Лорд Кельвин. Классическая термодинамика

Томсон доказал, что «любая теория движущей силы тепла основывается на двух следующих пропозициях, которым мы обязаны, соответственно, Джоулю и Карно с Клаузиусом»:

«Проп. 1 (Джоуль). Когда равные величины механического эффекта производятся любой средой из любых тепловых источников или теряются в чисто тепловых эффектах, те же самые величины тепла исчезают или производятся.

Проп. 11 (Карно и Клаузиус). Если когда машина работает в обратную сторону, все механические и физические средства каждой части ее движений обратимы, то она производит из заданного количества теплоты такой же механический эффект, какой может произвести любая термодинамическая машина, с теми же самыми температурами источника и охладителя».

Первая из этих двух пропозиций — не что иное, как первое начало термодинамики, закон сохранения энергии: при любом, полном или частичном, преобразовании тепла в работу или наоборот сумма обеих величин остается постоянной. Однако Томсон не первым сформулировал этот закон. В том или ином виде его провозглашали многие исследователи, и никто не сомневался в его справедливости. Возможно, имеет смысл выделить двоих. Во-первых, это Джоуль, доказавший этот закон своими экспериментальными исследованиями. Во-вторых, это немецкий врач и физик Герман фон Гельмгольц (1821-1894), в 1847 году опубликовавший работу «О сохранении силы», в которой он на самом деле изучал сохранение энергии. (Понятия силы и энергии в то время четко не разделялись.)

Когда ты сталкиваешься с трудностью, ты стоишь на пороге открытия.

Уильям Томсон

Отправной точкой для фон Гельмгольца было отрицание возможности вечного движения, и он выдвинул гипотезу о том, что сумма всех энергий Вселенной (которую он считал конечной) постоянна. Более того, когда какая-то часть одного из видов энергии исчезает, это происходит потому, что она трансформируется в другой тип энергии в равнозначном количестве.

Фон Гельмгольц уже давно оставил теорию теплорода и не рассматривал теорию Карно. В своих работах он применял правила сохранения энергии не только для термодинамики, но и для механики, электростатики и магнетизма.

Вторую пропозицию Клаузиус, первенство которого в ее установлении Томсон полностью признал, доказал на основе следующей аксиомы: «Невозможно, чтобы машина, которая работала бы сама, без помощи какого-либо внешнего средства, переносила тепло от одного тела к другому при более высокой температуре». Томсон, в свою очередь, провозгласил аксиому в измененном виде: «Невозможно посредством какого-либо неодушевленного материального средства получить механический эффект из какой-либо порции материи, охлаждая ее ниже температуры самого холодного из окружающих объектов».

Некоторые авторы указывают на то, что эта последняя пропозиция является вторым началом термодинамики, но относительно этого существуют разногласия. На современном языке формулировка этого начала звучит следующим образом: изменение энтропии термически изолированной системы, которая переходит из одного состояния в другое, всегда больше или равно нулю. Когда процесс, которому следует система, обратим, ее энтропия не меняется; когда он необратим, энтропия растет. В физике обратимым называется процесс (идеальный), в котором система эволюционирует от одного равновесного с окружением состояния (теплового, механического и химического) в другое, проходя через бесконечную последовательность промежуточных равновесных состояний.

Термин «энтропия» был введен Клаузиусом в 1865 году. С его помощью ученый обозначил величину, использованную в предыдущих работах и соответствующую отношению между теплом, входящим в тепловую машину (или выходящим из нее), и абсолютной температурой, при которой происходит поглощение или выброс тепла. Ранкии в 1850 году и Томсон в 1852 году использовали понятия, очень похожие на энтропию Клаузиуса. Энтропия позволяет определить количество тепла (энергии), которое не может быть использовано для производства работы, и ее постоянный рост в необратимых процессах. Следовательно, это другой способ увидеть рассеяние полезной энергии, свойственной этому типу процессов.