О "тепловой смерти" | ТМ 1938-12

Доцент Б. ЧЕРНОМОРДИК, Рисунки С. ЛОДЫГИНА

В 1812 г. среди учеников Парижской политехнической школы появился красивый юноша по имени Сади Карно. Обаятельная внешность сочеталась в нем с высокой одаренностью и многогранностью его натуры. Прекрасно успевая по всем техническим и теоретическим дисциплинам, он находил время для занятий музыкой и спортом, искусством и политической экономией. С жадностью молодости он использовал каждую минуту своего досуга.

К этому времени из России вернулся Наполеон с остатками своей разбитой армии. Когда в 1814 г. Сади Карно окончил Политехническую школу, он получил назначение в инженерные войска и принял горячее участие в защите Парижа. Главным врагом Наполеона была Англия. Обладая высокоразвитой промышленностью, прекрасным флотом, она представляла большую силу и способна была оказать решающее влияние на судьбу любого европейского государства. Карно старался разгадать «секрет» мощи этой страны. Это ему удалось без особого труда. Вот что писал Карно в короткие часы своего досуга: «Железом и углем, как известно, питаются и поддерживаются механические производства. В Англии, может быть, нет ни одного промышленного заведения, существование которого не было бы основано на употреблении этих двух агентов в их широком использовании. Отнять у Англии в настоящее время ее паровые машины — означало бы разом отнять у нее железо и уголь, отнять у нее все источники богатства, уничтожить все средства к процветанию, это означало бы уничтожить эту великую мощь. Уничтожение флота, который она считает своей главной опорой, было бы для нее меньшей потерей».

«Тепловая машина — вот истинный двигатель прогресса! Ей суждено произвести переворот в цивилизованном мире», решил молодой артиллерийский капитан.

«Тепловая машина уже обслуживает наши шахты, двигает наши корабли, углубляет гавани и реки, кует железо, обрабатывает дерево, мелет зерно, ткет и прядет наши ткани, переносит самые тяжелые грузы», писал Карно.

Но, несмотря на такие технические успехи, все же паровые машины были мало экономичны. Как сделать тепловую машину высоко экономичной и каковы пределы этой экономичности — никто не знал. Узнать это решил молодой инженер Сади Карно. Результатом долгих и детальных исследований была его книга «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Но работа эта, напечатанная в 1824 г., осталась незамеченной.

Через несколько лет Сади Карно оставил военную службу, чтобы иметь возможность полностью посвятить себя исследовательской работе. Однако научные занятия Карно продолжались недолго. Еще не успев окончательно окрепнуть после перенесенной скарлатины и воспаления мозга, Карно заболел холерой и умер 24 августа 1832 г. И все же обрывки дневника Сади, опубликованные впоследствии его братом, красноречиво говорят об успехах, которых Сади Карно достиг в области исследования тепловых машин.

Судьба Карно похожа на судьбу его книги. Известный математик Араго в своей статье «О старой Политехнической школе» упоминает имена десятков талантливых инженеров, окончивших эту школу. Но он ни слова не говорит о Сади Карно. Морис Ларю — строитель самого высокого маяка, Дюло — исследователь сопротивления железа, Эмиль Мартень — строитель моста через Рону и другие инженеры создают славу этому прекрасному учебному заведению. О Карно же вспомнили только через два года после его смерти: известный ученый Клапейрон, который также был раньше учеником Политехнической школы, напечатал в журнале школы статью о работах Карно. Но после этого опять наступило молчание, которое длилось 16 лет.

В 1850 г. молодой доцент берлинской артиллерийской школы Рудольф Клаузиус поместил в знаменитых «Анналах» Поггендорфа статью «О движущей силе теплоты». Выводы этой статьи были построены на основании работы Карно. Статья Клаузиуса была началом запоздалого триумфа Карно. Среди ученых кругов появился огромный интерес к забытому артиллерийскому капитану. «Размышления о движущей силе огня» были сняты с запыленных полок библиотек, и перед глазами всего мира засверкала жемчужина человеческого гения.

В 1824 г., когда работа Карно впервые увидела свет, теплоту еще не считали одним из видов энергии. Физика тогда была наукой, различные отделы которой не были органически связаны между собой. Электричество представлялось в виде особой невесомой жидкости, а свет — в виде «светового флюида». По мнению ученых, тела нагревались потому, что из одного тела в другое переливался «теплород» — невесомая жидкость. Несмотря на ряд фактов, которые накопились к тому времени в науке и указывали на связь между тепловыми и механическими явлениями, ученые продолжали в своих теоретических построениях отводить главное место «теплороду».

