Страница 5 из 33
Схема экспериментального устройства Джоуле: груз падает на расстояние z, заставляя вращаться лопасти в воде.
Несмотря на то что он продолжал совершенствовать эти измерения всю свою жизнь (для чего он прибегнул к неоценимой помощи Уильяма Томсона), эксперимент, благодаря которому его помнят, — это четвертый поставленный им эксперимент (см. рисунок). В нем груз, падающий с некоторой высоты (z), использовался для того, чтобы привести в движение маховик с лопастями в цилиндре, заполненном водой. Измерялось увеличение температуры и сравнивалось с работой, осуществленной в данном случае силой тяготения. Полученный здесь результат составил 819 фунтов на фут.
Работа Джоуля стала ключевой для его друга Уильяма Томсона (позже известного как лорд Кельвин), исходившего из предположений Джоуля, чтобы прийти к определению температуры, носящей его имя.
Уильям Томсон (1824-1907) проявил свой большой талант еще в детстве.
В десять лет он поступил в университет Глазго, хотя по тем временам это было вполне нормально: университеты стремились привлечь подающих надежды молодых людей в раннем возрасте. Маленький Уильям имел большие способности к математике и физике, во многом благодаря поддержке своего отца Джеймса, который был математиком.
Его одаренность не ограничивалась этим: в двенадцать лет он получил премию за перевод с латинского на английский «Разговоров с богами» Лукиана Самосатского. В четырнадцать лет он уже выполнял работы университетского уровня. Через некоторое время после выпуска стал лауреатом премии Смита, которой Кембриджский университет каждый год награждал самый оригинальный проект по физике и математике. При этом Роберт Лесли Эллис (1817-1859), известный изданием работы Фрэнсиса Бэкона (1561-1626), сказал одному из членов комиссии: «Мы с вами едва ли достойны того, чтобы затачивать ему карандаши».
Томсон работал с обычным инструментом для своего времени, газовым термометром, который никоим образом его не удовлетворял. Аппарат основывался на законе Гей-Люссака, согласно которому объем газа увеличивается пропорционально температуре. Проблема Томсона с газовым термометром заключалась в том, что тот определял температуру в зависимости от свойств используемого вещества. Несмотря на то что в практических целях это было приемлемо, факт отсутствия строгого определения температуры, не зависящего от специфических свойств, оставался камнем преткновения.
В 1848 году Томсон предложил определение, основанное на величине работы, осуществленной теплопередачей и напрямую связанной с циклом Карно. Он определил температурную шкалу как шкалу, в которой половина тепла, переданного от тела температуры Ттелу с более низкой температурой, будет давать ту же величину работы. Если два любых вещества имеют температуру с разницей в один Кельвин и обмениваются единицей тепла, то работа, осуществленная этим теплом, та же, какой бы ни была температура, в которой находятся эти вещества. Температура по Кельвину обозначается буквой К, то есть 100 К — это 100 кельвинов. Градусы Кельвина располагаются так же, как и градусы Цельсия, с единственной разницей — положение нуля. Увеличение градуса Кельвина соответствует увеличению градуса Цельсия.
Одно из следствий принятия шкалы Кельвина — выявление абсолютного нуля температуры: -273,15°С, что соответствует 0 К. Новая температура математически выражалась в виде пропорции между поглощенным и испущенным теплом тела, находящегося между двумя источниками: раз минимальное количество поглощенного тепла равно нулю, минимальная температура также должна быть равна нулю. На сегодняшний день самая низкая когда-либо достигнутая температура равна 5 • 10-10 К выше абсолютного нуля.
Заложить камень новой дисциплины было суждено физику и математику Рудольфу Юлиусу Эммануэлю Клаузиусу (1822-1888). Через десять лет Больцман пересмотрел его результаты в свете атомной теории. Клаузиус родился в Кёслине, в то время город находился на территории Пруссии, а сегодня это часть Польши. В 1850 году он опубликовал принесшую ему славу статью, озаглавленную «О движущей силе теплоты и законах, которые можно отсюда получить для теории теплоты», в ней поправил неточности теории Карно, пользуясь достижениями Джоуля и Томсона, придав законченный вид тогда еще зарождающейся науке термодинамике. Значение этой работы было признанно немедленно, и престижные учебные заведения сразу же предложили ему место.
Для Клаузиуса эксперименты Джоуля безоговорочно доказывали, что работа может быть трансформирована в тепло. Он рассуждал следующим образом: Карно считал, что в его двигателе не может быть потери тепла, поскольку теплород нельзя создать или разрушить. Однако эксперименты Джоуля показали, что тепло можно создать, более того, они показывали точное соответствие между теплом и работой. Если тепло можно создать, то его также можно и разрушить. Следовательно, предпосылка Карно была ложной. И он задался вопросом: откуда происходит энергия, необходимая для того, чтобы машина Карно осуществляла работу? Для него ответ был ясен: часть тепла, которым обмениваются источники, затрачивается на осуществление работы. Так, тепло может быть разрушено и создано из ничего, но оно всегда должно трансформироваться в соответствующую величину работы. Тогда общая энергия должна была быть постоянной. Из этого рассуждения возникло то, что сегодня известно как «первое начало термодинамики»: тепло и работа есть формы передачи энергии. Первый принцип — это провозглашение ранее упомянутого закона сохранения энергии, в том смысле, что поглощенное системой тепло соответствует работе, осуществленной ею, или увеличению внутренней энергии системы, или сочетанию обоих процессов.
В свете толкования Больцмана первое начало легко понять. Больцман считал, что температура — всего лишь мера движения молекул тела: чем больше движение, тем выше температура. То есть когда какое-то вещество нагревается (когда оно обеспечивается теплом), в действительности просто сообщается движение его молекулам, что является именно механической работой, и для понимания этого нужны только столкновения и силы. Соответствие между теплом и работой перестает быть секретом, если учитывать атомную природу материи и механическую природу температуры.
Последовательные принципы второго начала (или второго принципа) Клаузиуса — пример того, как смутное представление в результате размышлений может превратиться в один из столпов человеческого знания. В1850 году Клаузиус ограничился утверждением, что тепло не течет спонтанно от теплых тел к холодным. Но в 1854 году он ввел понятие «значения соответствия», то есть «пропорции между теплом, снабжающим тело, и его температурой», хотя он не сумел дать объяснения, что именно представляет собой эта величина. Он исправил формулировку в 1856 году, пользуясь языком дифференциального исчисления, выиграв в точности, но еще больше усложнив эту величину. В 1862 году Клаузиус принял атомную гипотезу и выдвинул идею «дисгрегации» как степени, при которой молекулы отделяются друг от друга. Все же пришлось дождаться 1865 года, когда была объявлена окончательная формулировка второго начала. Он окрестил свою таинственную величину «энтропия» — от греческого τροπή (то есть «превращение»), — учитывая, что его произношение очень похоже на слово «энергия», поскольку ученый понимал: обе величины тесно связаны. Формулировка второго принципа в терминах энтропии: в любом процессе энтропия замкнутой системы никогда не уменьшается. Система является замкнутой, если она не обменивается ни материей, ни энергией с окружающей средой.