Холодильник Эйнштейна

Такого быть не может. Теплота никогда не перемещается из холодной зоны в горячую, не подвергаясь воздействию силы, то есть не расходуя некоторое количество работы. Самопроизвольное естественное перемещение теплоты всегда происходит в обратную сторону, из горячей зоны в холодную. Существование сверхидеального двигателя невозможно, поскольку оно предполагает нарушение этого закона.

Итак, Клаузиус подтвердил догадки Карно. Француз сделал верный вывод, что максимальное количество работы, которое можно получить при заданном количестве теплоты, определяется температурой нагревателя и охладителя. Оно не зависит от рабочего вещества и конструкции двигателя.

Гипотеза Карно также находит подтверждение, если принять и закон сохранения энергии, и принцип, в соответствии с которым теплота никогда самопроизвольно не перемещается из холодной зоны в горячую.

Таким образом, в своей статье Клаузиус сделал важнейший вывод, что поведение теплоты определяется двумя принципами, которые сегодня называются первыми двумя началами термодинамики. Они таковы.

Первое начало: хотя теплоту и работу можно преобразовывать друг в друга при постоянном “обменном курсе”, открытом Джоулем, общее количество теплоты и работы остается неизменным. (Это закон сохранения энергии в применении к теплоте и работе.)

Второе начало: теплота никогда самопроизвольно не перетекает от холодного к горячему.

Формулировка двух этих утверждений ознаменовала рождение новой области науки.

* * *

Статью Клаузиуса приняли хорошо. После публикации его назначили профессором физики Королевской артиллерийской и инженерной школы в Берлине. Через несколько недель статья была переведена на английский язык. Летом 1850 года, читая ее в Глазго, Томсон, должно быть, испытывал смешанные чувства. С одной стороны, Клаузиус признавал роль Томсона в привлечении внимания научного сообщества к идеям Карно и Джоуля. С другой стороны, загадку, над которой Томсон бился два года, решил другой человек. Несколько месяцев спустя Томсон опубликовал собственный вывод второго начала Клаузиуса.

Хотя Клаузиус и Томсон никогда не встречались, печатаясь в научных журналах, они в некотором роде вместе работали над установлением природы теплоты, закладывая прочный фундамент для новой науки. Они вместе проложили путь к тому, чтобы показать, что термодинамика имеет применение не только в паровых машинах.

Первым и одним из самых важных шагов в этом направлении стала статья Томсона, опубликованная в апреле 1852 года. Как и Джоуль, Томсон видел в поведении теплоты руку Творца. В первом начале термодинамики, законе сохранения энергии, Джоуль упомянул о “великих силах природы”. Во втором начале Томсон разглядел Божий план для судьбы космоса.

Стоит рассказать, в каких условиях Томсон работал над этой статьей.

Хотя Глазго стремительно развивался на фоне промышленного подъема, страданий тоже было немало. Великий голод в Ирландии привел в город почти 100 тысяч нищих беженцев. Из-за голода, антисанитарии и примитивного уровня здравоохранения начались эпидемии. От болезни не был застрахован никто. В начале 1847 года младший брат Томсона Джон заразился тифом в больнице, где изучал медицину, и умер неделю спустя. За тифом последовала холера, и не прошло и двух лет, как ее жертвой пал отец Томсона, который вошел в число более 4000 горожан, умерших от болезни в тот год. Вскоре после второй утраты молодая Сабрина Смит ответила на предложение Томсона отказом.

Чувствуя себя несчастным и отвергнутым, Томсон в 1852 году написал статью “О проявляющейся в природе общей тенденции к рассеянию механической энергии”. Теперь он явно думал не только о паровых машинах.

Четырьмя годами ранее в статье о Карно Томсон рассуждал о том, что происходит с железным стержнем, раскаленным докрасна с одной стороны и холодным с другой. Теплота перемещается от горячего конца к холодному, пока температура стержня не выравняется. Томсон спрашивал, что происходит с работой, которую такой же тепловой поток мог бы произвести в паровой машине?

Теперь, в 1852 году, Томсон нашел ответ. Начальная разница температур между разными концами стержня не преобразуется в работу, а просто “рассеивается”. Она бесполезна. Томсон подчеркнул, что по закону сохранения энергии теплота не уничтожается, но в процессе перераспределения, переставая быть сосредоточенной в одном конце стержня, она теряет потенциал для выполнения работы.

Следовательно, железный стержень, температура которого постепенно выравнивается, можно считать тепловым двигателем с нулевой эффективностью. В идеальном двигателе часть теплоты преобразуется в работу, а другая часть рассеивается. В железном стержне рассеивается вся теплота. В обоих случаях потерянную теплоту невозможно использовать для производства работы.