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.
Таким образом, и теплота, и работа — это энергия в передаче, в переходе. Если процесса перехода нет — нет ни теплоты, ни работы. Они существуют только в процессе передачи от одного тела к другому, но не могут «содержаться» в них. То, что теплота переходит от одного тела к другому, вовсе не означает, что она сначала содержалась в одном, а потом стала содержаться в другом теле. Просто внутренняя энергия тела, к которому была подведена теплота, выросла, а того, от которого теплота была отведена, соответственно снизилась. Превращение работы в теплоту означает, следовательно, что система, получившая энергию в форме работы от какого-либо тела, превращает его сначала во внутреннюю энергию, а затем отдает ее другому телу в форме теплоты. Так, затрачивая механическую работу на вращение мешалки, погруженной в жидкость, мы увеличиваем внутреннюю энергию этой жидкости: она нагревается, так как получает энергию в форме работы. Затем, давая жидкости охладиться до прежней температуры, мы можем отвести эту энергию в форме теплоты.
Примерно таким образом граф Румфорд в 1799 г. проводил свой знаменитый опыт, показывающий превращение работы в теплоту при сверлении пушек. Энергия, подводимая в форме механической работы вращения сверла, отводилась водой, которая при этом нагревалась от температуры Т1 до температуры Т2 (Т2 > Т1). Внутренняя энергия воды (обозначим ее U) возрастала при этом от U1 до U2. Затем вода остывала снова до температуры Т1, отдавая энергию в форме теплоты Q окружающей среде. Если охладить воду до прежней температуры, то ее внутренняя энергия остается такой же, как и вначале; количества теплоты Q и работы L будут равны. Если же охладить воду до какой-либо промежуточной температуры Т3, более высокой, чем Т1, то количество отводимой теплоты будет меньше, так как часть подведенной энергии остается в виде прироста ΔU внутренней энергии воды.
Таким образом, закон сохранения энергии будет выражаться классической формулой, связывающей теплоту и работу:
L = Q + ΔU. (2.1)
Затраченная работа может как идти на увеличение внутренней энергии тела ΔU, так и отводиться в виде теплоты Q. Если ΔU = 0, то Q = L. Формула (2.1) и выражала закон сохранения энергии в его наиболее простой форме. Возникла и наука, которая специально рассматривала взаимные превращения теплоты и работы, — термодинамика.
Термодинамика в начале своего развития рассматривалась только как наука о взаимных превращениях теплоты и работы[28]. По мере дальнейшего развития, она постепенно охватывала и другие энергетические превращения, связанные с электрическими, магнитными, химическими, а также квантовыми явлениями. Соответственно расширялись и понятия работы L и внутренней энергии U. Таким образом, сфера действия первого закона термодинамики охватила по существу все области энергетических превращений и стала соответствовать по своему содержанию закону сохранения энергии.
Поэтому в дальнейшем мы будем использовать термин «первый закон термодинамики» как синоним термина «закон сохранения энергии». Так будет удобнее в дальнейшем при рассмотрении второго закона термодинамики и сопоставлении его с первым.
Изложим коротко некоторые формулировки и положения, связанные с первым законом термодинамики, которые понадобятся в дальнейшем при анализе новых ppm.
Существует целый ряд одинаково правильных формулировок первого закона термодинамики. Нам важно выбрать из них такую, которая в наибольшей степени была бы удобна для разоблачения ppm-1. С этой точки зрения, казалось бы, наиболее подходит самая близкая к нашей теме: «Вечный двигатель первого рода невозможен». Однако при всей четкости и категоричности такой формулировки она не говорит о том, как определить, что то или иное устройство именно и есть вечный двигатель. Ведь прежде, чем запретить, нужно знать что запретить!
Рис. 2.5. Энергетический баланс системы: а — реальный двигатель; б — ppm-1Поэтому более удобна другая формулировка: «При любых превращениях в системе[29] входящий в нее поток энергии всегда равен выходящему». Об этом хорошо сказано в «Фейнмановских лекциях по физике»: «…можно взять какое-то число и спокойно следить, как природа будет выкидывать любые свои трюки, а потом опять подсчитать это число — и оно останется прежним». Здесь «число» — это значение энергии. Дня того чтобы определить, существует такое равенство или нет[30], нужно составить энергетический баланс — подсчитать все потоки входящей энергии (обозначим их знаком ' — вход) и выходящей (обозначим их знаком ʺ — выход). Чтобы не ошибиться и не пропустить какой-нибудь из них, окружим наш двигатель воображаемой оболочкой — контрольной поверхностью (она показана на рис. 2.5, штриховой линией). Потоки энергии обозначены стрелками. На входе в общем случае это может быть поток теплоты Q' и поток энергии, которую вносит входящее вещество (например, пар, вода, топливо и т. д.). Энергия в потоке вещества обозначается буквой Н. На выходе нужно учесть выходящую теплоту Q, поток энергии, выносимый отработавшим веществом Нʺ, и, наконец, работу Lʺ. Первый закон утверждает, что входящая энергия W' т. е. сумма Q' + Нʺ, обязательно должна быть равна выходящей Wʺ, т. е. сумме Qʺ + Hʺ + Lʺ (если, конечно, внутри двигателя энергия не накапливается и не расходуется, ΔU = 0):
