Механизм Вселенной

(Второй) закон, гласящий, что энтропия всегда увеличивается, я полагаю, занимает главное место среди законов Природы. …Если ваша теория противоречит второму закону термодинамики, мне нечем вас утешить; ничто не удержит вашу теорию от того, чтобы провалиться с глубоким унижением.

Сэр Артур Стэнли Эддингтон, британский астрофизик (1882–1944)



К 1820 году промышленная революция вошла в полную силу, движимая буквально и фигурально паровым двигателем. Паровой двигатель является типом теплового двигателя, который использует пар в качестве рабочего тела; пар является источником тепла, обеспечивающего производство полезной работы. Другая версия теплового двигателя — двигатель в вашей машине. Здесь рабочее тело — смесь газа и воздуха; сгорание этой смеси приводит к выделению тепла и увеличению давления, двигающему поршни в цилиндрах двигателя, за счет чего движется и ваш автомобиль.

Тепловой двигатель требует по крайней мере двух различных температур, чтобы преобразовывать тепло в работу. В самом простом варианте тепловой двигатель (см. рис. 5.1) берет некоторое количество тепла (qН) из горячего резервуара (нагревателя с высокой температурой TН), использует часть, чтобы выполнить работу (W), и сбрасывает другую часть (qХ) в холодный резервуар (холодильник с более низкой температурой TХ), который обычно располагается снаружи.





Рис. 5.1. Тепло (qН) выходит из горячего резервуара (нагреватель с высокой температурой TН). Часть этого тепла преобразуется в работу (W) рабочим телом двигателя, в то время как другая часть тепла (qХ) поступает в холодный резервуар (холодильник с низкой температурой TХ).

Рассмотрим очень простой тепловой двигатель из воздушного шара и фена. Разместим маленький вес сверху на воздушном шаре и нагреем их при помощи фена (нагреватель), благодаря чему воздух в воздушном шаре (рабочая жидкость) расширится и начнет поднимать шар вверх за счет поглощения части тепла, в то время как остальная его часть рассеется в окружающей среде (холодильник). Таким образом, наш простой тепловой двигатель выполнил определенную работу при помощи части тепла от фена, а другая часть ушла в окружающую среду. Более того, если мы уберем вес и проведем тот же эксперимент, воздушный шар все еще будет работать, расширяясь вопреки внешнему давлению. Таким образом, на этот раз система работает, «поднимая» воздух за пределами воздушного шара, тогда как прежде поднимался вес, который был на верхушке шара.

При этом процессе теряется существенное количество тепла — тратится впустую при переходе тепла от источника к приемнику. К 1820-м годам, после десятилетних попыток сократить эти потери, удалось добиться эффективности, при которой 6 % тепла от нагревателя действительно использовались для работы, тогда как оставшиеся 94 % терялись в окружающей среде — не самые утешительные показатели[37].

С экономической точки зрения рос интерес к повышению эффективности парового двигателя, или, другими словами, максимизации количества работы, производимой с помощью тепла из нагревателя, и минимизации (или исключению) потери тепла в окружающей среде. Именно этого намеревался достичь Сади Карно, и, добившись, он стал основателем теории термодинамики.





Тепловой двигатель




Сади Карно был сыном Лазара Карно, одного из самых влиятельных мужчин во Франции в конце XVIII века и начале XIX века. Успешный политик и государственный чиновник, Лазар блестяще разбирался в военной логистике и стратегии, благодаря чему во время революции спас множество кампаний от военных катастроф, заработав прозвища «организатор Победы» и «великий Карно». Он также был опытным ученым и инженером.

В 1783 году Лазар издал мемуары, в которых он приблизился к прикладной механике с чисто теоретической точки зрения. В этом и более поздних трудах он стремился описать работу сложных механических машин, фокусируясь на общих, характерных для них принципах, не слишком углубляясь в детали, характерные для отдельных проектов.

