Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Внутренняя энергия идеального газа не зависит от его давления — в справедливости этого фундаментального положения классической термодинамики Силач и Огнепоклонник убеждаются на собственном, опыте Чтобы выяснить, что важнее работа или теплота, они взяли устройство (А), состоящее из цилиндра с поршнем, изолированного снаружи с помощью надувной оболочки Внутри цилиндра — газ при атмосферной температуре и давлении Первым взялся за дело Силач Он нажал изо всех сил на поршень и с помощью механической работы сжал газ, повысив одновременно и его температуру, и его давление (Б). Но Огнепоклонник не растерялся тонкой иглой он проколол теплоизолирующую оболочку Нагретый при сжатии газ охладился до атмосферной температуры и отдал при этом в окружающую среду ровно столько теплоты, сколько Силач затратил работы на его сжатие (В). А раз так, то внутренняя энергия газа в положении А и в положении В одна и та же, хотя во втором случае давление газа выше.

Увидев лежащий на краю пропасти камень, мы говорим: в нем есть запас потенциальной энергии. Если сбросить его с высоты на дно пропасти, он может совершить механическую работу. Вода реки, стекая от верховьев к низовьям, тоже — считаем мы — обладает потенциальной энергией, равной ее весу, умноженному на разность уровней. Однако такое понятие, не вносящее затруднений в понимание механических процессов, в которых участвуют практически несжимаемые тела, вызывает затруднения, когда дело доходит до газов. По аналогии с грузом, лежащим на некоторой высоте над землей, мы стали говорить, что сжатый газ тоже наделен потенциальной энергией: расширяясь до атмосферного давления, он может совершить механическую работу. Но термодинамика утверждает, что это не так, что при одинаковой температуре в килограмме воздуха, сжатого до 100 атмосфер, содержится энергии не больше, чем в килограмме воздуха при атмосферном давлении…

Почему так? Да потому, что адиабатически сжимая газ, мы одновременно повышаем его температуру. Если теперь этот нагретый сжатый газ охладить до атмосферной температуры, от него будет отведена теплота. И вот что удивительно: количество этой теплоты в точности равно механической работе, затраченной на сжатие. Энергия, подведенная к телу в виде механической работы, полностью отведена от него в виде теплоты. Выходит, адиабатическим сжатием и последующим охлаждением мы изменим только давление газа, но отнюдь не «накачаем» его потенциальной энергией. И общность законов термодинамики такова, что это относится не только к газам, но и к жидкостям, и к твердым телам.

Об этом еще в прошлом веке догадывался русский физик Н. Умов. «… Когда одно явление исчезает, то должно появиться другое, равное ему по своей напряженности. Камень потерял живую силу, изменив свое положение относительно земли. Это новое положение указывает на то, что тело не осталось в том виде, как оно было прежде, что произошли изменения. Изменившееся положение камня есть признак происшедших перемен в явлении и не больше. Неужели в мертвом, геометрическом различии положений можно искать источник живой силы? Ясно, что нет; геометрия не создает вам движения, надо искать, следовательно, явление, которое по своей напряженности равнялось бы потерянной живой силе. Где же исчезнувшая живая сила? Где соответствующее ей явление?»

И далее Умов проницательно указывает, что вся механическая энергия, наблюдаемая нами в окружающем мире, есть энергия кинетическая. Но явления протекают в двух или более средах, из которых лишь одна находится в центре нашего внимания, в то время как все остальные не подлежат непосредственному наблюдению. Так вот, когда кинетическая энергия из наблюдаемой среды переходит в ненаблюдаемую, она кажется нам исчезнувшей, и мы принимаем за потенциальную энергию лишь след, оставленный энергией кинетической, или, как говорит Умов, «признак происшедших перемен».