Герман Смирнов - Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Перенесенная на землю небесная механика с ее ореолом идеальности заставила ученых считать, что идеальные механические процессы и на Земле не должны сопровождаться изменениями температуры, должны быть изотермическими. Поэтому, проводя в своих лабораториях чисто механические эксперименты, ученые и не думали выяснять, как изменяются температуры тел в ходе опыта. Но здесь положение было иное, чем на небесах, ибо две принципиально разные причины — обратимое адиабатическое сжатие и необратимое трение — приводили к одинаковому следствию — повышению температуры.

Вот почему в представлении ученых сложилось мнение, что стоит устранить трение в механических процессах — и будет тем самым устранено повышение температуры во взаимодействующих телах. Вот почему идеальная механика мыслилась как изотермическая наука. Вот почему распространение звука Ньютон считал процессом изотермическим и получил результат, не соответствующий действительности. И вот почему, наконец, французский механик Лаплас смог исправить ошибку Ньютона только тогда, когда ясно понял: распространение звука в газе — процесс адиабатический.

Справедливости ради надо сказать, что в окружающей нас жизни масштабы скоростей и энергии движущихся твердых тел чаще всего позволяют пренебречь адиабатическим изменением их температуры. В пределах упругости адиабатические изменения температуры многих металлов составляют не больше 1–2 °C. Живи мы на другой планете, где сила тяжести в сотни или тысячи раз превышает силу тяжести на Земле, и имей мы металлы идеально упругие, мы, возможно, своими глазами увидели бы, как вследствие адиабатического расширения и сжатия периодически раскаляется докрасна и снова охлаждается нить колеблющегося маятника. В наших же условиях температура тел вследствие адиабатического взаимодействия в большинстве случаев могла бы изменяться на 1–2 °C.

Теперь представьте себе, что бы произошло, если бы ученые вовремя обнаружили эти температурные изменения и установили их связь с механическим движением тел. Можно смело утверждать: классическая механика как наука сложилась бы на несколько десятилетий, а то и столетий позднее. Ведь тогда в набор чисто механических параметров, таких, как сила, пространственные координаты, время, скорость, ускорение, пришлось бы включить и такой существенно немеханический параметр, как температура. Температура потребовала бы предварительного уяснения множества других термодинамических понятий и зависимостей. Короче говоря, для того чтобы создать классическую механику, а может быть, и все остальные естественные науки, понадобилось бы прежде во всех деталях понять и разработать термодинамику.

Но зато, возникнув позже, классическая механика была бы свободна от тех понятий и представлений, которые некогда облегчили ее формирование, но которые потом породили немало споров и затруднений. Одно из таких понятий — потенциальная энергия.

Внутренняя энергия идеального газа не зависит от его давления — в справедливости этого фундаментального положения классической термодинамики Силач и Огнепоклонник убеждаются на собственном, опыте Чтобы выяснить, что важнее работа или теплота, они взяли устройство (А), состоящее из цилиндра с поршнем, изолированного снаружи с помощью надувной оболочки Внутри цилиндра — газ при атмосферной температуре и давлении Первым взялся за дело Силач Он нажал изо всех сил на поршень и с помощью механической работы сжал газ, повысив одновременно и его температуру, и его давление (Б). Но Огнепоклонник не растерялся тонкой иглой он проколол теплоизолирующую оболочку Нагретый при сжатии газ охладился до атмосферной температуры и отдал при этом в окружающую среду ровно столько теплоты, сколько Силач затратил работы на его сжатие (В). А раз так, то внутренняя энергия газа в положении А и в положении В одна и та же, хотя во втором случае давление газа выше.

Увидев лежащий на краю пропасти камень, мы говорим: в нем есть запас потенциальной энергии. Если сбросить его с высоты на дно пропасти, он может совершить механическую работу. Вода реки, стекая от верховьев к низовьям, тоже — считаем мы — обладает потенциальной энергией, равной ее весу, умноженному на разность уровней. Однако такое понятие, не вносящее затруднений в понимание механических процессов, в которых участвуют практически несжимаемые тела, вызывает затруднения, когда дело доходит до газов. По аналогии с грузом, лежащим на некоторой высоте над землей, мы стали говорить, что сжатый газ тоже наделен потенциальной энергией: расширяясь до атмосферного давления, он может совершить механическую работу. Но термодинамика утверждает, что это не так, что при одинаковой температуре в килограмме воздуха, сжатого до 100 атмосфер, содержится энергии не больше, чем в килограмме воздуха при атмосферном давлении…

Почему так? Да потому, что адиабатически сжимая газ, мы одновременно повышаем его температуру. Если теперь этот нагретый сжатый газ охладить до атмосферной температуры, от него будет отведена теплота. И вот что удивительно: количество этой теплоты в точности равно механической работе, затраченной на сжатие. Энергия, подведенная к телу в виде механической работы, полностью отведена от него в виде теплоты. Выходит, адиабатическим сжатием и последующим охлаждением мы изменим только давление газа, но отнюдь не «накачаем» его потенциальной энергией. И общность законов термодинамики такова, что это относится не только к газам, но и к жидкостям, и к твердым телам.

Об этом еще в прошлом веке догадывался русский физик Н. Умов. «… Когда одно явление исчезает, то должно появиться другое, равное ему по своей напряженности. Камень потерял живую силу, изменив свое положение относительно земли. Это новое положение указывает на то, что тело не осталось в том виде, как оно было прежде, что произошли изменения. Изменившееся положение камня есть признак происшедших перемен в явлении и не больше. Неужели в мертвом, геометрическом различии положений можно искать источник живой силы? Ясно, что нет; геометрия не создает вам движения, надо искать, следовательно, явление, которое по своей напряженности равнялось бы потерянной живой силе. Где же исчезнувшая живая сила? Где соответствующее ей явление?»

И далее Умов проницательно указывает, что вся механическая энергия, наблюдаемая нами в окружающем мире, есть энергия кинетическая. Но явления протекают в двух или более средах, из которых лишь одна находится в центре нашего внимания, в то время как все остальные не подлежат непосредственному наблюдению. Так вот, когда кинетическая энергия из наблюдаемой среды переходит в ненаблюдаемую, она кажется нам исчезнувшей, и мы принимаем за потенциальную энергию лишь след, оставленный энергией кинетической, или, как говорит Умов, «признак происшедших перемен».