Под знаком необратимости (Очерки о теплоте)

Мы уже писали, что зарождение и развитие любого из разделов физики начиналось тем раньше и легче, чем меньше изучаемые в этом разделе процессы зависели от трения и чем, следовательно, проще было идеализировать их, то есть мысленно очистить от порождаемых необратимостью тепловых эффектов.

Чтобы оценить величие основоположников термодинамики, мы должны ясно понимать: им надлежало идеализировать, очистить от необратимости сами тепловые эффекты! Забегая вперед, скажем: им удалось установить, что тепловое движение наделено некоей двойственностью. С одной стороны, существует огромный класс явлений, в которых тепловое движение в принципе выступает, как говорится, «на равных» с другими формами движения и ничуть «не хуже» механического, электрического, магнитного, химического и т. д. С другой — есть множество процессов, в которых тепловое движение, порождаемое трением, играет особую роль, принципиально отличается от всех других форм движения. Другими словами: не всякий тепловой процесс должен быть необратимым, но всякий необратимый процесс должен быть тепловым. Идеализация, то есть устранение трения из всех изучаемых процессов, в том числе и тепловых, равнозначна превращению физики в некую обобщенную механику, в которой нет принципиального различия между механическими, электромагнитными, химическими, световыми и даже тепловыми процессами. Все эти процессы в обобщенной механике полностью обратимы и все формы движения полностью и без всяких потерь могут сколь угодно долго переходить одна в другую. Но прежде чем была достигнута такая ясность, создателям термодинамики пришлось пройти весьма мучительный путь, изобиловавший такими драматическими моментами, каких, быть может, и не найдется в истории других наук…

ПРИКЛЮЧЕНИЯ ТЕПЛОРОДА

Научные теории подобны мышам, утверждал некогда Вольтер. Как мышь может счастливо проскочить девять мышеловок и попасть в десятую, так и научная теория, удачно объяснившая девять фактов, может быть опровергнута одним-единственным десятым. Эксперименты баварского министра внутренних дел графа Румфорда как раз и оказались такой «десятой мышеловкой» для теории теплорода.

XVIII век вошел в историю физики как эпоха невесомых материй — импондерабилий. Будучи не в состоянии найти хоть что-нибудь общее в механических, оптических, электрических, магнитных явлениях, ученые тех времен с большой легкостью плодили всевозможные материи и жидкости — электрическую, магнитную, световую и т. д. Убедившись в безрезультатности всех попыток взвесить их, они пришли к выводу, что жидкости эти — невесомые. Была придумана соответствующая жидкость — теплород — и для объяснения тепловых процессов. Нужно признать: теплород сослужил хорошую службу науке. Он внес известный порядок в хаос накопленных к тому времени фактов. Он позволил выделить из массы явлений окружающего мира явления чисто тепловые. Следуя теории теплорода, плеяда блестящих экспериментаторов заложила основы современной калориметрии. И вольно или невольно мы и по сию пору отдаем дань уважения достижениям этой теории, когда произносим терм-ины «теплоемкость», «теплопроводность», «теплота парообразования», «теплота плавления». Но был один факт, который вызывал смутное беспокойство у сторонников теплородной теории. Факт этот — выделение теплоты при трении. Чтобы не отказаться от множества объясненных с помощью теплорода явлений, ученые попытались приспособить теорию и для толкования этого процесса.

Первое, что пришло им в голову, — рассматривать нагрев при трении как «выжимание» теплорода из тел. Позднее они стали более тонко объяснять этот эффект уменьшением теплоемкости при трении, а образование теплоты — освобождением теплорода из химически связанного состояния. Все это получилось так удачно, что из факта, противоречащего теории, трение превратилось в факт, подтверждающий ее.

И вот на тебе: Румфорд поставил опыты, убийственные для такой удобной теории. Он доказал: трением двух тел можно получать большие, быть может, даже неограниченные количества теплоты. Его эксперименты лишили хитроумные объяснения приверженцев теплорода всякого смысла. Убедительности румфордовских опытов способствовали их поистине министерские масштабы. Вместо пробирок, реторт, жаровен, характерных для научных лабораторий тех лет, баварский министр пользовался сверлильными станками, пушечными стволами и конями-тяжеловесами мюнхенского цейхгауза.

В одном из опытов тупое сверло, прижатое к бронзовой болванке с силой 4500 кг, уже через 30 мин, сделав всего 960 оборотов, нагрело ее почти на 40 °C. Откуда берется такое огромное количество теплоты? «Выжимается» из стружек? Но их слишком мало. Может быть, из воздуха, поступающего внутрь отверстия при сверлении?