100 великих научных открытий

Со своей стороны, Томсон выяснил, сколько энергии обычно участвует в преобразованиях и какое количество тепла нужно затрачивать на работу. В своих докладах ученый писал: если механической энергии нужно совсем немного, чтобы выделилось тепло, то тепловой для совершения работы понадобится гораздо больше. Одно тело попросту не способно выделить такое количество теплоты, которого хватит, например, на вращение вала турбины. Поэтому мечта о вечном двигателе, который работал бы безостановочно лишь с помощью теплоты из воздуха, нереальна.

Двигаясь в том же направлении, Клаузиус доказал теорему Карно, согласно которой эффективность идеальных тепловых машин, где все процессы обратимы и равновесны, зависит исключительно от разности температур в резервуарах нагревания и охлаждения. Исходя из этого, второй закон термодинамики ученый описал следующим неравенством: приведенное тепло (отношение количества теплоты, которое затрачивается на изменение состояния системы, к температуре, при которой это состояние может измениться) всегда меньше или равно нулю. При обратимых процессах одно тело отдает другому столько же тепла, сколько принимает, и система сама собой возвращается в первоначальное состояние. При необратимых нагретое тело отдает холодному больше тепла, чем принимает, и если механическая энергия полностью переходит в теплоту, то тепло уже не может полностью трансформироваться в энергию движения.

Данное заключение стало основой теории, что в замкнутых системах, куда не поступает тепло извне и откуда не выходит наружу, упорядоченная энергия движения стремится перейти в беспорядочную энергию тепла, вследствие чего растет мера неупорядоченности (энтропия).

Теорию энтропии развил австрийский физик Людвиг Больцман (1844–1906). В его теореме говорится, что энтропия растет по мере увеличения хаотичности, с которой перемещаются элементарные частицы, составляющие систему. И если система закрыта от всяких внешних воздействий, то сама по себе ее энтропия не снизится, поскольку частицам не хочется добровольно «наводить порядок». В качестве примера Больцман привел упорядоченную систему — лед, представляющий собой кристалл с четкой сеткой неподвижных молекул. В обычных условиях тепло разрушает связи между молекулами льда, и они начинают беспорядочно двигаться во всех направлениях — энтропия повышается, образуется вода. Однако при тех же условиях вода уже не кристаллизуется — для этого ее надо будет специально охладить, а значит, без стороннего вмешательства ее энтропия не уменьшится.

Клаузиус распространил эту теорию на всю Вселенную, предположив, будто макросистема постоянно теряет тепло, и в конце концов все температуры сравняются, процессы остановятся — наступит тепловая смерть. Вроде бы логичное предположение — ведь многие процессы в нашем мире если и не односторонние, то более масштабные в прямом направлении, нежели в обратном. (Взять хотя бы ту же брошенную на пол книгу или, скажем, разбитую вазу, которая не восстановится только благодаря выделенной при падении энергии.) Так что же, мир катится к своей гибели? Вряд ли. Во-первых, уже после открытий Клаузиуса было доказано, что Вселенная не является замкнутой системой — она постоянно расширяется. А во-вторых, наши знания о ней ничтожно малы, и любые прогнозы относительно ее будущего остаются лишь догадками.

Эхолокация и ультразвук

Изучение ультразвука началось в первой половине XIX в., когда военное руководство Англии и Франции, издавна враждующих за колониальное господство, задумалось о возможности передачи акустических сигналов на дальние дистанции под водой. Это значительно повысило бы эффективность морских военных операций, потому ученые всего мира наперегонки принялись экспериментировать с подводным распространением звуковых волн. Так, в 1826 г. швейцарский физик Жан-Даниэль Колладон (1802–1893) пронаблюдал, за какое время звон колокола, установленного на дне Женевского озера, одолеет расстояние 16 км сквозь толщу 8-градусной воды. Одновременно с ударом в колокол на берегу был подожжен порох, и спустя 11,3 секунды в подводной слуховой трубе Колладон услышал звук. Так ученый рассчитал, что скорость сигнала составила 1412 м/с.

В 1850-х американцы додумались с помощью звука исследовать поверхность дна Атлантического океана, чтобы сориентироваться, как прокладывать через океан кабель телеграфа. Звук исходил снова-таки от подводного колокола, а команда на корабле принимала сигнал через спущенные с палубы трубы. Увы, идея себя не оправдала: звон колокола оказался слишком тихим, и морской шум попросту заглушил его. Тогда ученые поняли, что обычные звуковые частоты для передачи сигналов под водой не подходят — нужно генерировать акустические волны с большей частотой, направляя их организованными пучками.