Вселенная погибнет от холода. Больцман. Термодинамика и энтропия. - Eduardo Perez

Чтобы придать форму своей машине, Карно потребовались все знания того времени: закон Гей-Люссака говорил о том, что газ будет расширяться при нагревании; теория теплорода указала, что тот может течь только от теплого источника к холодному и что, кроме того, тепло не может возникнуть из ничего или попутно потеряться. Понадобились десятилетия на то, чтобы выводы Карно были использованы для усовершенствования двигателей, но они заложили основы термодинамики.

Второе начало термодинамики претерпело многочисленные изменения от первоначальной формулировки Карно до формулировки, предложенной Больцманом, намного более утонченной. В понимании Карно оно гласило, что у любого двигателя есть предел, и что существует теоретический предел эффективности, которого в любом случае нельзя достичь. Эта идея привела к понятию необратимости: так или иначе, при сжигании угля для приведения двигателя в действие теряется что-то, что никогда нельзя будет восстановить.

Понятие необратимости напрямую связано с направлением, в котором движется время: различие между прошлым и будущим задано процессами, которые нельзя повернуть вспять.

Например, разбитый стакан нельзя восстановить из осколков. Больцман доказал, что понятие необратимости на самом деле является вероятностным, то есть среди законов Вселенной нет ничего, что мешало бы стакану восстановиться из его осколков. Однако вероятность того, что это случится, чрезвычайно мала, именно поэтому процессов с такими характеристиками никогда не наблюдается. Из-за путаницы в терминах «невозможность» и «невероятность» многие современники неправильно поняли Больцмана и яростно противостояли его предложению.

Николя Лаонар Сади Карно.

Французский инженер выяснил, что существует верхний предел производительности паровой машины, который задан производительностью его машины: любая настоящая машина будет иметь производительность меньшую, чем эта величина (из этого результата будет выведено так называемое «второе начало термодинамики», которому Больцман придал его современную выразительность). Ответ на первый вопрос Карно: количество работы, которую можно получить от источника, ограничено, и его верхний предел задан соответствующей машиной Карно.

Второе открытие Карно заключалось в том, что производительность машины зависит только от двух факторов: температур обоих источников. Чем больше разница, тем больше производительность; при равных температурах производительность равна нулю. И вот ответ на второй его вопрос: замена водяного пара другим материалом не влияет на производительность.

До последнего удара по теплороду оставалось еще 40 лет, и его нанес английский физик Джеймс Прескотт Джоуль (1818- 1889), который не только доказал соответствие между теплом и работой, но и заложил необходимые основы для провозглашения так называемого «закона сохранения энергии». Этот закон настолько важен, что без него нельзя понять науку XX века. Ни работа Больцмана, ни Эйнштейна, ни любого физика после 1870 года не стала бы возможной без открытия Джоуля.

Джоуль не был ни инженером, ни ученым, он владел пивным заводом. Долгое время его работа рассматривалась остальным научным сообществом как любительская и не воспринималась всерьез. Однако материал, находившийся в его распоряжении, позволял ему ставить эксперименты с большей точностью, чем обычно в то время, и благодаря полученным им результатам он и известен нам сегодня.

Интересы Джоуля сосредоточивались на понятии работы, которая тогда определялась как способность поднять груз на определенную высоту. Джоуль изучал различные способы производства работы, включая простые гальванические элементы и топливо из различных веществ. Он быстро заметил, что температура проводника увеличивается, если по нему течет ток, что было сложно объяснить теорией теплорода. Факт, что тот же элемент, который используется для нагревания медной нити, может использоваться также и для создания движения с помощью электрического мотора, привел его к выводу, что тепло и работа — это два аспекта одного и того же явления. Зная, что его предложение встретит явное неприятие со стороны научного сообщества, он решил доказать его со многих позиций. С 1841 по 1850 год Джоуль осуществлял всевозможные измерения соответствия между работой и теплом, пользуясь различными методами. Поскольку он получил практически идентичные результаты, его утверждение, что тепло — это всего лишь другой вид энергии, было сложно оспорить.

