Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Действительно, наша планета прежде всего не замкнутая, не теплоизолированная система. Она получает теплоту от Солнца. Более того, в недрах и на поверхности ее генерируется теплота за счет необратимых процессов: здесь и горение топлива, и механическое трение, и электрическое сопротивление, и все виды необратимого теплообмена. И тем не менее мы не совершим большой ошибки, сказав, что мир Земли — мир постоянной энтропии: практически всю теплоту, получаемую от Солнца и от земных источников энергии, наша планета излучает в космос.

Правда, в результате такого переизлучения остаются компенсации — остаточные изменения, которые возможны только благодаря существованию необратимых процессов. Связав компенсацию с необратимостью, Клаузиус, сам того не подозревая, связал с необратимостью эволюцию всей природы.

Все, что мы знаем о древних народах, все, что мы знаем о планете, на которой живем, все, что мы знаем о себе самих, — все это мы знаем только потому, что до нас дошли «остаточные изменения» — компенсации — прошлых эпох: скелеты ископаемых животных, скульптуры, развалины, манускрипты. Парадоксально, но факт: все это не могло бы возникнуть в обратимом мире — в блестящем, идеальном, совершенном, вечно коловращающемся хороводе, в котором невозможны никакое устойчивое изменение формы, никакое стабильное изменение положения в пространстве, никакая память, никакая жизнь. Ни одно из бессмертных изваяний и ни один глиняный черепок немыслим в обратимом мире, ибо один и тот же процесс — необратимое разрушение — порождает и черепки и прекрасные статуи. Ни один памятник величественной архитектуры не мог бы быть сооружен в обратимом мире, ибо чтобы избежать бесконечных колебаний идеально упругих балок на идеально упругих опорах, в строительном деле понадобилась бы такая точность, которая едва ли достигнута сегодня в самом точном приборостроении. Никакая письменность не была бы возможна, ибо в мире, лишенном вязкости и трения, чернила не ложились бы на бумагу, а превращались в вечно катающиеся по ней шарики.

Но кое-что из нашего мира могло бы существовать и действовать в обратимом мире. И самое главное из этого «кое-чего» — тепловые машины.

В иерархии машин, механизмов, моторов и передач, используемых в современной технике, тепловые двигатели занимают место исключительное. Действительно, львиная доля электроэнергии на земном шаре — 80–85 % — вырабатывается тепловыми электростанциями. Автомобили, самолеты, корабли, ракеты приводятся в движение тепловыми двигателями. Только они могут считаться истинными генераторами работы. Все другие двигатели — электромоторы, гидравлические и пневматические двигатели, механические передачи играют в нашей жизни хотя и важную, но подчиненную роль — роль передаточных механизмов, распределяющих и преобразующих энергию, добытую тепловыми двигателями, которые, таким образом, стоят первыми в цепочке машин, составляющих фундамент современной промышленности. Вот почему именно тепловым двигателям присвоен титул «первичных двигателей».

В чем же состоит фундаментальное отличие тепловых двигателей от всех прочих? В чем причина их, если так можно выразиться, «первичности», их способности быть, по сути дела, единственным источником механической работы?

Причина эта не составляла секрета еще для Сади Карно. «Природа, — писал он в своем трактате, — повсюду представляя горючий материал, дала нам возможность всегда и везде получать теплоту и сопровождающую ее движущую силу». Действительно, скудная на механическую или электрическую энергию, наша планета богата источниками тепловой энергии — здесь и солнечные лучи, и подземное тепло, и органическое топливо, и ядерное. И все эти источники существуют только благодаря тому, что, как мы уже говорили, существует необратимость. Но стоит наложить запрет на необратимые процессы — и ценность этих источников мгновенно аннулируется. Возникает обратимый мир, в котором количество теплового движения — энтропии — постоянно, и нет никакой возможности ни увеличить, ни уменьшить его.

Что произойдет в этот момент с тепловыми двигателями? Будут они продолжать работать или нет? И если будут, то сохранится ли их исключительное место в иерархии машин?

Прежде чем ответить на эти вопросы, необходимо детальнее обсудить разницу между нагреванием тела и подводом к нему теплоты. В привычном нам мире это в большинстве случаев одно и то же: если нужно повысить температуру, мы просто подводим к телу теплоту. Но в мире обратимом эти операции расщепляются. В нем не может быть теплообмена между горячим и холодным телом, ибо такой теплообмен существенно необратим. Но зато здесь можно смело пользоваться другим методом: адиабатически сжимать тело до тех пор, пока его температура не достигнет нужной величины. Да вот беда — нельзя нагреть тело, не повысив при этом его давления. Но, оказывается, есть возможность обойти эту трудность…

В обратимом мире запрет накладывается не на обмен теплотой как таковой, а на обмен теплотой между горячим и холодным телом. Но если температура источника и приемника тепла одна и та же, то теплообмен между ними в обратимом мире дозволен. Конечно, такой теплообмен — абстракция, но ведь и сам обратимый мир, и идеальные машины, и т. д. тоже абстракция. Однако они помогают нам понять суть явлений, показывают, что в том или ином процессе принципиально важно, а что нет.

Так вот, в обратимом мире, сочетая адиабатическое повышение температуры с теплообменом при постоянной температуре, можно нагревать тело, не повышая его давления. Предположим, вам нужно повысить температуру в комнате с 10 до 30 °C, причем в вашем распоряжении есть источник тепла с температурой 30°. Путем непосредственного контакта нагрев произвести нельзя. Но можно адиабатическим сжатием, потребляя электроэнергию из сети, довести температуру в комнате до 30°, после чего привести ее в контакт с источником, предоставив возможность воздуху в комнате расширяться при постоянной температуре, полностью отдавая назад в сеть совершаемую им полезную работу. Когда давление воздуха снизится до первоначального, процесс останавливается, ибо поставленная цель достигнута: температура воздуха повышена, а давление осталось первоначальным. Точно таким же образом можно и понизить температуру в комнате…

Совокупность всех устройств для осуществления этих операций, в сущности, и есть тепловая машина, которой, как мы только что убедились, отводится в обратимом мире роль охладителей и нагревателей. Выходит, в мире, где нет горения и трения, где нет непосредственного теплообмена между горячим и холодным телом, главное назначение тепловой машины — обратимо повышать и понижать температуру. В таком мире они из первых рядов энергетики перекочевывают в разряд обычных преобразователей, принципиально ничем не отличающихся от электромоторов, зубчатых передач, гидротурбин. И только необратимость, делающая тепловое движение легкодоступным и получающимся практически в любых количествах, поставила тепловую машину на исключительное место — место первичного двигателя. Но это место и этот титул не даются даром…