Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Но если можно повышать и понижать температуру газа не подводя и не отводя теплоты, то не должны ли существовать и такие процессы, в которых подвод и отвод теплоты не приводят к изменениям температуры? Такие процессы не только возможны теоретически, но каждый из нас сталкивается с ними ежедневно. Достаточно лишь взглянуть на чайник, стоящий на огне. Когда вода в нем начинает кипеть, температура перестает расти и сохраняется постоянной, хотя теплота к воде продолжает подводиться. Чтобы как-то объяснить это странное явление, шотландец Блек в XVIII веке ввел понятие «скрытой теплоты парообразования». Но, по правде говоря, трудно придумать что-нибудь менее скрытое, чем эта теплота. Когда при подводе теплоты температура тела остается постоянной, то есть когда процесс изотермический, — сильно увеличивается его объем, и вся подведенная к нему теплота превращается в механическую работу.

Вот теперь-то мы и можем оценить величие и гениальную проницательность Сади Карно. Во времена, когда ничего не было известно об энтропии и об ее связи с теплотой, работой и температурой, он сумел понять: чтобы в машине не было «ни одного изменения температуры, происходящего не от изменения объема», необходимо использовать в ней только изотермические и адиабатические процессы. Переведя это на современный язык, мы легко увидим, что означает это требование. По мнению Карно, в идеальной машине должно отсутствовать выравнивание температур путем непосредственного теплообмена, то есть теплообмена, не сопровождающегося соответствующим совершением механической работы…

Выходит, для построения — конечно, только воображаемого — идеальной тепловой машины не требуется ничего сверх того, что должно выполняться в обратимом мире. А именно: в ней не должно происходить непосредственного теплообмена между нагретыми и холодными частями и непосредственного превращения механического движения в тепловое. Таким образом, тепловая форма движения, будучи идеализирована, то есть очищена от необратимых процессов, оказывается ничуть не хуже других форм движения и вполне естественно и закономерно вписывается в картину обратимого мира.

Вот почему изучение теплового движения доставило ученым столько хлопот, недоумений и мороки, вот почему столько путаницы породил не очень четко определенный термин — теплород. Те ученые, которые исследовали необратимый процесс теплопроводности, получали убедительнейшие доказательства: теплород — неуничтожимая жидкость. Другие, изучая необратимое превращение механической работы в теплоту, получали не менее убедительные доказательства: теплород не жидкость, а вид движения и может быть получен в любых количествах. Наконец, третьи, сосредоточившие свое внимание на изучении обратимого превращения теплового движения в механическое, получали третий результат: при протекании идеальных — по-нашему, обратимых — процессов суммарное количество теплорода остается неизменным.

Зная разницу между работой, теплотой и энтропией, нетрудно истолковать эти опыты и показать: все были правы по-своему. Так, в процессах теплопроводности работа равна нулю, количество теплоты постоянно, а суммарная энтропия участвующих в процессе тел растет. При превращении работы в теплоту работа исчезает, теплота возникает, а суммарная энтропия тел, участвующих в процессе, растет. Наконец, в обратимых процессах преобразования теплоты в работу теплота исчезает, механическая работа возникает, а суммарная энтропия сохраняется постоянной. Таким образом, если ученые, занимавшиеся исследованием необратимых процессов, под термином теплород подразумевали теплоту, то Карно под этим словом подразумевал нечто сходное с энтропией, хотя, конечно, он и понятия о ней не имел. Тем не менее справедливо одно: если в трактате Карно слово теплород всюду заменить словом энтропия, справедливость всего в нем сказанного ничуть не пострадает…

Вот почему исследователи необратимых процессов были правы, когда говорили, что количество теплорода (читай теплоты) может оставаться постоянным в процессах необратимого теплообмена или безгранично возрастать за счет механической работы в процессах необратимого трения. Но и Карно был прав, когда утверждал, что теплород (читай энтропия) не исчезает в идеальной тепловой машине, а как бы перетекает с верхнего уровня на нижний. Разнобой в выводах свидетельствовал не о разнобое в природе вещей, а о разнобое в понимании термина теплород. Вот почему согласование опытов Джоуля и принципа Карно потребовало не перестройки теории теплоты до самых ее основ, чего так опасался Вильям Томсон, а выработки ясных и строго определенных научных понятий теплоты и энтропии.