Другими словами, Лазар верил, что в основе лежат фундаментальные принципы, характерные для всех механических машин независимо от их устройства, и эти принципы позволят создать общую теорию, применимую ко всем ним. Он искал, так сказать, «большую картину». В то время его подход был уникален, поскольку другие исследователи, наоборот, предпочитали делать выводы, изучая определенные механические конструкции. Сади Карно применил изобретательный подход отца при составлении собственной теории тепловых двигателей.

В 1823 году, когда Сади Карно начал эту работу, прошло меньше тридцати лет с тех пор, как эксперименты Румфорда по сверлению орудий помогли понять, что «тепло — это движение». И хотя это должно было положить конец теплородной теории, ее догмы о сохранении тепла (о теплороде) были непоколебимы. Более полное понимание энергии ожидало своего часа в течение приблизительно тридцати лет до появления первого начала. Таким образом, не удивительно, что Карно принял (ошибочную) теплородную теорию и что в своем описании работы теплового двигателя он настаивал на сохранении тепла. Вдобавок он подписался под другой аксиомой: невозможностью вечного двигателя, которую долгое время применяли к механическим системам. Карно расширил это понятие, включил в него тепловые двигатели.





Вечный двигатель первого рода




В рамках наших целей уточним: невозможность существования вечного двигателя первого рода означает, что вы не можете создать машину, которая позволит вам получить больше энергии, чем вы поместите в нее. Рассмотрим такой пример: вы заполняете бензобак в своем автомобиле и затем ездите, пока у вас не заканчивается топливо. Однако, вместо того чтобы остановиться, автомобиль продолжает двигаться, потому что (так или иначе) вы смогли получить из двигателя больше энергии, чем изначально давал полный бак. Поэтому, получив необходимый стартовый «толчок» от автомобиля с полным баком, вы можете продолжать движение на «оставшейся» энергии и вам не потребуется останавливаться у следующей автозаправочной станции.

Очевидно, этот тип вечного движения нарушил бы первое начало, так как в итоге мы получили бы больше энергии, чем было изначально заложено. И хотя вечный двигатель, который я описал, может казаться вам абсурдным, будьте уверены, что сегодня люди продолжают искать способ создать подобные устройства. Фактически официальная политика Бюро по регистрации патентов и торговых марок США (USPTO) в отношении вечных двигателей — не предоставлять патент на такое устройство без имеющейся рабочей модели:

«Бюро не требует предоставления рабочей модели, за исключением случаев, касающихся вечного двигателя. Если работа устройства вызывает сомнения, претендент должен доказать это, удовлетворяя требование эксперта бюро, однако претендент может выбрать сам, в какой именно форме предъявлять доказательства».

Безусловно, Патентное бюро США заполнит заявку на патент, поскольку это работа патентного секретаря, но фактического выпуска патента, которым занимается патентный эксперт[38], скорее всего не будет. Тем не менее в 1979 году Патентное бюро действительно выдало патент (патент США 4 151 431) за устройство, казавшееся вечным двигателем, которое наглядно демонстрировало, что создание изобретения и выдача на него патента не означают, что оно будет на самом деле работать.

Когда вы поймете первое начало, вы можете задаться вопросом, как такое устройство вообще может быть даже темой споров, ведь, как описано, оно явно нарушает первое начало (отсюда название — «вечный двигатель первого рода»). Однако первое начало не является чем-то, у чего есть строгое математическое доказательство; это не что-то, что можно сесть и вывести при помощи математики и известной физики. Это просто утверждение — очень сильное, — которому мы верим, основываясь на всех экспериментальных данных, собранных до настоящего времени. Мы просто не нашли ни одного факта нарушения первого начала до сегодняшнего дня и поэтому считаем его истиной.





Обратимый тепловой двигатель Карно




Карно разработал математическую модель теплового двигателя, состоявшего из рабочего тела; нагревателя, в котором тепло вступало в реакцию с рабочим телом; и холодного резервуара, где часть этого тепла поглощалась рабочим телом. Вот так-то. Некоторые детали теплового двигателя были сознательно исключены — характер проделываемой работы, механическая конструкция (то есть подвижные части) и тип рабочего тела.

