Вечный двигатель — прежде и теперь. От утопии — к науке, от науки — к утопии

Применительно к закону, установленному С. Карно, Р. Майером и Д. Джоулем, необходимо остановиться на двух основополагающих понятиях, связанных с терминами «энергия» и «теплота» (или «тепло»), а также несколько расширить представление о понятии, относящемся к термину «работа». Без этого дальнейший разбор вопроса о вечном двигателе достаточно полно провести нельзя.

Начнем с понятия «энергия». Впервые оно появилось еще у Аристотеля как обозначение некоего деятельного начала; но оно имело тогда чисто философское значение и никакие количественные оценки здесь не предполагались.

Ввел этот термин в физику и придал ему точный смысл английский механик Т. Юнг (1773-1829 гг.) в «Лекциях по естественной философии» (1807 г.). Это было сделано им применительно к «живой силе» (произведению массы тела на квадрат его скорости), т. е. только к механическому движению; но первый шаг к широкому использованию термина состоялся.

В дальнейшем, после работ основоположников закона сохранения, общий термин «энергия» стал постепенно вытеснять в литературе все другие как единственный для обозначения общей меры движения материи. Особенно большую роль тут сыграли уже упоминавшиеся У. Ренкин и У. Томсон-Кельвин.

Соответственно все законы сохранения движения, независимо от того, в какой форме они проявлялись — механической, тепловой, электромагнитной, химической или биологической, стали частными случаями общего фундаментального закона природы — закона сохранения энергии. После этого уточнились и приобрели однозначный смысл понятия «работа» и «теплота» («тепло»). Если термин «работа», как мы уже говорили, сравнительно быстро приобрел четкий смысл[25], то термин «теплота» долго сохранял остатки влияния теории «теплорода». Живучесть этого влияния (как и многих других старых представлений) оказалась просто необычайной. До сих пор сохранились такие термины, перешедшие из XVIII в., как «теплоемкость», «теплопередача», «тепловой резервуар», «тепловой аккумулятор»; совсем недавно еще употреблялся термин «теплосодержание», замененный на «энтальпию». Все они связаны с теплотой, как с чем-то содержащимся в теле, т. е. по существу с «теплородом». Замена теории теплорода на «механическую теорию тепла» не изменила вначале этой терминологии. Энергию хаотического движения молекул тела, связанную с его температурой, по инерции продолжали называть теплотой, хотя это нечто совсем иное — часть внутренней энергии тела.

Чтобы исключить ошибки при анализе энергетических преобразований, нужно совершенно четко представлять разницу между внутренней энергией, содержащейся в каком-либо теле, и энергией, подводимой к нему (или отводимой от него). Энергия второго вида существует только тогда, когда передается от одного тела к другому. Передача энергии может происходить в двух формах: теплоты и работы. Таким образом, общность теплоты и работы определяется тем, что они представляют собой количественную меру передаваемой энергии. Но между ними есть и существенная разница. Работа — это передача энергии в организованной форме, при которой каждая частица совершает движение (если не считать колебаний) по определенной траектории[26]. Если, например, происходит передача механической энергии посредством пары зубчатых колес, то каждая молекула как ведущей, так и ведомой шестерни совершает движение, связанное с этой системой, строго по окружностям. Если с помощью ворота поднимается груз, то все его частицы двигаются по прямым, и т. д.

Напротив, передача энергии в форме теплоты совершается хаотическим движением частиц. При контакте двух тел с разными температурами молекулы тела, имеющего более высокую температуру, «раскачивают» молекулы более холодного тела так, что средняя скорость первых уменьшается, а вторых увеличивается. В результате определенное количество энергии передается от первого тела ко второму.