Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Но кое-что из нашего мира могло бы существовать и действовать в обратимом мире. И самое главное из этого «кое-чего» — тепловые машины.

Глава II ГЛАВНОЕ ДЕЛО ТЕПЛОВЫХ МАШИН

В иерархии машин, механизмов, моторов и передач, используемых в современной технике, тепловые двигатели занимают место исключительное. Действительно, львиная доля электроэнергии на земном шаре — 80–85 % — вырабатывается тепловыми электростанциями. Автомобили, самолеты, корабли, ракеты приводятся в движение тепловыми двигателями. Только они могут считаться истинными генераторами работы. Все другие двигатели — электромоторы, гидравлические и пневматические двигатели, механические передачи играют в нашей жизни хотя и важную, но подчиненную роль — роль передаточных механизмов, распределяющих и преобразующих энергию, добытую тепловыми двигателями, которые, таким образом, стоят первыми в цепочке машин, составляющих фундамент современной промышленности. Вот почему именно тепловым двигателям присвоен титул «первичных двигателей».

В чем же состоит фундаментальное отличие тепловых двигателей от всех прочих? В чем причина их, если так можно выразиться, «первичности», их способности быть, по сути дела, единственным источником механической работы?

Причина эта не составляла секрета еще для Сади Карно. «Природа, — писал он в своем трактате, — повсюду представляя горючий материал, дала нам возможность всегда и везде получать теплоту и сопровождающую ее движущую силу». Действительно, скудная на механическую или электрическую энергию, наша планета богата источниками тепловой энергии — здесь и солнечные лучи, и подземное тепло, и органическое топливо, и ядерное. И все эти источники существуют только благодаря тому, что, как мы уже говорили, существует необратимость. Но стоит наложить запрет на необратимые процессы — и ценность этих источников мгновенно аннулируется. Возникает обратимый мир, в котором количество теплового движения — энтропии — постоянно, и нет никакой возможности ни увеличить, ни уменьшить его.

Что произойдет в этот момент с тепловыми двигателями? Будут они продолжать работать или нет? И если будут, то сохранится ли их исключительное место в иерархии машин?

Прежде чем ответить на эти вопросы, необходимо детальнее обсудить разницу между нагреванием тела и подводом к нему теплоты. В привычном нам мире это в большинстве случаев одно и то же: если нужно повысить температуру, мы просто подводим к телу теплоту. Но в мире обратимом эти операции расщепляются. В нем не может быть теплообмена между горячим и холодным телом, ибо такой теплообмен существенно необратим. Но зато здесь можно смело пользоваться другим методом: адиабатически сжимать тело до тех пор, пока его температура не достигнет нужной величины. Да вот беда — нельзя нагреть тело, не повысив при этом его давления. Но, оказывается, есть возможность обойти эту трудность…

В обратимом мире запрет накладывается не на обмен теплотой как таковой, а на обмен теплотой между горячим и холодным телом. Но если температура источника и приемника тепла одна и та же, то теплообмен между ними в обратимом мире дозволен. Конечно, такой теплообмен — абстракция, но ведь и сам обратимый мир, и идеальные машины, и т. д. тоже абстракция. Однако они помогают нам понять суть явлений, показывают, что в том или ином процессе принципиально важно, а что нет.

Так вот, в обратимом мире, сочетая адиабатическое повышение температуры с теплообменом при постоянной температуре, можно нагревать тело, не повышая его давления. Предположим, вам нужно повысить температуру в комнате с 10 до 30 °C, причем в вашем распоряжении есть источник тепла с температурой 30°. Путем непосредственного контакта нагрев произвести нельзя. Но можно адиабатическим сжатием, потребляя электроэнергию из сети, довести температуру в комнате до 30°, после чего привести ее в контакт с источником, предоставив возможность воздуху в комнате расширяться при постоянной температуре, полностью отдавая назад в сеть совершаемую им полезную работу. Когда давление воздуха снизится до первоначального, процесс останавливается, ибо поставленная цель достигнута: температура воздуха повышена, а давление осталось первоначальным. Точно таким же образом можно и понизить температуру в комнате…