Итак, Клаузиус подтвердил догадки Карно. Француз сделал верный вывод, что максимальное количество работы, которое можно получить при заданном количестве теплоты, определяется температурой нагревателя и охладителя. Оно не зависит от рабочего вещества и конструкции двигателя.
Гипотеза Карно также находит подтверждение, если принять и закон сохранения энергии, и принцип, в соответствии с которым теплота никогда самопроизвольно не перемещается из холодной зоны в горячую.
Таким образом, в своей статье Клаузиус сделал важнейший вывод, что поведение теплоты определяется двумя принципами, которые сегодня называются первыми двумя началами термодинамики. Они таковы.
Первое начало: хотя теплоту и работу можно преобразовывать друг в друга при постоянном “обменном курсе”, открытом Джоулем, общее количество теплоты и работы остается неизменным. (Это закон сохранения энергии в применении к теплоте и работе.)
Второе начало: теплота никогда самопроизвольно не перетекает от холодного к горячему.
Формулировка двух этих утверждений ознаменовала рождение новой области науки.
* * *
Статью Клаузиуса приняли хорошо. После публикации его назначили профессором физики Королевской артиллерийской и инженерной школы в Берлине. Через несколько недель статья была переведена на английский язык. Летом 1850 года, читая ее в Глазго, Томсон, должно быть, испытывал смешанные чувства. С одной стороны, Клаузиус признавал роль Томсона в привлечении внимания научного сообщества к идеям Карно и Джоуля. С другой стороны, загадку, над которой Томсон бился два года, решил другой человек. Несколько месяцев спустя Томсон опубликовал собственный вывод второго начала Клаузиуса.
Хотя Клаузиус и Томсон никогда не встречались, печатаясь в научных журналах, они в некотором роде вместе работали над установлением природы теплоты, закладывая прочный фундамент для новой науки. Они вместе проложили путь к тому, чтобы показать, что термодинамика имеет применение не только в паровых машинах.
Первым и одним из самых важных шагов в этом направлении стала статья Томсона, опубликованная в апреле 1852 года. Как и Джоуль, Томсон видел в поведении теплоты руку Творца. В первом начале термодинамики, законе сохранения энергии, Джоуль упомянул о “великих силах природы”. Во втором начале Томсон разглядел Божий план для судьбы космоса.
Стоит рассказать, в каких условиях Томсон работал над этой статьей.
Хотя Глазго стремительно развивался на фоне промышленного подъема, страданий тоже было немало. Великий голод в Ирландии привел в город почти 100 тысяч нищих беженцев. Из-за голода, антисанитарии и примитивного уровня здравоохранения начались эпидемии. От болезни не был застрахован никто. В начале 1847 года младший брат Томсона Джон заразился тифом в больнице, где изучал медицину, и умер неделю спустя. За тифом последовала холера, и не прошло и двух лет, как ее жертвой пал отец Томсона, который вошел в число более 4000 горожан, умерших от болезни в тот год. Вскоре после второй утраты молодая Сабрина Смит ответила на предложение Томсона отказом.
Чувствуя себя несчастным и отвергнутым, Томсон в 1852 году написал статью “О проявляющейся в природе общей тенденции к рассеянию механической энергии”. Теперь он явно думал не только о паровых машинах.
Четырьмя годами ранее в статье о Карно Томсон рассуждал о том, что происходит с железным стержнем, раскаленным докрасна с одной стороны и холодным с другой. Теплота перемещается от горячего конца к холодному, пока температура стержня не выравняется. Томсон спрашивал, что происходит с работой, которую такой же тепловой поток мог бы произвести в паровой машине?
Теперь, в 1852 году, Томсон нашел ответ. Начальная разница температур между разными концами стержня не преобразуется в работу, а просто “рассеивается”. Она бесполезна. Томсон подчеркнул, что по закону сохранения энергии теплота не уничтожается, но в процессе перераспределения, переставая быть сосредоточенной в одном конце стержня, она теряет потенциал для выполнения работы.
Следовательно, железный стержень, температура которого постепенно выравнивается, можно считать тепловым двигателем с нулевой эффективностью. В идеальном двигателе часть теплоты преобразуется в работу, а другая часть рассеивается. В железном стержне рассеивается вся теплота. В обоих случаях потерянную теплоту невозможно использовать для производства работы.
Если природа не терпит пустоты, то теплота не терпит вариаций. Теплота всегда стремится рассеяться и выравнять разницу температур. Хотя в процессе этого можно получить некоторое количество работы, любое такое приобретение, по утверждению Томсона, будет временным. Получаемая работа в конце концов тоже становится рассеянной теплотой. Это происходит под действием неизбежно возникающей силы трения, например при трении колес о поверхность дороги или трении воды о корпус корабля. Хуже того, этот процесс необратим. Природа позволяет преобразование работы в рассеянную теплоту. Но не допускает обратного.
В своей статье Томсон привлек внимание к идее, которая в середине XIX века была для физики в новинку, — идее о необратимости. В работе Ньютона такой концепции не было — его законы обратимы. Скажем, человек выбрасывает мяч известной массы из окна, находящегося на известной высоте. Применяя законы Ньютона, другой человек, стоящий на земле, может рассчитать скорость, с которой мяч движется вниз прямо перед столкновением с землей. Затем этот человек бросает мяч обратно с той же скоростью. Мяч возвращается к первому человеку. Но при трении колеса о дорогу ситуация обстоит совсем иначе. Часть механической энергии колеса преобразуется в теплоту посредством трения. Согласно Томсону, получаемую при трении теплоту невозможно собрать и вернуть колесу.
В науке о теплоте Томсон увидел ту же необратимость, которую наблюдал в жизни. Не случайно многое из происходящего во Вселенной идет только в одном направлении. Так проявляется одностороннее рассеяние энергии, которое также лежит в основе течения времени от прошлого к будущему. Томсон открыл стрелу времени, которая необратимо указывает из менее рассеянного прошлого в более рассеянное будущее… и как только рассеяние завершится, закончится и время.
Томсон превратил остывающий железный стержень в метафору Вселенной. Все изменения в космосе объясняются рассеянием сконцентрированной в отдельных очагах теплоты. В ранней версии статьи Томсон пишет: “Я полагаю, что никакое физическое действие не может восстановить теплоту, испускаемую солнцем, и этот источник не является неисчерпаемым. <…> «И земля обветшает»
[7], и так далее. Есть границы постоянству текущих форм и состояний физического мира”.
Томсон синтезировал теологию, опыт и науку. Он удалил отсылку к Библии из итоговой публикации, но описал в тексте не менее мрачную картину будущего: “В прошлом, отстоящем на конечный промежуток времени от настоящего момента, Земля находилась и спустя конечный промежуток времени снова очутится в состоянии, непригодном для обитания человека
[8].
