Рецензия на «О давлении и теплопередаче» (Августин Летописец)

Почтенный Августин,
Как мы и договаривались, хотелось бы поговорить о Втором начале, тепловой смерти и Клаузиусе (и других).
Всё началось задолго до Сади Карно. И началось с простого наблюдения: если взять два тела с разными температурами и привести их в соприкосновение, то постепенно температуры уравняются. Было известно, что нагревание требует подвода к телу энергии. Следовательно, холодное тело получает энергию от горячего, а горячее теряет ее. Между телами, обменивающимися теплотой, есть поток энергии.
Сади Карно интересовал вопрос о повышении КПД тепловых машин. Европа доедала свои леса, сжигая их в топках паровых машин, топливо делалось всё дороже, и вопрос был далеко не праздный.
Справедливости ради отметим, что Карно не оперировал понятием «теплота»: он свято верил в некую тепловую жидкость, теплород. Что ж, электричество тоже полагали «жидкостью», от тех времен и идут термины «ток», «сопротивление», «напряжение», «емкость». Гидродинамическая аналогия оказалась живучей. Нынче под теплотой понимают форму энергии, связанной с хаотическим движением составляющих тело частиц – атомов и молекул.
Может показаться, что самопроизвольная теплопередача от холодного к нагретому возможна: все мы пользуемся холодильниками, которые переносят тепло от курицы в комнату. Но здесь надо сделать важную оговорку: в холодильнике, помимо комнаты и курицы, есть еще и третье тело, поглощающее энергию извне. Устройство холодильного агрегата может быть самым разным, главное – он всегда запитывается от внешнего источника энергии, и никогда не может работать от курицы и комнаты. Вот это-то экспериментальное обстоятельство и легло в основу второго начала термодинамики. Второе начало – лишь математическое выражение факта: температуры тел в изолированной системе могут только уравниваться.
Теперь – важный момент. Пусть есть два «тепловых резервуара» с температурами Т1 и Т2, причем T1>T2, и теплотами Q1 и Q2 соответственно. Пусть между ними есть тепловая машина – устройство, способное превращать тепловую энергию в механическую работу. Никаких внешних источников энергии нет, система изолирована. Первый закон термодинамики говорит, что внутренняя энергия изолированной системы строго постоянна. Спрашивается, сколько работы может совершить тепловая машина внутри такой системы? Казалось бы, Q1-Q2 - это и есть максимальная работа А. На самом же деле в процессе совершения работы температура резервуара Т1 будет падать, и процесс завершится сразу, когда температуры резервуаров уравняются. Важно и еще одно обстоятельство. Когда в описанной системе совершается работа, например, подъем груза, система не приходит в равновесие. Вот если работа сопровождается превращением в тепло – например, за счет сил трения или же нагрева реостата, то выделяющееся тепло идет в резервeар Q2. Значит, выполнена работа будет меньше, чем Q1-Q2. Чем больше разность температур, тем большую часть тепловой энергии можно превратить работу.
Тут есть ряд тонкостей, которые я опускаю. Они не меняют сути.
Глубокий анализ связи теплоты и работы показал, что есть особая величина – отношение теплоты к температуре. Эту величину и называют энтропией. Ее важная особенность состоит в том, что изменение этой величины не зависит от пути процесса, а определяется только начальным и конечным состояние системы. Такие величины называются функциями состояния. Внутренняя энергия, потенциал Гиббса – пример функций состояния, а теплота и работа функциями состояния не являются. Функции состояния широко применяются в технике при проектировании машин, двигателей, оружия, при анализе процессов и равновесий в многокомпонентных системах, в химии, физике и т.д.
В термодинамике понятие «теплота» имеет тот смысл, о котором говорили выше, а вот понятие «работа» гораздо более широкое. Оно касается самых разнообразных превращений энергии: химических, электрических, магнитных и т.д. Именно поэтому термодинамика – очень широкий и мощный раздел физики.
Клаузиус, когда говорил о тепловой смерти, т.е. неизбежном выравнивании всех температур и потенциалов в природе, был прав. Нужно лишь учесть вот что: во времена Больцмана существовала религиозная точка зрения на мир, полагавшийся сотворенным одномоментно, и «научная» - дескать, мир стационарен и вечен. Естественники придерживались этой точи зрения и взгляды Клаузиуса высмеивали. Получается, что Клаузиус первым заявил: мир, каким мы его знаем, не может быть вечным, вечный мир – мертвый мир. И он был прав.
В 19 веке был обнаружен парадокс Ольберса: в стационарном вечном мире всё небо должно иметь светимость такую же, как поверхность Солнца. Этого нет – значит, мир либо конечен во времени, либо в пространстве, либо и то, и другое.
В начале 20 века питерский математик Фридман обнаружил при анализе уравнений ОТО, что мир не может быть стационарным: он должен либо расширяться, либо сжиматься. Эйнштейн (не без сомнений) признал правоту Фридмана, пытался спасти теорию, вводя дополнительные члены в уравнения – и не преуспел. Вселенная Э. оставалась неустойчивой.
В 20-х, кажется, годах Эдвин Хаббл, анализируя спектры далеки цефеид, обнаружил, что мир и в самом деле расширяется.
Позже Георг Гамов, используя, в том числе, и термодинамику, показал, каким могло быть начало мира: оно должно было быть очень горячим. Из теории Гамова следовало, что водород должен быть самым распространенным элементом во вселенной, второй же – гелий, третий – литий. Это соответствовало действительности. Другой вывод Гамова: должно существовать изотропное микроволновое излучение с длиной волны около 2 см. Это излучение тоже было обнаружено Пензиасом перед второй мировой.
Вот так из термодинамики и из «ошибочных» взглядов Клаузиуса выросла и термодинамика, и космология. Многие считают, что-де Клаузиус был чуть ли ни реакционером. Точно так же относятся к Менделееву, который критически относился и к теории электролитов Аррениуса, и к первым результатам изучения радиоактивности. Но более полное ознакомление с вопросом показывает, насколько прав был Менделеев: именно он чрезвычайно точно указал недостатки тогдашних работ и задал направления. В частности, вся нынешняя электрохимия развивалась в преодолении проблем, на которые указывал Менделеев.
Два вывода:
1) Термодинамика - мощный инструмент познания мира, законы термодинамики опираются на опыт, точны и исключений, ограничивающих их применимость, не известно.
2) Мы часто неверно принимаем за заблуждения взгляды великих. Из этих «заблуждений» и с опорой на них выросло современное знание.

Алексей Степанов 5   25.12.2019 17:47   •   Заявить о нарушении