Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

XVIII век вошел в историю физики как эпоха невесомых материй — импондерабилий. Будучи не в состоянии найти хоть что-нибудь общее в механических, оптических, электрических, магнитных явлениях, ученые тех времен с большой легкостью плодили всевозможные материи и жидкости — электрическую, магнитную, световую и т. д. Убедившись в безрезультатности всех попыток взвесить их, они пришли к выводу, что жидкости эти — невесомые. Была придумана соответствующая жидкость — теплород — и для объяснения тепловых процессов. Нужно признать: теплород сослужил хорошую службу науке. Он внес известный порядок в хаос накопленных к тому времени фактов. Он позволил выделить из массы явлений окружающего мира явления чисто тепловые. Следуя теории теплорода, плеяда блестящих экспериментаторов заложила основы современной калориметрии. И вольно или невольно мы и по сию пору отдаем дань уважения достижениям этой теории, когда произносим терм-ины «теплоемкость», «теплопроводность», «теплота парообразования», «теплота плавления». Но был один факт, который вызывал смутное беспокойство у сторонников теплородной теории. Факт этот — выделение теплоты при трении. Чтобы не отказаться от множества объясненных с помощью теплорода явлений, ученые попытались приспособить теорию и для толкования этого процесса.

Первое, что пришло им в голову, — рассматривать нагрев при трении как «выжимание» теплорода из тел. Позднее они стали более тонко объяснять этот эффект уменьшением теплоемкости при трении, а образование теплоты — освобождением теплорода из химически связанного состояния. Все это получилось так удачно, что из факта, противоречащего теории, трение превратилось в факт, подтверждающий ее.

И вот н а тебе: Румфорд поставил опыты, убийственные для такой удобной теории. Он доказал: трением двух тел можно получать большие, быть может, даже неограниченные количества теплоты. Его эксперименты лишили хитроумные объяснения приверженцев теплорода всякого смысла. Убедительности румфордовских опытов способствовали их поистине министерские масштабы. Вместо пробирок, реторт, жаровен, характерных для научных лабораторий тех лет, баварский министр пользовался сверлильными станками, пушечными стволами и конями-тяжеловесами мюнхенского цейхгауза.

В одном из опытов тупое сверло, прижатое к бронзовой болванке с силой 4500 кг, уже через 30 мин, сделав всего 960 оборотов, нагрело ее почти на 40 °C. Откуда берется такое огромное количество теплоты? «Выжимается» из стружек? Но их слишком мало. Может быть, из воздуха, поступающего внутрь отверстия при сверлении?

Чтобы закрыть доступ воздуху, Румфорд поместил весь прибор в сосуд с водой. Медленно, со скоростью всего 32 об/мин начало вращаться сверло, и спустя два с половиной часа к величайшему изумлению окружающих вода в сосуде начала кипеть. Это убедило Румфорда в том, что из тела можно получать теплоту в неограниченном количестве «без перерыва или пауз и без всяких признаков ослабления или истощения». А такой вывод никак не мог быть увязан с теорией теплорода: то, что в неограниченном количестве может быть получено за счет движения, само должно быть движением. Следовательно, тепловые явления — явления движения.

И все-таки можно понять нежелание ученых признать опыт Румфорда. Невесомые материи сыграли очень большую роль не только потому, что позволяли произвести какую-то классификацию физических явлений. Оказывается, они позволяли довольно точно описывать явления до тех пор, пока не происходило взаимных превращений одних форм движения в другие, пока изучались процессы чисто электрические, чисто оптические, чисто тепловые. Поэтому вплоть до наших дней сохранили свою научную ценность данные электростатики, геометрической оптики, калориметрии, полученные на основе невесомых жидкостей еще в XVIII веке.

Но как только дело доходило до взаимопревращения различных форм движения, наука XVIII века заходила в тупик. Опыты с трением, в которых механическое движение переставало быть механическим и превращалось в теплоту, не случайно стали камнем преткновения для ученых того времени. Как ни парадоксально, эти опыты, которые для нас — ярчайшее подтверждение принципа сохранения, тогдашним ученым казались вопиющим нарушением именно этого принципа. Внутренним чутьем ученые всегда угадывали: материя не появляется из ничего, ее нельзя уничтожить без следа или сотворить в любых количествах. Этот неизреченный, не сформулированный точно принцип распространяли они, естественно, и на невесомые материи. Из того, что у них не было веса, вовсе не следовало, что их можно уничтожить. Количество теплорода, светового вещества, магнитной и электрической жидкости в окружающем нас мире должно оставаться постоянным. Да, они могут переходить из тела в тело. Да, они могут «скрываться» и «выжиматься», но они не могут быть ни уничтожены, ни созданы вновь.

Теперь мы можем понять чувства ученых XVIII века, на глазах которых под тупым сверлом непрерывно и в неограниченных количествах создавался теплород. Наверное, они чувствовали себя примерно так же, как современный ученый, перед которым поставили бы настоящий, без всяких обманов работающий вечный двигатель…

Итак, непонятная двойственность тепловых явлений дала о себе знать с самого начала. В отличие от всех других невесомых жидкостей теплород выступал в двух обличьях: то в виде неуничтожимой жидкости — в процессах теплопроводности, теплоемкости, плавления, то в виде особого сорта движения, которое можно было генерировать в процессах трения в любых количествах.

Взглянув на дело с современной точки зрения, мы должны отметить любопытную деталь: все эти процессы существенно необратимы. Так, в румфордовских опытах теплота добывалась с помощью трения — непосредственного превращения механического движения в тепловое. В процессах нагрева с помощью теплопроводности и теплоемкости срабатывал другой механизм необратимости — непосредственный теплообмен — передача теплоты от горячих тел к холодным. Выходит, в первых научных исследованиях тепловые процессы представали взорам ученых в неочищенном, завуалированном необратимостью виде. И необратимость так коварно упрощала тепловые явления, ее последствия казались столь естественными и принципиально свойственными тепловому движению, что очищение тепловых процессов от последствий необратимости мог произвести именно гений, достижения которого далеко не сразу могли быть восприняты не только его современниками, но и учеными последующих поколений…

Таланты Лазара Карно — видного деятеля Великой Французской революции и талантливого математика, механика и инженера — разделились поровну между двумя его сыновьями. Младший — Ипполит стал политическим деятелем, социологом, министром. Старший — Сади оказался гениальным ученым. Имя младшего гремело при жизни и было почти забыто после его смерти. Старший, наоборот, приобрел мировую известность через много лет после смерти. Славу ему принесла единственная опубликованная им в 1824 году книжечка в 40 страниц — «Размышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Говорили, что основную идею этого сочинения подсказал Сади его отец, который в своей книге «Основные начала равновесия и движения» писал: «…необходимо возвыситься до возможно большей общности, не останавливаться ни на какой конкретной машине, не пользоваться аналогиями, но исходить из основных аксиом механики». Хотя эта мысль действительно лежит в основе «Размышления о движущей силе огня», это нисколько не умаляет заслуг Сади Карно перед наукой. Идеализация, необходимая для анализа тепловых машин, потребовала от него такого проникновения в суть дела, такой смелости и глубины мышления, что подсказка, какой бы ценной она ни была, едва ли могла сыграть решающую роль.