Термодинамическое второзаконие. Статья №38. 25.04.17.


Посмотрим в корень. В слове термодинамика соединяются два термина thermo (θέρμη— тепло), и dynamics. (δύναμις— сила). Получается тепловая сила, или сила тепла.

С другой стороны, по аналогии с гидродинамикой, можно было бы предположить, что термодинамика занята изучением процессов движения (переноса) тепла. Но это далеко от истины.

Раздел прикладной физики, изучающий перенос тепла, называется теплотехника, а в более узком приложении – теплопередача. Термодинамика же, озабочена куда более серьёзными проблемами, а именно – взаимными превращениями тепла и механической энергии.

Другими словами, термодинамика – это наука о тепловых машинах.

Как и в механике, в термодинамике главенствуют три закона, которые, принято именовать началами.

Первое начало – это всеобщий закон сохранения энергии, область действия которого много шире границ технической термодинамики. Энергия неуничтожима и несозидаема.

Гипотеза о “неуничтожимости” энергии представляет несомненный интерес, даже если она, всерьёз никем не была и, скорее всего, никем и никогда не будет доказана.

Но вот вторая сторона медали – о “несозидаемости” энергии какая-то странноватая.

Энергия, вроде как, существует вечно, но никогда на свет не рождалась…

Или, всё-таки, рождалась, но только один раз, и потом – ни-ни…

Где-то это уже было. То ли в истории о сотворении Мира, то ли в сказке о Большом взрыве.

Третье начало, напротив, имеет столь узкие границы в прикладном смысле, что оно мало кому понятно. Речь в нём идёт об обнулении энтропии тела при его охлаждении до абсолютного нуля по температурной шкале Кельвина.

Если трактовать энтропию, как степень беспорядка (что принято в околонаучных кругах), то при сверхглубокой заморозке, в мире должен наступить идеальный порядок.

Иначе говоря, полная остановка любого мыслимого вида движения, включая колебания атомов – это и есть, в термодинамическом смысле, идеальный порядок.

Парадоксальная мысль. Невольно вспоминается зазеркальное царство Льюиса Кэрролла.

Но, может, хотя бы, второе начало термодинамики – это именно то, что реально выделяет термодинамику из всей остальной физики, в качестве прямого и полезного руководства для строителей тепловых машин ?

Не тут-то было. Сказка Кэрролла продолжается.

Вот, например, самая первая версия второго начала, принадлежащая перу Рудольфа Клаузиуса – основоположника термодинамики, как науки:

“Теплота не может сама собой перейти от более холодного тела к более тёплому”.

О чём же здесь сказано ?

На первый взгляд, ни о чём существенном. Более чем очевидно, что тепло естественным образом переходит от горячих тел к холодным, но никак не наоборот. Река ведь тоже – не течёт в гору. С какой стати банальной истине присвоен статус физического закона ?

Оказывается, всё дело в ужасной боязни крамолы под названием «вечный двигатель».

Действительно, если бы тепло могло само собой переходить от холодного тела к горячему, то тогда, халявное “горячее” тепло, можно было бы превратить в механическую работу, и далее по кругу. То есть, можно было бы запустить такой вечный двигатель, который, не нарушая закона сохранения энергии, постоянно превращал бы тепло с низкой температурой в тепло с высокой температурой, и на этой основе производил механическую работу.

Это и есть вечный двигатель второго рода, анафема которому, в завуалированной форме, сформулировали в виде второго закона термодинамики.

Итак, важнейший вывод из второго начала термодинамики – невозможность существования вечного двигателя, использующего тепло окружающего пространства, для производства полезной работы. Вот она суть термодинамического второзакония…

Лорд Кельвин, второй из отцов–основателей термодинамики, предложил свою редакцию второго закона: “Нельзя получить при помощи неодyшевлённой материи работу от какой-либо материи, охлаждая её ниже температуры наиболее холодного из окружающих тел”.

Здесь уже более определённо звучит отрицание возможности создания вечного двигателя. Смущает лишь оговорка про неодушевлённую материю. Получается, что привлечение одушевлённой материи делает запрет вечного двигателя не столь категоричным.

Лорд Кельвин явно проявил осторожность, ограничившись чисто физическими явлениями. Мало ли что там может происходить в живой природе. Лучше перестраховаться.

Например, температура листвы дерева обычно несколько ниже температуры окружающего воздуха. Это явление можно было бы списать на эффект мокрого термометра, когда влажная поверхность всегда чуть холоднее сухой поверхности. Но у некоторых растений листва глянцевая, например, у лавра, и с неё почти не происходит испарения влаги, и тем не менее, температура этой “сухой” листвы, всё-таки, заметно ниже температуры воздуха.

Благодаря перепаду температур тепловая энергия постоянно поступает из окружающего воздуха в растение и используется им в процессе биосинтеза.

Чем не вечный двигатель. Правда, растение не производит механической работы, а лишь наращивает древесную массу.

Дело за малым, достаточно сжечь образовавшуюся древесную массу в топке паровой машины, и произвести полезную механическую работу.

И велика ли тогда цена термодинамического второзакония ?

Прямо скажем – не очень велика.

И она станет ещё меньше, если от неопределённых процессов биосинтеза, мы перейдём к реальным физическим эффектам получения высокопотенциальной энергии, за счёт поглощения тепла, рассеянного в окружающей среде.

Этим мы и займёмся в следующей статье, а пока снова вернёмся к формулировке второго закона в редакции Клаузиуса.

Трудно не заметить, что во втором начале вообще не упоминаются тепловые машины, и точно также не упоминаются процессы преобразования тепла в механическую работу.

Попытаемся поискать смысл между строк. Что означает: “…не может сама собой…”?

Вероятно, имеется ввиду необходимость какого-то дополнительного действия, обеспечивающего аномальное движение тепла от холодного тела к горячему.

Загадка сфинкса какая-то.

Что это за таинственное действие, при наличии которого “река вдруг потечёт в гору”?

Как ни странно, второе начало не даёт прямого ответа на данный вопрос.

А между тем, ответ тривиален – дополнительным действием должно быть совершение работы. Только с помощью дополнительно затраченной работы можно повернуть поток тепловой энергии вспять – из холода в тепло.

Именно это и происходит в каждом домашнем холодильнике: тепловая энергия отбирается от охлаждаемых продуктов и передаётся в тёплую комнату, благодаря работе, совершаемой компрессором.

Можно лишь гадать, почему во втором начале есть только тонкий намёк на возможность работы холодильных машин (их, кстати изобрели позднее), и умалчивается факт многократного превышения прироста тепла в комнате, по отношению к затраченной работе.

И это лишь одна из многих загадок, над которыми нам предстоит поломать голову.

Игорь Юрьевич Куликов


Преобразуем затраченную работу в патент
на ваше изобретение.

Телефон: +7 (495) 737-63-77 доб. 6800
Нина Николаевна Андреева




Автор:  Игорь Юрьевич Куликов, видео - Николай Геннадьевич Соков.

Возврат к списку