Холодильник Эйнштейна

Хотя в то время Гиббсу-младшему было всего два года, он вырос с пониманием, что математика служит универсальным языком. Впоследствии он использовал этот язык, чтобы распространить влияние и значимость начал термодинамики далеко за пределы истоков науки.

Как и многие его предшественники, Гиббс решил изучать термодинамику, поскольку не мог не обратить внимания на преобразующую силу паровых технологий. К середине XIX века Америка пережила бум железнодорожного строительства. Американская гражданская война, бушевавшая в 1863 году, когда Гиббс искал тему для своей диссертации, стала первым в истории конфликтом, в котором железные дороги играли главную роль в военной логистике, обеспечивая передвижение и снабжение войск. Итоговая победа Севера, как и победа Великобритании над Францией в Наполеоновских войнах, отчасти объяснялась более высоким уровнем развития паровых технологий. Гиббс написал диссертацию “О форме зубцов колес для зубчатой передачи”. После этого он подал заявку на патент на тормоз для железнодорожных вагонов.

Но прикладная наука не стала делом жизни Гиббса. В 1861 году его отец, Гиббс-старший, умер и оставил детям солидное состояние, включая ценные бумаги трех железнодорожных компаний Среднего Запада. Это наследство позволило Гиббсу и двум его сестрам отправиться в трехлетнее путешествие по Европе. Гиббс использовал поездку, чтобы раздвинуть свои научные горизонты. Хотя официально Гиббс не числился ни в одном европейском университете, он посещал лекции на разные темы — от абстрактной аналитической теории чисел до физики света, звука и тепла. В Гейдельберге он присутствовал на занятиях Германа Гельмгольца, который сформулировал закон сохранения энергии.

Вернувшись в Америку, Гиббс занял неоплачиваемую должность профессора математической физики в Йеле. Университет не давал ему жалованье, но Гиббс, к счастью, в нем не нуждался. Имея комфортный дом и богатое отцовское наследство, Джозайя Уиллард Гиббс готов был приступить к работе, которая увлекла его на десять лет.

* * *

Отцы термодинамики — Карно, Джоуль, Томсон и Клаузиус — считали, что их область науки занимается установлением взаимосвязи между теплотой и работой. Гиббс вывел термодинамику из столь узких рамок. Он показал, что все происходящее в материальном мире, от плавления твердых тел и кипения жидкостей до механизма химических реакций, подчиняется законам этой науки.

Но сначала научные амбиции Гиббса были весьма скромны. Он задался целью сделать недавно открытые законы более простыми для понимания. Его особенно тревожила концепция энтропии. Сам он понимал определение Томсона и Клаузиуса, которое гласило, что это мера рассеяния теплоты в любом веществе, но понимал ли его еще хоть кто-нибудь? “Понятие энтропии <…> несомненно, покажется многим надуманным и, возможно, даже оттолкнет начинающих”, — рассуждал он.

В первых двух научных статьях, опубликованных в 1873 году, Гиббс попытался решить эту проблему простым и логичным образом. Он нарисовал карты. Подобно тому, как географические карты позволяют нам мгновенно составить представление о рельефе, предложенные Гиббсом термодинамические карты показывают, как меняются свойства вещества при нагревании и охлаждении, растяжении и сжатии. Они демонстрируют начала термодинамики в действии в материальном мире.

Например, нагрейте воду в ковше на плите, измеряя ее температуру. Вы находитесь на уровне моря, а исходная температура воды составляет 20 °C. Она монотонно увеличивается по мере поступления теплоты в воду.

Затем начинается кипение. В ковше оказывается смесь воды и пара. Вы делаете важное наблюдение: температура перестала расти. Она остается на отметке 100 °C. Теплота от плиты продолжает передаваться ковшу, но это приводит к формированию пара, а не к дальнейшему нагреванию воды.

Когда вся вода превращается в пар, температура снова начинает повышаться.

Теперь представьте, что вы проводите аналогичный эксперимент в Ла-Ринконаде (Перу) — самом высокогорном городе в мире. Высота над уровнем моря там составляет 5100 метров, а атмосферное давление примерно вдвое ниже, чем на уровне моря. Вы заметите два отличия от эксперимента в первом месте: вода закипает при гораздо более низкой температуре, равной 83 °C, и дольше пребывает в форме водопаровой смеси. Дарвин обратил на это внимание, когда останавливался с ночевкой в Андах. Хотя картошка варилась всю ночь, к утру она была недостаточно мягкой для употребления в пищу.

Далее представьте, что происходит внутри скороварки. Крышка герметично закрывает кастрюлю, а потому при кипении воды направленное вниз давление пара на воду возрастает до двух атмосфер. Температура кипения воды повышается до 121 °C, но вода меньше времени пребывает в форме водопаровой смеси.

Как меняется температура воды при нагревании

Термодинамическая карта воды и ее состояний