Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Вот теперь-то мы и можем оценить величие и гениальную проницательность Сади Карно. Во времена, когда ничего не было известно об энтропии и об ее связи с теплотой, работой и температурой, он сумел понять: чтобы в машине не было «ни одного изменения температуры, происходящего не от изменения объема», необходимо использовать в ней только изотермические и адиабатические процессы. Переведя это на современный язык, мы легко увидим, что означает это требование. По мнению Карно, в идеальной машине должно отсутствовать выравнивание температур путем непосредственного теплообмена, то есть теплообмена, не сопровождающегося соответствующим совершением механической работы…

Выходит, для построения — конечно, только воображаемого — идеальной тепловой машины не требуется ничего сверх того, что должно выполняться в обратимом мире. А именно: в ней не должно происходить непосредственного теплообмена между нагретыми и холодными частями и непосредственного превращения механического движения в тепловое. Таким образом, тепловая форма движения, будучи идеализирована, то есть очищена от необратимых процессов, оказывается ничуть не хуже других форм движения и вполне естественно и закономерно вписывается в картину обратимого мира.

Вот почему изучение теплового движения доставило ученым столько хлопот, недоумений и мороки, вот почему столько путаницы породил не очень четко определенный термин — теплород. Те ученые, которые исследовали необратимый процесс теплопроводности, получали убедительнейшие доказательства: теплород — неуничтожимая жидкость. Другие, изучая необратимое превращение механической работы в теплоту, получали не менее убедительные доказательства: теплород не жидкость, а вид движения и может быть получен в любых количествах. Наконец, третьи, сосредоточившие свое внимание на изучении обратимого превращения теплового движения в механическое, получали третий результат: при протекании идеальных — по-нашему, обратимых — процессов суммарное количество теплорода остается неизменным.

Зная разницу между работой, теплотой и энтропией, нетрудно истолковать эти опыты и показать: все были правы по-своему. Так, в процессах теплопроводности работа равна нулю, количество теплоты постоянно, а суммарная энтропия участвующих в процессе тел растет. При превращении работы в теплоту работа исчезает, теплота возникает, а суммарная энтропия тел, участвующих в процессе, растет. Наконец, в обратимых процессах преобразования теплоты в работу теплота исчезает, механическая работа возникает, а суммарная энтропия сохраняется постоянной. Таким образом, если ученые, занимавшиеся исследованием необратимых процессов, под термином теплород подразумевали теплоту, то Карно под этим словом подразумевал нечто сходное с энтропией, хотя, конечно, он и понятия о ней не имел. Тем не менее справедливо одно: если в трактате Карно слово теплород всюду заменить словом энтропия, справедливость всего в нем сказанного ничуть не пострадает…

Вот почему исследователи необратимых процессов были правы, когда говорили, что количество теплорода (читай теплоты) может оставаться постоянным в процессах необратимого теплообмена или безгранично возрастать за счет механической работы в процессах необратимого трения. Но и Карно был прав, когда утверждал, что теплород (читай энтропия) не исчезает в идеальной тепловой машине, а как бы перетекает с верхнего уровня на нижний. Разнобой в выводах свидетельствовал не о разнобое в природе вещей, а о разнобое в понимании термина теплород. Вот почему согласование опытов Джоуля и принципа Карно потребовало не перестройки теории теплоты до самых ее основ, чего так опасался Вильям Томсон, а выработки ясных и строго определенных научных понятий теплоты и энтропии.

По всем иллюстрациям этой книги вас проведут два героя. Один из них — Силач убежден во всемогуществе механического движения, другой — Огнепоклонник приписывает решающую роль тепловому движению. Кто из них прав? Оказывается, правы оба, ибо механическое и тепловое движения неразрывно связаны между собой. Чтобы убедиться в этом, проделаем вместе с нашими героями небольшое путешествие в мир термодинамики.

«Теплота — неуничтожимая жидкость — теплород, — заявляет Огнепоклонник — В этом меня убеждает эксперимент А Я беру металлический стержень, покрытый теплоизоляцией, и нагреваю один его торец, подводя теплород Измерения показывают, что весь подведенный теплород вытекает в атмосферу с противоположного торца. Значит, теплота неуничтожима и количество ее в природе неизменно».

«Это неверно, — возражает Силач — Я беру мельничные жернова и начинаю вращать один из них относительно второго (Б) Я не нагреваю жернова ни пламенем, ни горячим воздухом, я только изо всех сил кручу один из них Но посмотрите — оба жернова нагреваются. Выходит, я могу производить сколько угодно теплоты за счет механического движения Нет, теплота — не жидкость, а разновидность движения, и ее можно генерировать в любых количествах».

«Пожалуй, я готов согласиться с тобой, — задумчиво сказал Огнепоклонник — Ведь можно соорудить машину, которая будет выполнять обратную задачу генерировать механическую работу за счет теплоты (В) Но как тогда увязать между собой результаты всех этих экспериментов?»

Современная термодинамика дает такую увязку В случае А механическая работа равна нулю, количество теплоты — постоянно, а суммарная энтропия тел, участвующих в эксперименте, растет В случае Б подводимая к жерновам механическая работа полностью превращается в теплоту, а суммарная энтропия растет В случае В, когда речь идет об идеальном тепловом двигателе, в котором отсутствуют потери, подводимая к машине теплота полностью превращается в работу, а суммарная энтропия тел, участвующих в процессе, остается постоянной.

При изучении наследия Исаака Ньютона можно обнаружить один любопытный факт: попытавшись вычислить скорость звука в воздухе при 0 °C, великий механик получил величину 280 м/с, в то время как измеренная экспериментально, эта величина составляла 330 м/с. Ньютона так задело это несовпадение, что он, с гордостью говоривший о себе: «гипотез не измышляю», унизился до выдумывания весьма вычурных и искусственных гипотез, призванных объяснить это расхождение. Но даже нарушив свое научное кредо, он так и не сумел удовлетворительно объяснить несоответствие.

И как ни удивительно, в основе этой маленькой неудачи Ньютона лежало то же самое неосознанное и ясно не сформулированное убеждение, без которого было бы невозможно и его величайшее научное достижение — открытие закона всемирного тяготения. Убеждение это состояло в том, что мир, вселенная подчиняются законам, если так можно выразиться, изотермической механики, механики, в которой температура движущихся тел не зависит от их движения друг относительно друга. Сейчас мы знаем, что это не так, что вращение, скажем, Луны вокруг Земли вызывает приливы и деформацию земной оболочки, возникающее при этом трение превращает кинетическую энергию вращения Луны в теплоту, тормозит ее движение и нечувствительно меняет ее траекторию. Правда, эти изменения на протяжении жизни человечества столь ничтожны, что, пренебрегая ими, астрономы смогли построить свою изумительную небесную механику, точность предсказаний которой побудила ученых и механику земную строить по образцу и подобию небесной.