Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали
Шрифт:
В 1850 году Клаузиус заявил, что естественное стремление тепла – смена высокой температуры на низкую [68] . Это интуитивное и легко проверяемое заявление было первоначальным вкладом Клаузиуса в то, что в конечном счете станет вторым началом термодинамики (или просто вторым началом). Однако в 1854 году Клаузиус отложил это простое заявление и искал точную математическую формулировку. Конечным результатом стала математическая формулировка второго начала и нового физического свойства [69] ,
68
Другими словами, объекты скорее будут охлаждаться, чем нагреваться. Тепло будет покидать вашу чашку кофе, растворяясь в окружающей среде. Обратные процессы не являются естественными (тепло не будет переходить из окружающей среды в ваш кофе, тем самым нагревая его).
69
Вспомните объяснение из части 1, что физические свойства системы описывают ее уникальные особенности.
В 1854 году Клаузиус рассмотрел всеми любимую в то время модель системы: обратимый тепловой двигатель Карно. Клаузиус отметил, что в тепловом двигателе протекают два механизма одновременно: конверсия и кондукция. Конверсия – это процесс, при котором тепло преобразуется в работу и наоборот, тогда как кондукция – это процесс, при котором высокая температура сменяется низкой и наоборот [70] .
Клаузиус утверждал, что для каждого процесса существуют предпочтительное и неблагоприятное направления. Он рассматривал производство тепла в процессе работы как предпочтительное направление, как, например, в экспериментах Джоуля, где источником тепла была работа, производимая падающим объектом или трением. Поэтому Клаузиус считал неблагоприятным потребление тепла для выполнения работы, подобно тому, как это происходит в тепловом двигателе. По его мнению, для кондукции предпочтительным ходом является (очевидно) движение от высокой температуры к низкой, и, наоборот, переход от низкой температуры к высокой он считал неблагоприятным. Тогда как предпочтительные процессы следуют законам природы сами по себе неблагоприятные необходимо инициировать.
70
В 1851 году Томсон, скорее всего, знал о подобных свойствах тепла. Он сосредоточился на исследовании процесса проводимости, что послужило основой для работы, описывающей рассеивающуюся природу тепла (1852 год).
Например, чтобы получить работу из тепла, вам необходимо специальное устройство вроде теплового двигателя; в противном случае тепло просто рассеется, не производя работы. Однако предпочтительный процесс, следующий законам природы, где тепло производится в процессе работы, протекает сам по себе. Он возникает при любом усилии за счет трения. Каждый раз, когда ваши ноги касаются пола при ходьбе, или когда шины вашего автомобиля скользят по асфальту, или когда ваши пальцы барабанят по клавиатуре, трение обращает ваши усилия в тепло.
Совершенно ясно, что предпочтительное движение тепла – от более высокой температуры к более низкой; вот почему в природе многое охлаждается само по себе, но никогда
Клаузиус понял, что в тепловом двигателе и конверсия, и кондукция происходят одновременно. Однако проводимость является здесь естественным процессом (переход тепла от горячего источника к холодному), в то время как преобразование – неестественный (преобразование тепла в работу). Клаузиус предположил, что в идеальном примере Карно с обратимым двигателем эти два процесса эквивалентны:
«…Эти два преобразования могут рассматриваться как явления одной природы. Таким образом, они оба являются эквивалентами друг друга» [71] .
После разработки математических расчетов для новой теории Клаузиус вычисляет также то, что он назвал механическим эквивалентом тепла: значение эквивалентности для кондукции в предпочтительном направлении и значение эквивалентности для конверсии в непредпочтительном направлении [72] . Благодаря впечатляющей физической интуиции и математическим познаниям он выяснил, что если тепловой двигатель Карно работает циклично, и общая сумма его значений эквивалентности равняется нулю! Действительно, это, возможно, был один из самых интересных нулей в истории физики. Позвольте мне объяснить.
71
Клаузиус утверждал, что любой процесс в двигателе Карно будет взаимозаменяемым, как только мы сделаем его «обратимым». Например, процесс, при котором тепло поступает из горячего резервуара в холодный (предпочтительное направление), можно заменить процессом преобразования тепла в работу (неблагоприятное направление), как только двигатель начинает превращать работу в тепло (предпочтительное направление). Может казаться странным, но Клаузиус пытался установить общую связь между «предпочтительным» и «неблагоприятным» течениями процессов. Это позволило ему вывести математическую теорию и даже обосновать, что у этих двух как будто бы разных процессов общее физическое происхождение.
72
Теперь мы понимаем, что механический (рабочий) эквивалент тепла – это количество тепла, которое получается при выполнении данного объема работы. Действительно, это легко вычислить, просто используя уравнение преобразования объема работы в соответствующее количество тепла. По Клаузиусу, значение эквивалентности для количества работы, которую некто получает из определенного количества тепла, можно представить как «тепловой эквивалент работы».
Работа теплового двигателя Карно [73]
73
Не забывайте, что тепловой двигатель Карно – математическая модель, и что под «пробегом» я подразумеваю только лишь расчеты.
Конец ознакомительного фрагмента.