Поэтому неудивительно, что и работы Карно были основаны на представлении о тепле как о «теплороде». Но здесь, по счастливой случайности, неправильные представления Карно помогли ему найти гениальную аналогию с водяным двигателем. В самом деле, для получения работы в водяном двигателе необходима разность уровней воды. Если нет разности уровней жидкости, нет и напора, дающего движение водяному колесу. Но Карно считал, что если «теплород» — тоже жидкость, то и в тепловом двигателе необходима разность температур в начале и конце рабочего процесса.

«Возникновение движущей силы, — пишет Карно, — обязано в паровых машинах не действительной трате теплорода, а его переходу от горячего тела к холодному, т. е. восстановлению его равновесия — равновесия, которое было нарушено некоторой причиной, будь то химическое действие, как горение, или что-нибудь иное».

Итак, Карно понял, что для того, чтобы тепловой двигатель работал, недостаточно иметь только источник тепла, как бы ни была, высока его температура. Необходимо еще иметь холодильник, создающий перепад, разность температур. Карно показал, каким должен быть идеальный рабочий цикл, в котором температурный перепад использовался бы наиболее полно. Сравнивая с идеальным циклом рабочий цикл существующих машин, можно было определить их экономичность. Ряд теорем Карно о коэффициенте полезного действия его цикла, о влиянии температуры рабочего тела на экономичность цикла и т. д. послужил основой для создания современной термодинамики — науки о превращениях тепловой энергии.

Но Рудольф Клаузиус ознакомился с «Размышлениями о движущей силе огня» через 18 лет после смерти автора этой книги. К тому времени представления ученых о теплоте сильно изменились. Люди начали догадываться о связи механических и тепловых явлений.

В 1839 г. инженер Сеген написал в своей брошюре: «Между теплотой в движением должно существовать тождество по их природе, так что эти два явления представляют, только под различной формой, проявление одной и той же причины. Эти идеи, — добавляет Сеген, — сообщены мне были давно еще моим дядей Монгольфье».

Через три года молодой гейльброннский врач Роберт Майер, возвратившись из путешествия в Батавию, опубликовал интересную статью. Это был первый печатный труд, в котором доказывалось, что теплота есть лишь один из видов энергии. «Локомотив с его поездом, — писал Майер, — может быть сравнен с перегонным аппаратом: тепло, разведенное под котлом, превращается в движение, а таковое снова осаждается на осях колес в качестве тепла».

Майер считал, что тепло и механическая работа одинаково легко переходят друг в друга в строго эквивалентных количествах. Следовательно, чтобы произвести механическую работу, нужно затратить тепло, т. е. взять его у нагревателя и передать машине. Карно же считал, что совершить работу можно, не затрачивая «теплорода», и что только его переход от одного тела к другому может создать движение. Поэтому, решил Карно, все тепло от нагревателя передается только холодильнику. Клаузиус должен был решить, кто прав — Карно или Майер. И он с честью решил эту задачу. Гениально просто он примирил Майера и Карно, связав их воедино своей новой теорией тепла.

Вот что говорит тепловая теория Клаузиуса. Чтобы совершить механическую работу, нужно затратить определенное количество тепла и вместе с тем нужно создать разность температур — тепловой перепад. Следовательно, часть тепла от нагревателя передается к холодильнику, другая же часть тратится в тепловой машине. Но тепло, которое отдается холодильнику, пропадает, так как его нельзя использовать для создания механической энергии. Количество этого неиспользованного тепла определяется отношением температуры нагревателя (\(T_1\)) к температуре холодильника (\(T_2\)).

Если общее количество тепла, кодовое дает горячий источник, — \(Q_1\), а та часть тепла, которая идет, к холодильнику, — \(Q_2\), то:

\(\frac{Q_1}{Q_2}=\frac{T_1}{T_2}\); отсюда \(\frac{Q_1}{T_1}=\frac{Q_2}{T_2}\).

Это простое уравнение, выведенное Карно, можно решить относительно \(Q_2\):

\(Q_2=\frac{Q_1}{T_1}\cdot T_2\).

Пусть, например, \(T_1\)=2000°, \(T_2\)=500°, а \(Q_1\)=1000 калорий. Тогда часть тепла, отданная холодильнику, будет равна \(Q_2=\frac{1000}{2000}\cdot500=250\) калорий. И только 750 калорий будут полезно использованы в машине. Часть тепла, отданная холодильнику, является как бы «налогом», который платит двигатель природе за возможность использовать оставшееся тепло (\(Q_1-Q_2\)). Температурный коэaфициент этого «налога» \(\frac QT=S\) Клаузиус назвал энтропией.

Часть тепла, отданная холодильнику, является как бы «налогом», который платит двигатель природе за возможность использовать оставшееся тепло.

