Холодильник Эйнштейна. Как перепад температур объясняет Вселенную - [24]

Такая конструкция будет работать вечно. Вся теплота, сбрасываемая в охладитель, будет подниматься обратно. Но полезной работы производиться не будет.

Сверхидеальный двигатель обеспечивает функционирование идеального холодильника

Далее Клаузиус представил сверхидеальный двигатель, который делит получаемую теплоту на работу и отработанную теплоту более выгодно, чем идеальный. Он работает не по принципу 50:50, а по принципу 50:30. Такая машина получает 80 калорий теплоты из нагревателя, преобразует 50 из них в работу и сбрасывает оставшиеся 30 в охладитель.

Далее представим, что сверхидеальный двигатель обеспечивает функционирование идеального холодильника.

Восемьдесят калорий поступают из нагревателя в сверхидеальный двигатель. 50 из них преобразуются в работу, а 30 сбрасываются в охладитель.

Идеальный холодильник использует работу, полученную из сверхидеального двигателя, чтобы высосать 50 калорий из охладителя. Затем он поднимает в общей сложности 100 калорий обратно в нагреватель.

В этом ключ ко всему. Закон сохранения энергии не нарушается ни на одном из этапов. Сумма теплоты и работы остается постоянной. Но происходит нечто странное.

Нагреватель отдает 80 калорий теплоты сверхидеальному двигателю, но получает 100 калорий от идеального “обратного” двигателя, обеспечивая чистый прирост в 20 калорий.

Тем временем охладитель получает 30 калорий от сверхидеального двигателя, но отдает 50 калорий идеальному обратному двигателю, обеспечивая чистый убыток на (50–30) = = 20 калорий.

Получается, что 20 калорий теплоты перемещаются из холодной зоны (охладителя) в горячую (нагреватель), но при этом работа не поступает в систему извне. Такая конструкция предполагает существование холодильника, способного функционировать без энергозатрат.

Такого быть не может. Теплота никогда не перемещается из холодной зоны в горячую, не подвергаясь воздействию силы, то есть не расходуя некоторое количество работы. Самопроизвольное естественное перемещение теплоты всегда происходит в обратную сторону, из горячей зоны в холодную. Существование сверхидеального двигателя невозможно, поскольку оно предполагает нарушение этого закона.

Итак, Клаузиус подтвердил догадки Карно. Француз сделал верный вывод, что максимальное количество работы, которое можно получить при заданном количестве теплоты, определяется температурой нагревателя и охладителя. Оно не зависит от рабочего вещества и конструкции двигателя.

Гипотеза Карно также находит подтверждение, если принять и закон сохранения энергии, и принцип, в соответствии с которым теплота никогда самопроизвольно не перемещается из холодной зоны в горячую.

Таким образом, в своей статье Клаузиус сделал важнейший вывод, что поведение теплоты определяется двумя принципами, которые сегодня называются первыми двумя началами термодинамики. Они таковы.

Первое начало: хотя теплоту и работу можно преобразовывать друг в друга при постоянном “обменном курсе”, открытом Джоулем, общее количество теплоты и работы остается неизменным. (Это закон сохранения энергии в применении к теплоте и работе.)

Второе начало: теплота никогда самопроизвольно не перетекает от холодного к горячему.

Формулировка двух этих утверждений ознаменовала рождение новой области науки.

* * *

Статью Клаузиуса приняли хорошо. После публикации его назначили профессором физики Королевской артиллерийской и инженерной школы в Берлине. Через несколько недель статья была переведена на английский язык. Летом 1850 года, читая ее в Глазго, Томсон, должно быть, испытывал смешанные чувства. С одной стороны, Клаузиус признавал роль Томсона в привлечении внимания научного сообщества к идеям Карно и Джоуля. С другой стороны, загадку, над которой Томсон бился два года, решил другой человек. Несколько месяцев спустя Томсон опубликовал собственный вывод второго начала Клаузиуса.

Хотя Клаузиус и Томсон никогда не встречались, печатаясь в научных журналах, они в некотором роде вместе работали над установлением природы теплоты, закладывая прочный фундамент для новой науки. Они вместе проложили путь к тому, чтобы показать, что термодинамика имеет применение не только в паровых машинах.

Первым и одним из самых важных шагов в этом направлении стала статья Томсона, опубликованная в апреле 1852 года. Как и Джоуль, Томсон видел в поведении теплоты руку Творца. В первом начале термодинамики, законе сохранения энергии, Джоуль упомянул о “великих силах природы”. Во втором начале Томсон разглядел Божий план для судьбы космоса.

Стоит рассказать, в каких условиях Томсон работал над этой статьей.

Хотя Глазго стремительно развивался на фоне промышленного подъема, страданий тоже было немало. Великий голод в Ирландии привел в город почти 100 тысяч нищих беженцев. Из-за голода, антисанитарии и примитивного уровня здравоохранения начались эпидемии. От болезни не был застрахован никто. В начале 1847 года младший брат Томсона Джон заразился тифом в больнице, где изучал медицину, и умер неделю спустя. За тифом последовала холера, и не прошло и двух лет, как ее жертвой пал отец Томсона, который вошел в число более 4000 горожан, умерших от болезни в тот год. Вскоре после второй утраты молодая Сабрина Смит ответила на предложение Томсона отказом.