На практике после поглощения тепла из источника рабочее тело теплового двигателя[39] способно выполнить работу, расширяя ограниченное пространство, которое, в свою очередь, приводит в движение подвижные части. Например, в вашем автомобиле поршни находятся в ограниченном пространстве цилиндров, а тепло вырабатывается при сгорании горючего (рабочего тела) в этих цилиндрах. Это приводит к увеличению давления на поршни, что позволяет вашему автомобилю ехать по дороге.

Карно игнорировал все эти небольшие детали, пытаясь вывести общую теорию тепловых двигателей с одним требованием — чтобы его тепловой двигатель был обратимым. Сделав это, он также создал абсолютно новую математическую модель термодинамики, которая используется до сих пор.

Теперь поговорим о том, что же такое обратимый процесс (или обратимая система). Если процесс обратимый, то система, задействованная в этом процессе, может быть возвращена или переведена в состояние, предшествующее началу процесса. Вот, собственно, и все.


Так в чем же, собственно, проблема? В действительности никакие процессы в природе[40], — а это именно то, что нам интересно, — не являются обратимыми. Напротив, все они необратимы. Хорошо нам известный пример необратимого процесса — разбитое после падения яйцо. Естественно, оно никогда не сможет вернуться в прежнее состояние[41]. Более того, если разобраться, в основе процессов, протекающих в природе, лежат математические модели. К сожалению, обратимые процессы легче рассмотреть с точки зрения математики (что часто приводит к поразительным результатам), в отличие от необратимых. Таким образом, если возможно, лучше рассматривать наши необратимые процессы при помощи соответствующих обратимых.

Рассмотрим такой пример: два кирпича абсолютно одинакового веса приклеены к горизонтальным качелям на равном удалении друг от друга и от центральной оси вращения (какая странная детская площадка!). Фактически вес одного кирпича уравновешивает вес другого вне зависимости от расположения качелей; направления этих сил уравновешивают друг друга. Если один из кирпичей стремится к земле, то второй от нее удаляется.

Теперь представим, что мы двигаем один из кирпичей сверху вниз таким образом, что это движение можно в любой момент обратить. Что ж, это кажется довольно простым. Обратимость в этом случае означает всего лишь то, что мы можем вернуть качели и кирпичи обратно в предшествующее положение в любой момент. Итак, мы начинаем перемещать качели вниз и вскоре слышим громкий скрип. Ось вращения заржавела, и на нее воздействует большая сила трения. Похоже, это может стать проблемой.

Наша цель — перемещать качели таким образом, чтобы процесс был обратимым, при этом скрипящий звук будет напоминать нам о трении, а также о том, что в процессе трения вырабатывается тепло. Конечно, количество тепла получится не столь существенным; едва ли вы сможете почувствовать его при касании. Тем не менее это означает, что у нас не получилось двигать качели обратимо. Понятно, что если мы вернем качели в прежнее положение — не изменится ничего, кроме тепла: мы не сможем вытащить его из воздуха и вставить обратно в точку опоры. Так как же нам сделать этот процесс обратимым?

Начнем с начала, но на этот раз приложим меньше усилий и будем качать качели с меньшей амплитудой. Поскольку у кирпичей одинаковый вес, потребуется совсем малое усилие, чтобы преодолеть силу трения в точке опоры и вывести систему из равновесия. Мы опустим верхний кирпич на незначительное расстояние и сразу же остановимся. Этот кирпич немного сместится вниз, а нижний станет немного выше. На этот раз не слышно скрипящего звука, и поэтому не выделяется тепло (будем считать, что это так); мы совершили обратимое действие. Если мы прекратим прилагать дальнейшее усилие к кирпичу, он остановится, находясь в идеальном балансе в новом положении; другими словами, они достигли положения равновесия.

