Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Нетрудно изменить траекторию самолета, накренить его, компенсировать перемещение пассажиров в салоне с помощью рулей и элеронов. В космосе все это гораздо сложнее. Каждое перемещение космонавта вызывает противоположное ему перемещение всего корабля. Космонавт и его корабль как бы непрерывно «танцуют», то приближаясь, то удаляясь от их общего центра тяжести. Если мы хотим избежать этого, если мы хотим изменить ориентацию корабля в пространстве, каждое движение мы должны компенсировать струями газов, выбрасывая их в направлениях, строго противоположных перемещениям космонавтов. Эти порции газов, не тормозясь, уносятся в космическое пространство, и могут рассматриваться как своеобразный отпечаток всех совершенных космическим кораблем маневров.

В земных условиях этого не происходит, энергетический отпечаток полета не сохраняется, и даже теоретически невозможно установить, какие маневры совершал самолет. Почему? Да потому, что здесь действует могучий механизм необратимости. Струи отклоняемого рулями и элеронами воздуха, необходимые для изменения направления полета или ориентации аппарата в пространстве, быстро тормозятся в атмосфере. Из-за трения их кинетическая энергия переходит в тепловую, которая затем за счет теплообмена распространяется на всю атллосферу. В результате единственным следствием всех маневров самолета и вообще всего его полета оказывается ничтожное повышение температурь: всей земной атмосферы.

Избалованные этим драгоценным свойством нашей атмосферы, мы далеко не всегда представляем себе, от каких катастрофических последствий спасает нас необратимость происходящих на Земле процессов. Чтобы получить об этом хотя бы отдаленное представление, попробуем пофантазировать — что произойдет, если наложить запрет на все разновидности трения, если сделать невозможным прямой переход различных форм движения в тепловую и если предотвратить непосредственный теплообмен между горячими и холодными телами?

Прежде всего, окружающий нас мир станет, если так можно выразиться, «импульсным». Сейчас нам кажется естественным, что для движения автомобилей, кораблей, самолетов необходимы непрерывная работа их двигателей, непрерывное действие на них движущей силы колес, винтов, реактивных струй. В обратимом мире моторы не нужны. Все поездки и перевозки будут производиться катапультами. Они будут разгонять до нужной скорости экипажи, которые потом помчатся до нужного пункта назначения по инерции. В пункте назначения остановить их с помощью тормозов невозможно. Поэтому здесь придется ставить ловушку-катапульту. Улавливая экипаж, она будет обратимо запасать энергию в виде сжатого воздуха, пружин или поднятых грузов. Эта энергия может быть использована позднее для ускорения экипажа при отправлении.

Правда, такая картина наблюдалась бы лишь в идеальном случае. На практике — если бы она была возможной — мы наверняка столкнулись бы с неприятными вещами. Так, неизбежные неровности пути, направляющее действие рельсов или канатов на движение экипажа приводило бы к тому, что кинетическая энергия его поступательного движения непрерывно переходила бы в энергию всевозможных колебаний экипажа, в энергию звуковых колебаний рельсов и кузова.

И что самое страшное — эти колебания не затухали бы, а непрерывно усиливались. Прекратить их с помощью всякого рода демпферов, поглотителей, звуковой изоляции невозможно: все эти устройства работают на принципе необратимого превращения механических и звуковых колебаний в тепловое движение. Единственным спасением здесь могли бы быть, вероятно, какие-то аккумуляторы, способные запасать и сохранять энергию движений во вращающихся маховиках, пружинах и т. д. Из-за чисто механических потерь экипаж, выпущенный катапультой, не смог бы достичь пункта назначения без соответствующего запаса энергии на борту, также хранящейся в маховиках, пружинах или электромагнитных накопителях.

В обратимом мире воздух, как и все другие газы и жидкости, утратил бы свою вязкость и стал бы сверхтекучим. Поэтому самолеты в полете не испытывали бы лобового сопротивления. Зато сколько неприятностей доставило бы нам создание подъемной силы крыла! Энергия катапульты, разгоняющей самолет, затрачивалась бы не только на его ускорение, но и на создание незатухающего вихря, который, хотя и остается на аэродроме, необходим для того, чтобы на крыле возникла подъемная сила. Если нет концевых потерь — а это возможно лишь тогда, когда самолет летит между двумя стенками, касаясь их кончиками крыльев, — он может летать по инерции сколь угодно долго и сколь угодно далеко. Но если стенок таких нет, на кончиках крыльев воздух непрерывно перетекает снизу вверх и порождает длинные вихревые «усы». Сбегая с концов крыльев, эти «усы» уносят кинетическую энергию движущегося самолета, поэтому для компенсации потерь на борту самолета придется устанавливать непрерывно работающий двигатель.

Вихри и «усы» возникают не только в обратимом мире. Возникают они и у самолетов, летающих в нашей земной атмосфере. Но здесь вследствие необратимости они быстро исчезают: их энергия превращается в теплоту, атмосфера от этого нагревается и усиливается излучение тепла в космос. В обратимом мире кинетическая энергия неуничтожимых вихрей непрерывно накапливалась бы по мере развития авиационного транспорта, пока не было бы достигнуто состояние «постоянной нелетной погоды».

А реки? Если бы в привычном нам мире не было теплообмена, температура воды в низовьях рек вследствие нагрева от трения была бы выше, чем в верховьях. Нетрудно рассчитать, что ледяная вода, низвергаясь с высоты 42,7 км, у подножия такой небывалой горы начала бы кипеть. Действительно, работа, совершаемая при опускании 1 кг воды с высоты 42 700 м, равна 42 700 кгм. Разделив эту величину на 427 кгм/ккал — механический эквивалент теплоты, — мы получим 100 ккал.

А поскольку теплоемкость воды 1 ккал/кг°С, ясно, что температура воды, низвергшейся с такой горы, будет равна 100 °C. Пропустив поток через гидротурбины, мы могли бы в принципе сохранить температуру воды неизменной, зато каждый килограмм произвел бы колоссальную механическую или электрическую работу — 42,7 тыс. кгм! Отсюда вытекает неожиданный вывод — гидроэлектростанции вырабатывают электроэнергию за счет охлаждения воды. Вывод, способный озадачить гидроэнергетиков.

Теперь представьте себе, что вся эта энергия не превращается в тепло и не отбирается в виде электроэнергии. Непрерывно ускоряясь, мчалась бы сверхтекучая вода рек в Мировой океан, и, вливаясь в него, она порождала бы неуничтожимые, все время усиливающиеся течения и волны, ввергающие океан в состояние непрерывно крепнущего шторма.