176
Глава 6.
суть остается той же: в совершении полезной работы используется энергия первичного толчка и по мере ее израсходования система останавливается. Никакими превращениями нельзя увеличить общее количество энергии в системе, и это общепризнанно. Поэтому никаких вечных двигателей быть не может.
Невозможность создания вечного двигателя была подтверждена в середине 19-го столетия формулировками Первого и Второго начал термодинамики [2].
Первое начало термодинамики утверждает, что если система совершает термодинамический цикл, т.е. возвращается в исходное состояние, то полное количество тепла, сообщенное системе на протяжении цикла, равно совершаемой ею работе.
Первое начало термодинамики представляет собой по существу выражение закона сохранения энергии для систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы. Энергетическая эквивалентность теплоты и работы, т. е. возможность измерения их количеств в одних и тех же единицах и тем самым возможность их сравнения, была доказана немецким физиком Ю.Р.Майером в 1842 г. и особенно англичанином Дж.Джоулем в 1843 г. Первое начало термодинамики было сформулировано Майером, а затем в значительно более ясной форме немецким физиком Г. Гельмгольцем в 1847 г. Приведенная выше формулировка равнозначна утверждению о невозможности создания вечного двигателя 1-го рода, поскольку часть энергии системой неизбежно будет потеряна в виде тепла.
Запрещая вечный двигатель 1-го рода, Первое начало термодинамики не исключает возможности создания такой машины непрерывного действия, которая была бы способна превращать в полезную работу практически всю подводимую к ней теплоту, так называемый, вечный двигатель 2-го рода.
Однако весь опыт по конструированию тепловых машин, имевшийся в начале 19-го века, указывал на то, что кпд (коэффициент полезного действия), т.е. отношение полученной работы к затраченному теплу всегда меньше единицы, т. к. часть
Энергия вокруг нас
177
теплоты неизбежно рассеивается в окружающую среду. С. Карно первым в 1824 году показал, что это обстоятельство имеет принципиальный характер, поскольку любая тепловая машина должна содержать помимо источника теплоты (нагревателя) и рабочего тела, например, пара, совершающего термодинамический цикл, также и холодильник, имеющий температуру, обязательно более низкую, чем температура нагревателя.
Обобщение вывода Карно на произвольные термодинамические процессы, протекающие в природе, дано Вторым началом термодинамики, которому немецкий физик Р.Клаузиус в 1850 году дал следующую формулировку: теплота не может самопроизвольно перейти от системы с меньшей температурой к системе с большей температурой. Независимо от Клаузиуса и в несколько иной форме этот принцип высказал У.Томсон (лорд Кельвин): невозможно построить периодически действующую машину, вся деятельность которой сводилась бы к поднятию некоторого груза, т.е. к совершению механической работы и соответствующему охлаждению теплового резервуара.
Несмотря на качественный характер этого утверждения, оно приводит к далеко идущим количественным следствиям, например, позволяет определить максимально возможный кпд тепловой машины. Но особенно впечатляющим выводом из Второго начала термодинамики оказалась так называемая Тепловая смерть Вселенной [3].
Представление о Тепловой смерти Вселенной сформулировал в 1865 г. Р.Клаузиус, проанализировав следствия, к которым приводит Второе начало термодинамики. Поскольку теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому, а любые преобразования энергии сопровождаются тепловыми потерями, то однажды все температуры во Вселенной выровняются, и все процессы прекратятся. Настанет Тепловая смерть. Налицо термодинамический парадокс, поскольку Вселенная должна существовать вечно. Потому что, если будет Конец, то было и
