Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Но остановимся: возможные области применения приборов инфракрасного видения бесконечны, ибо бесконечно разнообразие процессов, происходящих в окружающем нас мире. А всякий реальный процесс в природе, всякое реальное движение обязательно сопровождаются более или менее заметными, более или менее явственными тепловыми эффектами. Не будет преувеличением сказать: тайна рождения многих наук заключается лишь в том, что их основоположники сумели очистить реальные процессы от шелухи «тепловых наслоений». Сделать это легче всего было, конечно, там, где такие «наслоения» были минимальны. Вот именно поэтому раньше всех других наук родилась астрономия…

«Астрономия первая показала нам, что существуют законы, — писал в начале нашего века знаменитый французский математик и механик Анри Пуанкаре. — Наученные этим опытом, мы лучше разглядели наш собственный мир, где под кажущимся беспорядком нашли ту же гармонию, с которой нас познакомило изучение неба. Наш земной шар тоже подчиняется законам, но они более сложны, находятся в кажущемся противоречии друг с другом, и глаз, не привыкший к иного рода зрелищам, видел бы в мире один лишь хаос и царство случая и каприза».

Какое зримое, какое явственное, какое коренное различие!

Идеальный, но бесконечно далекий от нас мир небесных тел, и реальный, бесконечно близкий, определяющий все наше существование мир родной планеты. С одной стороны — движение миров, предсказуемое на сотни лет вперед, с другой — погода, которую не всегда удается предсказать с уверенностью даже на несколько суток вперед.

Значит, движение атомов и молекул на Земле подчиняется иным законам, чем в космическом пространстве? Значит, физика явлений изменяется по мере их удаления от нас? И если нет (ибо предполагать такую возможность было бы возвратом к тому самомнению, от которого человечество было отучено Коперником и Дарвином), то в чем же различие между движением тел в космосе и на Земле?

Мы не ошибемся, сказав: все это различие имеет своей причиной один-единственный физический процесс — понимаемое в широком смысле слова трение. То есть трение, понимаемое как процесс непосредственного превращения различных форм движения в тепловое движение. В представлении большинства людей трение — это процесс выделения теплоты между двумя движущимися относительно Друг друга твердыми поверхностями. Но ведь теплота выделяется и тогда, когда вязкая жидкость движется в трубе или в канаве. И тогда, когда в самой вязкой жидкости возникают турбулентные вихри. Поэтому такие процессы тоже можно назвать трением. Трением можно назвать и выделение теплоты в проводнике, по которому течет электрический ток. Наконец (пока мы просим читателей поверить нам на слово), трением можно назвать даже такой процесс, как движение теплоты от нагретого к холодному концу теплопроводного стержня.

Накладываясь на идеальные процессы — абстракции, исследованием которых занимается классическая механика, классическая электродинамика, классическая термодинамика, — широко понимаемое трение резко изменяет картину идеального мира, такого, каким он должен был бы быть, если бы в нем выполнялись законы только этих наук.

Действительно, в полном соответствии с законом сохранения энергии все формы движения могут сколь угодно долго и без малейших потерь переходить одна в другую. В принципе, такие взаимопревращения, не затухая, могут продолжаться вечно, и в этом смысле все формы движения равноправны. Но если в цепь, состоящую из механических, электромагнитных, химических и других элементов, включить звено, в котором есть трение, электрическое сопротивление или теплопроводность, картина меняется. Каждое из таких звеньев оказывается своеобразной ловушкой, в которой различные формы движения превращаются в тепловое. А это превращение принципиально отличается от остальных тем, что оно никогда не может быть полностью обратимым. Вот почему включение подобного звена в цепь взаимопревращений приводит к тому, что движение в цепи затухает, и тем быстрее, чем больше трение.

В действительности идеальных элементов, в которых трение отсутствовало бы полностью, нет. Поэтому во всякой реальной цепи, в каждом элементе с той или иной интенсивностью выделяется теплота, и всякий процесс поэтому со временем затухает. Чтобы возобновить или поддержать его, бессмысленно подводить к цепи выделившуюся из нее теплоту. Для этого надо питать ее либо электрическим током, либо приводить в движение механическим двигателем. Таким образом, трение, генерирующее в цепи тепловое движение, делает процесс необратимым. Именно в этой необратимости лежит фундаментальное различие между воображаемым идеальным миром, в котором все процессы полностью обратимы и вечны, и реальным, в котором все процессы в большей или меньшей степени необратимы и потому рано или поздно затухают.

Не случайно немецкий физик Макс Планк — глубокий знаток термодинамики и создатель теории квантов — не уставал твердить: «В теоретической физике будущего самой важной классификацией будет подразделение физических процессов на обратимые и необратимые».

«Различие между обратимыми и необратимыми процессами гораздо глубже, чем, например, между электрическими и механическими процессами».

«Это различие с гораздо большим правом, чем какое бы то ни было другое, может служить основанием для классификации всех физических процессов, и играет в физическом мировоззрении будущего главную и незаменимую роль».

Чтобы убедиться в правоте выдающегося термодинамика, попробуем представить себе, как выглядел бы окружающий нас привычный мир, если бы удалось устранить из него трение и сделать его полностью обратимым. Такой мир едва ли покажется вам проще, чем тот, в котором мы живем…

Если наблюдение движения звезд и планет в космосе породило представление об обратимом мире, как о мире стройных закономерных движений, то полеты в космосе показали, что мир этот отнюдь не проще, а, может быть, даже и сложнее нашего, земного. То, что на Земле не порождает никаких затруднений, порой превращается в настоящую проблему в космосе.

Замедлить движение автомобиля нетрудно — достаточно лишь нажать на тормоз, и кинетическая энергия движения автомобиля интенсивно превращается в теплоту. В результате тормозные колодки нагреваются, а скорость автомобиля уменьшается. Достаточно заглушить двигатели самолета, и скорость аппарата сразу же снижается из-за превращения его кинетической энергии в теплоту вследствие сопротивления воздуха.