Теперь, не останавливаясь, мы снова прилагаем небольшое усилие, чтобы переместить кирпич вверх с помощью серии маленьких шажков до тех пор, пока другой не коснется земли. Хотя мы не будем останавливаться посреди пути, как раньше, мы убеждены, что качели двигаются, проходя через серию положений равновесия, которые были обратимыми, и без выделения тепла. Наша уверенность основана на том, что мы применяли малую силу для поступательного медленного перемещения качели. Как вы можете представить, перемещение качели в крайнее положение заняло много времени ввиду такого подхода — гораздо больше, чем если бы мы просто двинули качели вниз быстро и необратимо. К сожалению, чтобы сделать процесс обратимым, нам потребовались все эти уловки: приложение малой силы, поступательное изменение амплитуды и много времени. Фактически этого достаточно для обратимого движения любой системы. Почему?

Ну, проще говоря, потому что именно это и требуется, чтобы не нарушить систему настолько, чтобы ее нельзя было вернуть к исходному состоянию. Удивительно ли, что системы в природе или повседневной жизни необратимы? Обратимость хорошо работает как математическая модель, которая применима к нашей повседневной жизни, даже если Вселенная работает не совсем так.

Для теплового двигателя обратимость означает не только механическую обратимость (как у качелей), но и тепловую. В нашем примере с качелями мы были уверены, что перемещали кирпичи вверх и вниз на определенные расстояния. В тепловом двигателе протекают похожие механические процессы, но также присутствует разница температур (температурный градиент). Тепловая обратимость достигается с помощью передачи тепла из горячего резервуара в холодный «маленькими шажками».

Это обеспечивают теми же средства, что и в примере выше, только в этот раз мы приложим наименьшую термическую силу для передачи тепла. В частности, мы хотим, чтобы тепло переместилось из нагревателя в холодильник через участки, где снижение температуры минимально. На практике это означает, что горячая и холодная части теплового двигателя (механическая часть и рабочее тело), которые находятся в контакте, должны мало отличаться по температуре.

Конечно же, обратимость — это идеализация. Ее легко представить в теории, но невозможно достигнуть на практике. Нельзя изменять систему столь малыми шагами, поскольку выполнение даже простой задачи займет слишком много времени — практически вечность.

Более того, идет ли речь о механическом трении (как в примере с качелями) или о тепловом трении — следствии взаимодействия разных температур (как в двигателе вашего автомобиля), — в любом случае произойдет потеря определенного количества тепла. Как бы то ни было, обратимость дает нам эффективную математическую модель, устанавливая недостижимую верхнюю границу (своего рода «золотой стандарт») для всех реальных систем. Это позволило Карно глубже понять природу тепловых двигателей и указало на новую физическую величину.





От горячего к холодному




Карно понял, что тепло переходит от горячего к холодному, а тепловой двигатель позволяет использовать это, чтобы производить работу. Он считал, что разница температур схожа с разницей высот, которая требуется для работы водяного двигателя. Примером водяного двигателя может быть колесо, расположенное внизу водопада. Вода, текущая сверху[42], вращает водяное колесо, и это движение используют для работы. Водяное колесо особенно эффективно[43], когда каждая капля воды, падающая сверху, ударяет колесо и вращает его; вода, которая падает мимо водяного колеса, не участвует в движении и потому снижает производительность.

Аналогично Карно предположил, что подобные явления справедливы и для тепловых двигателей. Более того, он считал, что невозможно извлечь работу из тепла при отсутствии разницы температур: должен быть нагреватель (источник) и холодильник (теплоприемник), чтобы двигатель работал — так же как должна быть разница высот для того, чтобы вода текла и двигала водяное колесо.

Он также был убежден, что при этом тепло обязано сбрасываться. Карно считал, что как в водяном колесе вода падает из высокой точки в низкую, так и тепло в тепловом двигателе «падает» из области высокой температуры в область низкой, в конце концов полностью «перетекая» в холодный резервуар.

При работе водяного двигателя вода перетекает сверху вниз, полностью сохраняя свой объем (кроме той части, которая испаряется). Карно как сторонник теплородной теории придерживался этой аналогии с водяным двигателем и был уверен, что так же сохраняется и тепло в тепловом двигателе и в процессе его работы все тепло из горячего резервуара перейдет в холодный.

