Холодильник Эйнштейна

Холодильники, особенно домашние, эксплуатируют физику фазовых переходов. В качестве хладагентов в них используются летучие вещества, которые кипят на низкой температуре около 4 °C. За внутренней стенкой холодильника находится сеть трубок, называемая испарителем. Внутри нее хладагент испаряется, забирая теплоту из устройства при постоянной температуре 4 °C. Но если учесть, что теплота никогда самопроизвольно не движется из холодной зоны в горячую, то как в таком случае заставить новый газ-хладагент, температура которого составляет всего 4 °C, испускать теплоту в окружающую среду, где обычно гораздо теплее — как правило, на 20 °C?

Для этого хладагент пропускают через устройство, называемое компрессором, которое представляет собой противоположность цилиндру паровой машины. В цилиндре теплота преобразуется в работу при расширении газа. В компрессоре работа преобразуется в теплоту при сжатии газа. Когда таким образом накапливается достаточно теплоты, чтобы температура пара хладагента оказалась гарантированно выше температуры комнаты, теплота запускается в конденсатор — сеть трубок на задней стенке холодильника. Там пар испускает в окружающую среду теплоту, которая была внутри холодильника, а также теплоту, созданную в компрессоре. Поднесите руку к задней части холодильника — и вы ощутите эту совокупную теплоту.

Когда конденсатор испускает теплоту, в нем происходит очередной фазовый переход: хладагент превращается обратно в жидкость. Но его температура довольно высока и равняется температуре в комнате. Чтобы процесс охлаждения продолжался, температура хладагента должна снова снизиться до 4 °C, прежде чем он сможет вернуться в испаритель. Для этого жидкий хладагент проходит сквозь крошечный клапан, называемый терморегулирующим вентилем. Когда хладагент подается сквозь этот вентиль, его давление и температура падают, после чего он готов для возвращения в испаритель.

Благодаря компрессору холодильник подчиняется второму началу термодинамики. Теплота выходит из холодильника, уменьшая энтропию внутри устройства. Но в качестве компенсации общее количество теплоты, выходящее из конденсатора, увеличивает энтропию комнаты. Таким образом, мы платим за небольшое пространство уменьшенной энтропии у нас на кухне повышением скорости, с которой увеличивается энтропия Вселенной.

* * *

В 1873 году Гиббс не догадывался, к каким эпохальным сдвигам приведут его статьи. Скромный и непритязательный, он отправил свою работу в малоизвестный журнал Transactions of the Connecticut Academy of Arts and Science (“Труды Академии искусств и наук Коннектикута”), который не читали за пределами Йеля. Более того, поскольку статьи Гиббса были длиннее стандартных публикаций в Transactions и содержали математические формулы, стоимость их верстки превышала бюджет журнала. Чтобы покрыть расходы, редакционный совет обращался за пожертвованиями к другим преподавателям и местным бизнесменам. Один из членов совета, Э. Э. Веррил, впоследствии вспоминал, что на заседаниях велись долгие споры о значимости работ Гиббса, хотя никто в совете не понимал их сути. “И все же мы все верили, что написанное Гиббсом обладает истинной ценностью в его области науки. В связи с этим мы изыскивали средства и публиковали каждую статью в первоначальном виде”.

Глава 11

“Страшная туча”

Я прекрасно сознаю, что я всего лишь человек, который бессильно борется с течением времени.

Людвиг Больцман

Пока Гиббс писал статьи, Людвиг Больцман нашел в Граце человека, с которым мог обсуждать свои идеи. В мае 1873 года он познакомился с девятнадцатилетней Генриеттой фон Айгентлер, которая готовилась стать школьной учительницей. Обладательница длинных светлых волос и голубых глаз, она была на десять лет младше Больцмана и сблизилась с ним отчасти из общего интереса к науке. За год до этого знакомства она посещала лекции по физике в Университете Граца, хотя женщины в Австрии не имели права на высшее образование. Она проучилась лишь один семестр, после чего всех женщин исключили из университета, поскольку их присутствие якобы не позволяло мужчинам сосредоточиться на деле. Не дрогнув, фон Айгентлер подала прошение министру образования и получила характеристики от благосклонно настроенных преподавателей. Такая настойчивость дала ей возможность еще один семестр посещать лекции.