтобы переключиться на противоположный подход в трудах 1865 года — по крайней мере, он отметил это переключение в более поздних мемуарах.

Кроме того, будет действительно холодно. Температура — мера средней проводимости кинетической энергии, которой обладает единственная молекула в данной системе. Первое начало говорит нам, что сумма энергии во Вселенной постоянна, и поэтому если я распределю эту сумму по всем атомам и молекулам во Вселенной (по моей системе в этом случае), у отдельного атома или молекулы не будет большого количества кинетической энергии, так как существует великое множество атомов и молекул, которые составляют нашу Вселенную, так что среднее число будет довольно низким (почти нулем), как и температура.

В 1860-е годы наука о молекулах только зарождалась, и Клаузиус не хотел показаться спекулянтом и подвергнуть опасности свою теорию энтропии. Таким образом, Клаузиус оставил этот подход и отказался от молекулярной интерпретации энтропии.

На самом деле мы понимаем работы Клазиуса благодаря объяснениям таких ученых, как Джеймс Клерк Максвелл и другие.

Клаузиус был непоследователен в убеждениях относительно поглощаемого (из горячего резервуара) и испускаемого (из холодного резервуара) тепла в процессе. В 1854 году Клаузиус считал поглощенное тепло отрицательным и излучаемое — положительным, но в 1865 году, создавая второе начало, изменил свою точку зрения на обратную. Эта путаница сегодня все еще встречается в учебниках и в заметках, посвященных энтропии. Так что вам нужно четко представлять авторские убеждения.

В целом свободная энергия — удобный способ описать энтропию Вселенной в терминах энтропии и внутренней энергии (кинетической и потенциальной) системы. Точная форма свободной энергии будет меняться в зависимости от того, какие макроскопические величины мы считаем постоянными, например температуру или давление.

Герон Александрийский (ок. 10–70 н. э.) утверждал, что сжимаемость воздуха — следствие того, что он состоит из крошечных частиц.

Полезные модели правильно описывают известную экспериментальную информацию и в качестве бонуса позволяют прогнозировать те или иные физические процессы; они обладают описательными и предсказательными качествами.