Следовательно, важный вывод, который сделал Клаузиус, заключался в том, что даже в идеальном двигателе подведенное тепло не может быть использовано полностью.

Но дальнейшее развитие идей, изложенных в книге Карно «Размышления о движущей силе огня», неожиданно привело Клаузиуса к идеалистической теории о конце мира.

Клаузиус считал, что вселенную можно рассматривать как гигантскую замкнутую систему, внутри которой происходит все время переход одного вида энергии в другой. Но все виды энергии особенно легко переходят именно в теплоту. Например, механическая энергия может полностью перейти в тепловую, в то время как тепловая энергия не может полностью перейти в механическую даже в идеальном двигателе. Многочисленные физико-химические процессы, которые происходят в природе и технике, сопровождаются выделением тепла. Тепло это рассеивается в пространстве, передается от более нагретых тел к менее нагретым, и, следовательно, разность температур между телами постепенно уменьшается. И в результате, считал Клаузиус, во всем мире установится одинаковая для всех тел средняя температура \(T\).

Но и энергия во всем мире, согласно первому принципу термодинамики, который открыл Майер, постоянна. Следовательно, энтропия мира \(S=\frac QT\) достигнет какой-то постоянной, неизменной величины, когда во всем мире установится одинаковая температура \(T\).

Дальше Клаузиус делает вывод, который далеко выходит за рамки термодинамики. Ведь тепловая энергия может перейти в механическую только тогда, когда есть разность температур. Если же тепло равномерно распределится по всей вселенной и везде будет одна и та же средняя температура, то ни одна калория из этого безбрежного океана тепловой энергии не сможет быть превращена в энергию движения. Наступит тепловая смерть вселенной, и вечный покой обесцененной энергии явится последним звеном ее бесчисленных превращений.

Так пришел Клаузиус к идеалистической теории о конце мира, о том, что наступит тепловое равновесие, вывести из которого сможет только чудо. Идеалистическую сущность учения о тепловой смерти с исчерпывающей полнотой вскрыл Энгельс в своей книге «Диалектика природы».

«Как бы ни толковать положение Клаузиуса, — пишет Энгельс, — но согласно этому энергия теряется если не количественно, то качественно. Энтропия не может уничтожиться естественным путем, но зато может создаваться. Мировые часы сначала должны быть заведены, затем начинается их движение, пока часы не придут в равновесие, из которого вывести их может только чудо. Потраченная на завод часов энергия исчезла, по крайней мере в качественном отношении, и может быть восстановлена только путем толчка извне. Следовательно, толчок извне был необходим также и вначале; следовательно, количество имеющегося во вселенной движения, или энергии, не всегда одинаково; следовательно, энергию можно создать искусственно; следовательно, она создаваема, следовательно, она уничтожаема. Ad absurdum. (Мы приходим к абсурду!)».

Философские ошибки Клаузиуса выгодны фашистской науке. На всевозможных съездах и конгрессах церковники стали призывать к единению людей науки и религии. «Можно признать, что в наши дни наука является одним из наиболее ясных, откровений бога», заявил недавно один из таких «ученых».

Ошибка Клаузиуса заключалась в том, что он рассматривал вселенную, как замкнутую, изолированную систему. И действительно, если представить себе, что пространство, в котором содержится постоянное количество тепловой энергии, изолировано от внешнего мира теплонепроницаемой оболочкой, то нельзя не согласиться с тем, что наступит время, когда в этом пространстве установится средняя температура и, следовательно, для данного пространства наступит «тепловая смерть». Но этот вывод относится к изолированному пространству, и поэтому распространить его на всю вселенную — значит сделать грубейшую ошибку.

Ведь наша солнечная система является лишь одной из бесконечного количества систем, населяющих космос. Усовершенствование конструкции телескопов все больше и больше раздвигает перед нами границы мирового пространства. Конечно, границы вселенной не совпадают с возможностями наших астрономических инструментов. Мир безграничен, вот почему к нему неприменимы выводы, основанные на изучении элементарных термодинамических процессов.

Но идеалистически настроенные ученые подняли на щит философскую часть теории Клаузиуса. Она дала им возможность делать антинаучные выводы.

*

Еще предстоит большая борьба с идеалистами, мистиками и мракобесами от науки.

Мир безграничен, и выводы, основанные на изучении элементарных термодинамических процессов, оказались неправильными для космоса. Философские обобщения, сделанные Клаузиусом для всей вселенной, опровергнуты материалистической наукой.

«Но этот вопрос будет решен, — говорит Энгельс. — Это так же достоверно, как и то, что в природе не происходит чудес и что первоначальная теплота туманности не была получена ею чудесным образом из внемировых сфер».