Примерно через 30 лет после открытия первого начала термодинамики стало ясно, что сохраняется вовсе не тепло, а скорее энергия в целом. Так что количество тепла, изначально покинувшего горячий резервуар, равняется сумме количества тепла, поступившего в холодный резервуар, и работы, проделанной тепловым двигателем.

Математическая модель обратимого теплового двигателя Карно позволила ему прийти к важнейшим выводам. Чтобы понять важность его модели, проведем мысленный эксперимент. Представим, что у нас есть два обратимых тепловых двигателя Карно (см. рис. 5.2). Назовем их «двигатель 1» и «двигатель 2» и подключим к одним и тем же горячему и холодному резервуарам. Теперь представим, что каждый из них выполняет разное количество работы. Для ясности назовем эти количества W1 и W2, при этом W1 больше, чем W2. Другими словами, производительность двигателя 1 выше, чем производительность двигателя 2.





Рис. 5.2. Представим, что двигатель 1 получает начальное количество теплоты (qн) от нагревателя. Некоторое количество этой энергии (qх) поступает в холодильник, в то время как оставшаяся энергия используется для работы (двигатель обратимый, поэтому нет потери тепла в результате механического или термического трения). Некоторая часть этой работы используется для запуска двигателя 2, так как тепловой насос забирает обратно из холодного резервуара такое же количество теплоты (qх, которое перешло из двигателя 1), добавляя часть собственного тепла, и теперь способен передать полное изначальное количество теплоты (qн, переданное двигателем 1) обратно в горячий резервуар. Далее представим, что двигатель 1 может сделать все это, и у него останется излишек работы.

Ключевая особенность здесь — обратимость тепловых двигателей, которая заключается в отсутствии необходимости преодоления механического или термического трения. Поэтому требуется крохотный объем работы — в дополнение к производимой, — чтобы превратить двигатель в тепловой насос, который берет энергию из холодного резервуара и направляет ее в горячий. Это происходит аналогично нашему примеру с обратимыми качелями, где мы в любой момент движения могли изменить его направление путем приложения малой силы. Мы знакомы с тепловым насосом — холодильник, который поддерживает низкую температуру, выводя внутреннее тепло в окружающую среду[44]. В самом деле, тепловой насос похож на водный насос, по сути являющийся водяным двигателем, который может быть обратимым, что позволяет перемещать воду с меньшей высоты на бо2льшую.

Поскольку у двигателя 1 больше объем производимой работы (W1), мы используем его для работы двигателя 2 в обратном режиме, превращая его в тепловой насос. Теперь мы можем создать следующий цикл: двигатель 1 забирает начальный объем тепла (qн) из нагревателя, передает его часть qх в холодильник и выполняет работу. Эта работа заставляет двигатель 2 забрать такой же объем тепла (qх, который передал двигатель 1) обратно из холодильника и добавить часть собственного тепла, таким образом передав полный объем тепла (qн) обратно в нагреватель. Более того, мы можем представить, что двигатель 1 может проделать все это, и у него останется излишек работы. Наконец, весь этот процесс обратим благодаря тому, что не происходит потерь тепла из-за механического или термического трения.

Если что-то здесь кажется вам неправильным, вы не одиноки; Карно считал так же. Короче говоря, конечный результат этого цикла заключается в том, что двигатель 1 способен производить работу, не затрачивая на это энергию. Это происходит за счет того, что двигатель 2 (тепловой насос) возвращает энергию, которую он забрал из нагревателя (qн). И даже после того, как он проделывает все это, у него остается излишек работы. Более того, поскольку нагреватель никогда не иссякает, цикл является бесконечным! Немного отличаясь в деталях, это похоже на вечный двигатель первого рода (о котором мы писали ранее), где мы представляли, что машина может двигаться бесконечно на одном баке топлива[45].

