100 великих научных открытий

Вопрос трансформации энергии очень интересовал и немецкого физиолога Германа Гельмгольца (1821–1894). Сначала Гельмгольц исследовал взаимные преобразования потенциальной энергии, которую тело получает благодаря своему расположению в пространстве, и кинетической энергии движения, а также выделение тепла в процессе этих превращений. Затем ученый занялся тепловыми свойствами электротока — в частности, подсчитал, сколько энергии генерирует конденсатор в заряженном состоянии, а главное — обнаружил нагревание проводника при разряде. После этого Герман поместил в силовое поле замкнутой электроцепи магнит и увидел, что тот начал двигаться, то есть у него появилась кинетическая энергия. Кроме того, за определенный период времени батарея произвела работу, представляющую собой произведение силы тока, электродвижущей силы и временнóго интервала, а проводник выделил тепло, количество которого равнялось произведению силы тока, времени и двойного сопротивления.

Увы, в то время наука еще была не готова принять открытия Гельмгольца, но постепенно ученые все же оценили важность его исследований, и в середине XIX в. закону сохранения и превращения энергии дали почетный титул базового закона природы, объединяющего все физические явления. Позже У. Томсон, Р. Клаузиус и У. Дж. Ренкин углубили теорию Карно, Майера, Джоуля и Гельмгольца, и научный мир навсегда отказался от идеи «невесомых материй».

Второй закон термодинамики

С открытием первого закона термодинамики стало ясно: все тела, что бы с ними ни происходило, постоянно обмениваются энергией, которая при этом трансформируется из одного вида в другой. Однако в данном законе и слова нет о том, что такие превращения могут быть как обратимыми, двусторонними, так и направленными в одну сторону. Почему упавшая книга, ударившись о пол, не подпрыгивает — ведь по идее она должна была бы нагреть половицы, и их тепловая энергия, перейдя в потенциальную, подтолкнула бы книгу вверх? Почему горячий чай остывает, передавая тепло воздуху, но сам после этого уже не нагревается? Почему качели, если их толкнуть один раз, постепенно останавливаются? Согласно первому закону термодинамики, механическая энергия качелей переходит в тепловую, и нагретый воздух снова сообщает им энергию движения ― но в реальности так не происходит…

Ответ на эти вопросы дает второй закон термодинамики: не все виды энергии склонны к взаимным превращениям — невозможно заставить два тела обмениваться теплом бесконечно.

Первым, пусть и несознательно, на это указал французский ученый Сади Карно, которому принадлежит честь открытия основного закона сохранения энергии. Карно считал, что все энергетические трансформации происходят абсолютно без потерь, но во время проектирования идеальной тепловой машины выяснил: наибольший коэффициент ее полезного действия ничтожно мал — всего-то 8 %, а с учетом отдачи тепла в воздух и вовсе процента два. Для вычисления КПД ученый определил температуру нагревательного и охлаждающего элементов (в кельвинах), вычел вторую из первой, а затем разделил на показатель нагревателя. Полученная формула впоследствии легла в основу второго начала термодинамики и значительно помогла оптимизировать работу многих машин.

Карно рассудил, что для повышения КПД нужно поднять температуру нагрева, и предложил задействовать в качестве рабочего тела турбин не только водяной пар, но и газ. Это помогло, но добиться стопроцентного результата не получилось. Разогретый до 800 К (527 °C) газ охлаждался затем до 300 К (26 °C), однако максимально возможный выход составлял не более 60 %: слишком много тепла расходовалось впустую.

Карно не смог раскрыть причин таких энергопотерь, зато его выводы насчет того, что эффективность работы и коэффициент полезного действия тепловой машины зависят от величины перепада температур, заинтересовали английского физика Уильяма Томсона (1824–1907) и немецкого ученого Рудольфа Клаузиуса (1822–1888). Оба поняли, что в тепловой теории зияют дыры, и решили провести собственное исследование термических процессов.

Первым итогом этих изысканий стала работа Клаузиуса «О движущей силе теплоты», где ученый внес поправку в утверждение, что определенное количество тепла может совершить соответствующее количество механического движения. Поправка повторяла заключение самого Сади Карно: тепло способно двигать что-либо только в том случае, если оно передается от горячего предмета холодному. Клаузиус считал, что это вполне естественно, ведь в природе только нагретые объекты делятся своим теплом с окружающими и остужаются, а холодные тела сами по себе ничего не отдают. «Сами по себе» было важным уточнением, по мнению ученого, ведь нам вполне по силам «вынудить» холодный предмет понижать температуру теплого, просто этот процесс потребует некоторой «компенсации».