Краткая история науки - Уильям Байнум

Карно показал, что вы можете использовать разницу температур для расчета эффективности машины. Если абсолютную эффективность обозначить цифрой 1, то реальная эффективность будет определяться как 1 минус температура в отстойнике, поделенная на температуру в источнике (на входе).

Единственный путь добиться единицы – заставить машину извлечь все тепло из пара. Тогда пропорция между входной и выходной температурой будет равняться нулю. Это даст нам 1–0 = 1. Чтобы это произошло, один из наших замеров температуры должен показать либо ноль, либо бесконечность: бесконечно горячий пар на входе или «абсолютный нуль» (максимально низкую температуру, возможную в теории, мы увидим ниже) выходящей в отстойник.

Ни то, ни другое не является возможным, так что эффективность всегда ниже абсолютной.

Простое уравнение Карно, предназначенное для определения эффективности двигателей, воплотило в себе и глубокий закон природы. Оно объясняет, почему «вечный двигатель», о котором иногда пишут в фантастике, не может существовать в реальном мире. Мы всегда должны использовать энергию, чтобы получать энергию, например, сжигать уголь или другое топливо, чтобы для начала нагреть воду.

В 40–50-х гг, девятнадцатого века другие ученые также работали над этой проблемой. Одним из них был немецкий физик Рудольф Клаузиус (1822-88), проведший большую часть жизни в наблюдениях за тем, как тепло ведет себя в тщательно контролируемых условиях эксперимента.

Чтобы объяснить некоторые вещи, он ввел понятие «энтропия».

Энтропия – это мера того, насколько неупорядоченной является некая система. Намного легче создать беспорядок, чем, наоборот, упорядочить набор разных элементов. Если вы смешаете белую и черную краску, то изготовите серую, причем без труда, но вот разделить смесь обратно, так, чтобы получить чистый белый и черный – невозможно. Если размешать чай с молоком и сахаром, то с некоторым количеством труда можно добыть из раствора сахар, но молоко не вернуть никак.

С энергией все точно так же: если вы сожгли уголь, вы не можете использовать полученную энергию, чтобы восстановить сожженное.

Для людей девятнадцатого века энтропия была подавляющей, неприятной идеей. Клаузиус объявил, что Вселенная становится более и более неупорядоченной, поскольку энтропия – ее нормальное состояние.

Если совокупность объектов теряет порядок, то требуется больше энергии, чтобы вернуть ее в упорядоченное состояние, и точно так же нужно больше сил, чтобы навести порядок в комнате, чем для создания бардака. В соответствии с гипотезой Клаузиуса Вселенная понемногу приходит в упадок, и в конечном счете мы получим мир, где энергия и материя равномерно распределены по пространству.

Даже наше Солнце в конце концов погаснет, примерно через пять миллиардов лет, и вместе с этим закончится жизнь на Земле.

Но в то же время, в данный конкретный момент растения и животные, человеческие существа, наши дома и компьютеры бросают вызов тому выводу, который сделал Клаузиус, и как говорили в древности: «Готовь сено, пока солнце светит».

Пока физики и инженеры были обеспокоены эффектом энтропии, они также занимались тем, что такое энергия в точности. Тепло – важная форма энергии, так что изучение этого феномена получило название «термодинамика» (комбинация греческих слов, обозначающих «тепло» и «сила»).

В 1840-х годах несколько человек пришли к одинаковым умозаключениям относительно взаимосвязи между различными формами энергии. Они изучали совершенно разные вещи: что происходит, когда вода замерзает или закипает? Каким образом наши мускулы получают способность поднимать предметы? Каким образом паровые машины используют горячий пар, чтобы производить некоторую работу?

Кстати, первая общественная железная дорога с паровозами начала функционировать на севере Англии в 1825 году.

Подойдя к одной и той же проблеме с разных направлений, они все поняли, что вы не можете создать энергию из ничего и не можете заставить ее исчезнуть полностью. Единственное, что вам доступно – превращать энергию из одной формы в другую и иногда это превращение позволит вам использовать ее для совершения некоей работы.

Это утверждение обычно называют принципом сохранения энергии.

Физик из Манчестера Дж. П. Джоуль (1818–1889) хотел понять взаимосвязь между теплом и работой. Как много энергии требуется, чтобы выполнить некий объем работы? Серией блестящих экспериментов он показал, что тепло и работа связаны напрямую и эту связь можно выразить математически.

Вы используете энергию для совершения работы (для езды на велосипеде, например), и тепло – общая форма энергии. Подумайте о восхождении на вершину горы. Мы пускаем в ход энергию всякий раз, когда напрягаем мускулы, и получаем ее из той пищи, которую съедаем и перевариваем; в свою очередь кислород, которым мы дышим, используется, чтобы «сжигать» калории в продуктах питания.

Теперь посмотрим: может быть два пути к вершине, один крутой, другой более пологий. Джоуль продемонстрировал, что не имеет значения, какой вы выберете путь, если говорить в терминах затраченной энергии. Крутой подъем может оставить вас с болью в мускулах, но количество энергии, которую вы затратили, перемещая вес тела с подножия на вершину, совершенно то же, вне зависимости от того, какой тропой вы шли, и даже не имеет значения – шли или бежали.

Физики до сих пор помнят имя Джоуля, оно используется как единица измерения работы, энергии и количества теплоты.

Люди долгое время пытались найти способ измерить то, сколько теплоты содержит объект, иначе говоря – температуру. Галилей (глава 12) экспериментировал с «термоскопом», инструментом, который менялся при увеличении температуры. Устройство это позволяло видеть, когда предмет нагревается или остывает, термометр же позволяет выразить количество тепла в цифрах.

До сих пор используются две шкалы измерения температуры, одну предложил немецкий физик Даниель Габриель Фаренгейт (1686–1736), который использовал термометры, содержащие и спирт, и ртуть. По его шкале вода замерзает при 32 градусах и нормальная температура тела определяется в 96. Андерс Цельсий (1701-44) придумал другую шкалу, используя как опорные точки замерзание и кипение воды, первую обозначил как ноль и вторую – в 100 градусов. Его термометры показывали температуру между этими двумя крайними значениями.

Обе шкалы в ходу в разных частях мира, их используют и для того, чтобы испечь пирог, и для того, чтобы поныть по поводу погоды.

Шотландский физик Уильям Томпсон (1824–1907) предложил другую шкалу. Этот ученый в особенности интересовался тем, как тепло и другие формы энергии проявляют себя в природе. Томпсон занимал должность профессора в университете Глазго, и позже получил титул лорда Кельвина, поэтому его шкала известна как шкала Кельвина.

В процессе ее разработки он использовал строгие научные принципы и точные инструменты для наблюдений. По сравнению со шкалой Кельвина Цельсий и Фаренгейт выглядят грубыми, приблизительными.

Опорная точка для шкалы Кельвина – «тройная точка воды».