Придерживаясь принципов своей основной теории, Карно пришел к выводу, что производительность (эффективность) любых двух тепловых двигателей, работающих на одинаковых температурах, должна быть одинаковой, что делает невозможным существование нашего вечного двигателя. Точнее об этом говорит теорема Карно. Согласно ей, производительность (а значит, и эффективность) любого обратимого (идеального) теплового двигателя зависит только от температур нагревателя и холодильника. Хотя я не стал бы выводить эту формулу здесь[46], математически мы можем записать это утверждение так:

Производительность = 1 — Tх / Tн,

где Tх и Tн — температуры холодильника и нагревателя соответственно, а 1 означает 100 %-ную производительность. По этой причине количество тепла, которое может произвести тепловой двигатель, и объем работы, который он может выполнить, определяются исключительно разницей температур. Настоящий тепловой двигатель не мог бы быть таким же эффективным по объему произведенных работ и тепла из-за своего устройства, о чем мы чуть позже поговорим. Другими словами, обратимый тепловой двигатель демонстрирует максимальный объем работы и производительности, достижимый за счет разницы температур[47].

В самом деле, система, работающая обратимо, — идеальна. Работа, производимая обратимым тепловым двигателем, и ее? эффективность являются эталоном, которого не может достичь ни один тепловой двигатель. Тем не менее, исходя из нашего уравнения, даже идеальный обратимый тепловой двигатель не может достичь 100 %-ной эффективности[48]. Это обусловлено тем, что разница температур (между Tх и Tн) все еще требует необходимого потока тепла[49]. Это позволяет по-новому рассмотреть утверждение о том, что необходима передача тепла в холодный резервуар, и, следовательно, не все переданное тепло используется в работе (как мы говорили ранее).

Другими словами, если вы хотите, чтобы тепловой двигатель выполнил некую работу, то природа все равно потребует компенсации за нее. Точно так же как и в случае с простыми механизмами типа наклонной плоскости (как мы узнали в части 1). Будь это наклонная плоскость или тепловой двигатель, природа ничего не дает бесплатно.

Представьте себе, что мы пришли к этому выводу, не учитывая особенности рабочего тела или определенной конструкции теплового двигателя (кроме того факта, что он обратим). Следовательно, в разговоре об обратимом тепловом двигателе не важны конкретные детали конструкции. Рабочим телом, механическими деталями или даже материалами, которые вы используете, чтобы построить ваш тепловой двигатель, — всем этим можно пренебречь; важно только, что он работает обратимо.

Теорема Карно рассказывает нам о реальных тепловых двигателях (подобных двигателю в вашей машине), которые не являются обратимыми. Как было упомянуто выше, никакой реальный тепловой двигатель никогда не будет более эффективным, чем обратимый аналог. Тем не менее мы все еще пытаемся сделать наши автомобили «более обратимыми». Это означает, что мы пробуем минимизировать источники механического трения между подвижными частями и избегать теплового трения, возникающего из-за больших разностей температур между подвижными частями и рабочим телом теплового двигателя.

На практике в эффективности реального теплового двигателя играют важную роль механическая конструкция, используемые материалы и рабочее тело. Для рабочего тела важным является такое физическое свойство, как время, которое требуется теплу, чтобы течь через рабочую жидкость (теплопроводность), температура плавления, температура кипения, поверхностное натяжение, давление пара — все это окажет влияние на эффективность работы реального теплового двигателя. Теорема Карно объясняет нам, что эффективности достигают за счет большей разности температур между горячими и холодными резервуарами. Так как температура холодильника — это температура окружающей среды, которой невозможно управлять (например, вы не можете управлять уличной температурой, при которой работает ваша машина)[50], этой разницы достигают, повышая температуру нагревателя. Модель теплового двигателя Карно объясняет инженерам конструкцию реального теплового двигателя.

В 1824 году, спустя год после смерти отца, Карно написал «Размышления о движущей силе огня…», где он в стиле своего отца подчеркнул, что его общая теория применима ко всем типам тепловых двигателей независимо от особенностей их конструкции. Ведущее научное издательство опубликовало работу, но она получила только один — хотя и восторженный — отзыв и десятилетие спустя была процитирована в другом известном журнале. Следующие двадцать лет книга провела во мраке безвестности[51].

В июне 1832 года Карно заболевает скарлатиной. Когда он на мгновение почувствовал себя лучше, то написал своему другу: