Рис. 12. С. Карно
Для того чтобы отделить в рассуждениях Карно истину от ложных концепций, потребовались исследования, которые были проведены учёными следующего поколения. Одним из исследователей, внёсших наибольший вклад в развитие термодинамики, был Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889), в честь которого названа единица измерения энергии. Проведённые им эксперименты подтвердили, что теплота в физических процессах не сохраняется. Путём точных измерений Джоуль количественно показал, каким образом работа переходит в теплоту, и вычислил механический эквивалент теплоты. Он также определил количество теплоты, которая выделяется при прохождении электрического тока через проводник (закон Джоуля – Ленца). Работы Джоуля показали, что теплота не является особым веществом, и послужили основой для введения в физику понятия энергии и открытию закона её сохранения.
Другому британцу, Уильяму Томсону (1824–1907), более известному под именем лорда Кельвина, удалось объединить, казалось бы, противоречащие друг другу представления Карно и Джоуля. Он предположил, что за результатами их экспериментов скрываются два закона природы и что кроме вещества в физических процессах сохраняется ещё одна физическая величина, которая впоследствии получила название энергии. В результате исследований Кельвина фактически родилась термодинамика. В его честь названа единица измерения абсолютной температуры.
К числу создателей термодинамики следует причислить и Рудольфа Клаузиуса (1822–1888), который не только уточнил выводы Карно и отказался от теории теплорода, но и попытался объяснить природу теплоты на основе поведения частиц, из которых состоит вещество. Тем самым он, c одной стороны, вернулся к представлениям XVII в., но на новой основе, а с другой – заложил основу современного подхода к термодинамике.
Ключевую роль в термодинамике играет закон сохранения и превращения энергии, который был обоснован и сформулирован в 1842 г. немецким врачом Юлиусом Робертом Майером (1814–1878), а в 1847 г. в более строгой и детальной форме – Г. Гельмгольцем. Интересно, что к мысли о сохранении энергии оба исследователя пришли, проводя опыты не на физических, а на биологических объектах.
1. Какие три составные части обязательно входят в состав тепловой машины?
2. В чём заключается значение исследований Джоуля?
3. Кто обосновал и сформулировал закон сохранения энергии?
Прочитайте эпиграф к параграфу. Почему, по мнению Вальтера Нернста, карпы «находятся в термодинамическом равновесии с окружающей средой»? Каких ещё животных мог бы разводить автор третьего начала термодинамики, чтобы не «обогревать на свои деньги мировое пространство»?
§ 6 Законы термодинамики
Неразбериха в обществе постоянно возрастает. Только очень упорным трудом можно её несколько уменьшить. Однако сама эта попытка приведёт к росту совокупной неразберихи.
Второй закон термодинамики Эверита.
Термодинамика строится на нескольких основных законах, называемых началами термодинамики. Из трёх существующих начал термодинамики мы познакомимся с двумя. Первое начало термодинамики представляет собой по существу уже известный нам закон сохранения энергии. Сегодня понятие энергии прочно вошло в нашу жизнь, и нам очень трудно представить, какие интеллектуальные усилия потребовались создателям термодинамики для того, чтобы сформулировать это понятие. Впрочем, тему сохранения энергии мы уже обсуждали раньше и не будем к ней возвращаться, а сосредоточим своё внимание на вопросе свободной и связанной энергии.
Эти понятия рассматривают в связи со вторым началом термодинамики, которое определяет необратимость происходящих в природе естественных процессов. Второе начало имеет много формулировок, одной из которых, самой простой и доступной пониманию, является формулировка, предложенная Р. Клаузиусом: «Невозможен самопроизвольный переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому». Проявление этого закона в повседневной жизни достаточно очевидно. Если поставить на стол чайник с кипятком, то вода в нём будет остывать, отдавая тепло окружающему воздуху, который при этом будет немного нагреваться. Передача теплоты будет продолжаться до тех пор, пока температуры воды в чайнике и воздуха в комнате не сравняются, после чего теплообмен прекратится. Однако невозможно представить, чтобы вода в чайнике закипела только за счёт того, что окружающий воздух немного охладился. При этом второе начало не утверждает, что переход теплоты от более холодного тела к более нагретому вообще невозможен, оно говорит только о том, что этот процесс не может происходить самопроизвольно. Возьмём обычный домашний холодильник. Его работа заключается именно в том, что он забирает теплоту из внутренней камеры и отдаёт её более тёплому окружающему воздуху. Но для того, чтобы это сделать, он должен получать энергию из внешнего источника – электрической сети. Перестаньте подавать в холодильник электроэнергию, и, как бы ни хороша была его теплоизоляция, рано или поздно температура в его камере сравняется с температурой воздуха в комнате.