Джоуль провел несколько лет, исследуя электрические явления, для чего у него имелся арсенал инструментов. Среди них гальванометр (который измеряет ток), улучшенный им самим. Неудивительно, что первое измерение отношения между теплом и работой он осуществил с помощью электромагнита. Тот погружался в воду и начинал вращение при воздействии другого, внешнего магнита. Вычисляя энергию, необходимую для поддержания вращения электромагнита, Джоуль выяснил, что для увеличения на один градус по Фаренгейту температуры одного фунта воды необходима работа, соответствующая поднятию груза весом 838 фунтов на один фут высоты.

Схема экспериментального устройства Джоуле: груз падает на расстояние z, заставляя вращаться лопасти в воде.

Несмотря на то что он продолжал совершенствовать эти измерения всю свою жизнь (для чего он прибегнул к неоценимой помощи Уильяма Томсона), эксперимент, благодаря которому его помнят, — это четвертый поставленный им эксперимент (см. рисунок). В нем груз, падающий с некоторой высоты (z), использовался для того, чтобы привести в движение маховик с лопастями в цилиндре, заполненном водой. Измерялось увеличение температуры и сравнивалось с работой, осуществленной в данном случае силой тяготения. Полученный здесь результат составил 819 фунтов на фут.

Работа Джоуля стала ключевой для его друга Уильяма Томсона (позже известного как лорд Кельвин), исходившего из предположений Джоуля, чтобы прийти к определению температуры, носящей его имя.

Уильям Томсон (1824-1907) проявил свой большой талант еще в детстве.

В десять лет он поступил в университет Глазго, хотя по тем временам это было вполне нормально: университеты стремились привлечь подающих надежды молодых людей в раннем возрасте. Маленький Уильям имел большие способности к математике и физике, во многом благодаря поддержке своего отца Джеймса, который был математиком.

Его одаренность не ограничивалась этим: в двенадцать лет он получил премию за перевод с латинского на английский «Разговоров с богами» Лукиана Самосатского. В четырнадцать лет он уже выполнял работы университетского уровня. Через некоторое время после выпуска стал лауреатом премии Смита, которой Кембриджский университет каждый год награждал самый оригинальный проект по физике и математике. При этом Роберт Лесли Эллис (1817-1859), известный изданием работы Фрэнсиса Бэкона (1561-1626), сказал одному из членов комиссии: «Мы с вами едва ли достойны того, чтобы затачивать ему карандаши».

Томсон работал с обычным инструментом для своего времени, газовым термометром, который никоим образом его не удовлетворял. Аппарат основывался на законе Гей-Люссака, согласно которому объем газа увеличивается пропорционально температуре. Проблема Томсона с газовым термометром заключалась в том, что тот определял температуру в зависимости от свойств используемого вещества. Несмотря на то что в практических целях это было приемлемо, факт отсутствия строгого определения температуры, не зависящего от специфических свойств, оставался камнем преткновения.

В 1848 году Томсон предложил определение, основанное на величине работы, осуществленной теплопередачей и напрямую связанной с циклом Карно. Он определил температурную шкалу как шкалу, в которой половина тепла, переданного от тела температуры Ттелу с более низкой температурой, будет давать ту же величину работы. Если два любых вещества имеют температуру с разницей в один Кельвин и обмениваются единицей тепла, то работа, осуществленная этим теплом, та же, какой бы ни была температура, в которой находятся эти вещества. Температура по Кельвину обозначается буквой К, то есть 100 К — это 100 кельвинов. Градусы Кельвина располагаются так же, как и градусы Цельсия, с единственной разницей — положение нуля. Увеличение градуса Кельвина соответствует увеличению градуса Цельсия.

Одно из следствий принятия шкалы Кельвина — выявление абсолютного нуля температуры: -273,15°С, что соответствует 0 К. Новая температура математически выражалась в виде пропорции между поглощенным и испущенным теплом тела, находящегося между двумя источниками: раз минимальное количество поглощенного тепла равно нулю, минимальная температура также должна быть равна нулю. На сегодняшний день самая низкая когда-либо достигнутая температура равна 5 • 10-10 К выше абсолютного нуля.