Представим себе, что существует тепловая машина, состоящая из нагревателя, холодильника и рабочего тела. Машина является изолированной системой, т. е. ниоткуда не получает энергию и не отдаёт её внешней среде. Теплота переходит от нагревателя к холодильнику, заставляя рабочее тело совершать работу. Но в процессе этой работы количество теплоты в нагревателе, а следовательно, и его температура уменьшаются, а в холодильнике соответственно увеличиваются. Когда они сравняются, теплообмен прекратится, и работа в машине станет невозможна. Куда израсходовалась энергия, с помощью которой совершалась работа? Поскольку система изолирована, она никуда не могла исчезнуть, её количество осталось прежним, но она перешла из свободного состояния в связанное. Почему так получилось?
Рис. 13. Тепловая электростанция
Потому что в системе исчезла разница температур. Средняя кинетическая энергия молекул рабочего тела осталась прежней, но, поскольку температуры нагревателя и холодильника сравнялись, в движении молекул исчезла всякая направленность, оно стало беспорядочным, хаотичным. А между хаотичностью движения молекул и связанностью энергии существует прямая связь. Для того чтобы обладать свободной энергией, молекулы должны двигаться преимущественно в одном направлении, а для этого между частями системы должно существовать какое-либо различие. Чем больше это различие, тем эффективнее работает машина. При любом процессе часть свободной энергии передаётся окружающим молекулам и вызывает их хаотическое тепловое движение. Поэтому вся имеющаяся в машине свободная энергия не может быть превращена в полезную работу – часть её перейдёт в беспорядочное движение молекул и будет навсегда потеряна для практических целей. Степень этой потери определяется коэффициентом полезного действия(КПД) машины, который выражает отношение полезной работы к затраченной энергии. Этот коэффициент, даже теоретически, в идеальных машинах, не может достичь 100 %, а в реально существующих механизмах он значительно меньше. Так, КПД современных тепловых электростанций и двигателей внутреннего сгорания не превышает 50 % (рис. 13). В самых эффективных из существующих двигателей – мощных динамомашинах (генераторах), где электрическая энергия производится непосредственно из механической и где почти не происходит тепловых потерь, КПД может достигать 95 % (рис. 14).
Поэтому второе начало термодинамики в формулировке Кельвина выглядит так: «Невозможен процесс, единственный результат которого состоял бы в поглощении теплоты от нагревателя и полного преобразования этой теплоты в работу».
Рис. 14. Генератор постоянного тока (Музей электрических станций. Джорджтаун, Вашингтон) (автор фото Дж. Мейбл)
Теплоту невозможно просто отобрать у нагревателя, какое-то её количество надо обязательно передать холодильнику. А это значит, что холодильник должен получить свою долю энергии и именно на эту долю энергии уменьшится совершаемая работа. Из этого ни в коем случае не следует, что невозможен обратный процесс – полное преобразование других видов энергии в теплоту. При торможении автомобиля его кинетическая энергия полностью переходит в теплоту, что проявляется в нагревании покрышек, тормозных колодок и дороги при скольжении на тормозном пути. Однако заставить автомобиль двигаться, охладив все эти разогретые предметы, невозможно. Процесс рассеивания энергии протекает только в одном направлении. Таким образом, второе начало термодинамики утверждает, что в природе существует фундаментальная асимметрия: все природные процессы приводят к увеличению теплового движения молекул, т. е. к постепенному переходу энергии из свободного состояния в связанное. Обратный самопроизвольный процесс невозможен, и, для того чтобы увеличить в системе запас свободной энергии, требуется подвести её откуда-либо извне, допустим, из некой системы X, т. е. совершить над нашей системой работу. Однако в процессе извлечения работы из системы Х часть её свободной энергии превратится в энергию хаотического движения молекул, т. е. опять станет связанной энергией. В результате суммарная свободная энергия нашей системы и системы Х уменьшится, а их общая связанная энергия возрастёт. Мы можем добавлять последовательно новые источники свободной энергии – «систему Y», «систему Z» и т. д. – результат будет тот же: суммарная свободная энергия этих систем будет уменьшаться, а их связанная энергия – возрастать. Поэтому можно сказать, что второе начало термодинамики утверждает, что все природные процессы постепенно переходят из упорядоченного состояния к хаотическому.
Если первое начало термодинамики, или закон сохранения энергии, запрещает существование